Оптоволокно

1. Введение

Волоконная оптика - раздел оптики, рассматривающий распространение электромагнитных волн оптического диапазона по световодам - оптическим волокнам. Конструкция отдельно взятого оптического волокна достаточно проста. Сердечник из оптически более плотного материала окружен оболочкой с меньшим коэффициентом преломления и все это покрыто защитной оболочкой (рис.1). Оптическое волокно - типичный диэлектрический волновод электромагнитных волн.

Когда поток света пересекает границу раздела двух сред с показателями преломления n₁ и n₂ то, как известно, наблюдаются два явления: преломление и отражение. Если световой поток пересекает границу раздела со стороны оптически более плотной среды, то угол преломления больше угла падения. С ростом угла падения преломленный луч будет прижиматься к границе раздела. И, наконец, при определенном угле падения, называемом критическим, преломленный луч начнет скользить вдоль поверхности раздела. При углах падения, больших критического, преломленный световой поток отсутствует (в идеализированном случае), поверхность раздела приобретает свойства зеркала - вся переносимая лучом энергия остается в отраженном потоке. Это явление носит название полного внутреннего отражения (рис.2). На эффекте полного внутреннего отражения построены все оптические волокна. Условно оптическим волокном называют световоды, диаметр которых менее 0.5 мм.

 Традиционные проводные линии, коаксиальные кабели, СВЧ волноводы - все они требуют дорогих и дефицитных материалов, по меньшей мере, меди. Для изготовления стекловолокна нужны окислы кремния - самые распространенные на Земле вещества. Волокна из прозрачных пластиков также почти не нуждаются в редких материалах. Таким образом, источники сырья для производства световолокон практически не ограничены. К этому следует добавить, что по диаметру оптические кабели существенно меньше металлических. Материалы оптических кабелей не подвержены коррозии и экологически безопасны.

Волоконно-оптические кабели не восприимчивы к помехам со стороны электромагнитных полей радиодиапазонов, и сами не создают таких помех. Поэтому в плане электромагнитной совместимости - это идеальные средства передачи информации. Столь же совершенны они и по электробезопасности, поскольку переносимые в них мощности очень малы.

Для того чтобы передать свет на некоторое расстояние необходимо сохранить его мощность. Снизить потери при его передаче можно, во-первых, обеспечив достаточно оптически прозрачную среду распространения, тем самым, сведя к минимуму поглощение волны, и, во-вторых, обеспечить правильную траекторию движения луча. Первая задача в настоящее время решается с помощью применения высокотехнологичных материалов, таких как чистое кварцевое стекло. Вторая задача решается с помощью закона оптики, описанного выше.

И сердцевина, и оболочка изготавливаются из стекла или пластика. Наиболее часто (вследствие лучших характеристик) используется оптоволокно типа "стекло-стекло", когда сердцевина и оболочка изготавливаются из особого кварцевого стекла. Понятно, что стекло, используемое для оболочки, должно иметь меньший показатель преломления, чем для сердцевины. Показатель преломления стекла регулируется с помощью легирующих добавок. В оптических волокнах показатели преломления сердцевины и оболочки различаются на величину порядка 1%.

Затухание в световоде, то есть потеря мощности светового сигнала происходит, в основном, по двум причинам: поглощение и рассеивание.

Поглощение связано с возбуждением в материале световода электронных переходов и резонансов. В результате этого увеличивается тепловая энергия, накапливаемая в оптическом волокне. Поглощение зависит как от свойств материала, из которого изготавливается оптоволокно, так и от длины волны источника света.

Рассеивание меньше зависит от свойств материала и, в основном, определяется нарушением геометрической формы оптического волокна. Следствием этих нарушений является то, что часть лучей покидает оптоволокно. Интенсивность рассеивания зависит не только от качества материала, из которого изготавливается сердцевина волокна, но и от качества оболочки, так как часть сигнала, вопреки геометрической оптики, распространяется в ней (это явление связано с квантовой природой света). Бороться с этим можно за счет нанесения на оболочку поглощающего покрытия.

Гибкие жгуты волокон используются для передачи изображения и света по протяженному каналу. Область применения - медицинские и технические эндоскопы, предназначенные для визуального наблюдения внутренних органов человека и животного, а также при осмотре деталей конструкций, находящихся в труднодоступных местах (например, двигатели самолетов и автомобилей).

Жгуты для передачи изображения имеют (ориентировочно) следующие размеры:

Диаметр жгута, мм	5-100
Диаметр единичного волокна, мкм	2-500
Длина жгута, мм	100-5000

Принципиальная схема передачи изображения весьма проста: свет, отраженный от предмета, попадает на вход светопроводящего жгута, распространяется по нему и выходит с противоположного конца к приемнику излучения (например, глазу человека) (рис .3).

Диаметр волоконной жилы может быть весьма мал, т.к. явление прохождения света через стержень принципиально не меняется до тех пор, пока диаметр не станет сравнимым с длинной световой волны - в таком случае законы геометрической оптики теряют силу, и в значительной мере начинают проявляться волновые свойства света (дифракция). Проходя через оптоволокно диаметром 50 микрон, свет может претерпевать от 3000 до 20000 отражений на метр, следовательно, для обеспечения высокого светопропускания необходима гладкая поверхность и высокая прозрачность среды световода, а так же прилегающей к нему среды.

Для передачи изображения необходима плотная укладка волокон в жгуты. Если при этом два соседних волокна расположены на расстоянии менее полуволны проходящего света, то свет может просачиваться из одного волокна в соседнее (рис. 4).

Плотно расположенные в жгуте волокна соприкасаются друг с другом, и просачивание света наблюдается не только на самой линии контакта волокон, но и в области, где расстояние между ними меньше половины волны. Просачивание света значительно ухудшает контраст изображения и понижает разрешающую силу световода и прибора в целом. Для предупреждения просачивания света волокна необходимо изолировать друг от друга тонкой оболочкой из прозрачного материала с меньшим показателем преломления, чем у волокон (именно с этой целью на жилу волокна наносится оболочка с близким значением показателя преломления). Такая оболочка должна обеспечить гладкость и чистоту поверхности светопроводящей сердцевины волокна, необходимые для исключения световых потерь при полном внутреннем отражении. Изолированные волокна можно вытягивать из цилиндрической заготовки с сердцевиной из стекла с высоким показателем преломления и оболочкой толщиной 1-2 микрона из стекла с низким показателем преломления. Так же для предотвращения просачивания на волокно можно нанести тонкий слой металла. В многожильных световодах удобно применять стеклянные волокна, изолированные друг от друга специально подобранной пластической изоляцией. Многожильные волокна обладают хорошими механическими свойствами (гибкость, прочность). С помощью таких многожильных светопроводящих кабелей достигается большая разрешающая сила:100-200 и более линий на миллиметр.

Светопропускание современных оптических волокон составляет не менее 90% на метр, а поглощение не боле 0.1% на метр. Число светопроводящих жил световода зависит от требуемой разрешающей силы прибора. Необходимо так же отметить, что в жгутах хорошего качества свет, вошедший через боковые поверхности, может уйти только через поверхности, параллельные оси волокна, т.е. свет, вошедший не со стороны входного торца световода, не может покинуть световод через наблюдаемый (выходной) торец. Такой свет не создаёт дымку рассеянного света на выходе, которая ухудшает полученное изображение. Приведенный факт не относится к жгутам с шероховатой поверхностью волокон, жгутов, торцы которых не перпендикулярны волокнам и для конических жгутов. Борьба с рассеянным светом не является основной проблемой при создании волоконных систем для передачи изображения (тем более, что от внешнего рассеянного света жгут предохраняет непрозрачное покрытие ).