Światłowody kapilarne



Pobieranie 21,19 Mb.
Strona30/53
Data24.02.2019
Rozmiar21,19 Mb.
1   ...   26   27   28   29   30   31   32   33   ...   53

Rys.1. Skale odniesienia dla określania i pomiaru koncentryczności, niekołowości i rozrzutu parametrów geometrycznych światłowodu. a) położenie i eliptyczność rdzenia lub otworu kapilarnego; b) grubości i tolerancja wymiarów poszczególnych warstw refrakcyjnych.

W tabelach 1 i 2 zebrano niektóre wymiary standaryzowane dla światłowodów jednomodowych i wielomodowych. Światłowody instrumentacyjne, w tym SK, nie muszą rygorystycznie przestrzegać tych wymiarów, jednak w wielu przypadkach te wymiary są utrzymywane z następujących względów: dopasowanie wymiarowe do standardowych światłowodów transmisyjnych, łatwość sprzężenia ze światłowodami dostarczającymi i odbierającymi sygnał optyczny z instrumentalnej części systemu, kompatybilność z aparaturą pomiarową, w której złączki są standaryzowane wymiarowo, obniżenie kosztów budowanego systemu instrumentacyjnego poprzez standaryzacje, itp.

Niektóre zastosowania SK wymagają innych wymiarów zewnętrznych i wewnętrznych. Dotyczy to na przykład współpracy kapilary optycznej z chemicznym systemem kapilarnym i dostosowania do chemicznych standardów wymiarowych. Na ogół wymiary kapilar chemicznych są dość znaczne. Innym przykładem mogą być SK subwymiarowe, przeznaczone do wbudowania w materiał kompozytowy. Na ogół, ze względu na wymagania integracji mechanicznej i strukturalnej materiału kompozytowego, wymiar zewnętrzny kapilary optycznej, lub innego rodzaju włókna światłowodowego nie może przekraczać (50-60) µm.



Tabela 1 Standardy wymiarowe światłowodów jednomodowych

Parametr standaryzowany

Wartość nominalna [m]

Średnica pola modu w dla 1300nm

10

Tolerancja w

1

Średnica płaszcza D

125

Tolerancja D

3

Średnica pokrycia zewnętrznego

Ciąg standardowych wartości 250, 500, 1000

Średnica pola modu dla 1550nm







Tabela 2 Standardy wymiarowe światłowodów wielomodowych

Parametr standaryzowany

Wartość nominalna [m]

Średnica rdzenia Dr

50, także 62,5

Tolerancja Dr

3

Tolerancja cylindryczności płaszcza

<3

Średnica płaszcza Dp

125

Tolerancja Dp

3

Tolerancja cylindryczności płaszcza

<2,5

Dopuszczalna tolerancja nieosiowości rdzenia w płaszczu

<3

Średnica pokrycia zewnętrznego

250, 500, 1000


4.4 Parametry optyczne
Parametry optyczne [16] światłowodów obejmują: refrakcję bezwzględną i jej rozkład w przekroju poprzecznym włókna, czyli profil refrakcji, refrakcje różnicowe bezwzględne i względne, aperturę numeryczną, dyspersję sygnału. Specyfika refrakcji włókna kapilarnego w porównaniu z klasycznym polega tu na istnieniu także apertury numerycznej wewnętrznej. SKR ma profil refrakcji pierścieniowy i mechanizm propagacji jest czysto refrakcyjny. Mechanizm propagacji fali optycznej w SKF jest nierefrakcyjny a dyfrakcyjno-interferencyjny (tzw. fotoniczny). W rzeczywistym światłowodzie SKF, dla pewnych zakresów stałych propagacji, mechanizm propagacji jest mieszany: zarówno fotoniczny jak i refrakcyjny. Istnieją mody hybrydowe. Przedmiotem pomiarów i optyczno–falowej charakteryzacji SK jest określenie zakresów istnienia różnych rodzajów fal.


4.4.1 Refrakcja i apertura numeryczna

Parametry refrakcyjne światłowodu są określane raczej przez wielkości różnicowe Δn=ni-nj lub względne Δ=(ni-nj)/ni. Parametrami wyjściowymi są refrakcje poszczególnych warstw włókna ni, nj,... lub kształt funkcji refrakcji gradientowej Pr=n(r), tzw. profil refrakcyjny.

Światłowody kapilarne mają potencjalnie dwie wartości apertury numerycznej: wewnętrzną – w kierunku otworu kapilarnego oraz zewnętrzną w kierunku płaszcza optycznego. W zależności od szczegółów konstrukcji światłowodu kapilarnego wartości tych apertur mogą zmieniać się w pewnych granicach. O wynikowej aperturze włókna decyduje wartość mniejsza.

Jeśli rdzeń optyczny pierścieniowy przylega bezpośrednio do otworu kapilary, to apertura numeryczna (wewnętrzna) takiego układu wynosi zawsze więcej niż 1.

Możliwa jest, na ogół rzadka, sytuacja gdy rdzeń optyczny, ze względów aplikacyjnych, jest pokryty bardzo cienkim płaszczem optycznym. Wówczas apertura numeryczna wewnętrzna takiego układu jest podobna (ale może być różna) do apertury numerycznej zewnętrznej.

Apertura numeryczna zewnętrzna wytwarzanych światłowodów kapilarnych jest typowa i podobna jak w innych światłowodach ze szkieł wieloskładnikowych. Można ją stosunkowo łatwo zmieniać w zakresie od 0,2 do 0,4. Inne wartości są także możliwe, ale trzeba brać pod uwagę dopasowanie termiczne szkieł o bardziej odległych parametrach fizykochemicznych. Tab.3 przedstawia przykładowe wartości apertury numerycznych wytwarzanych światłowodów kapilarnych.



Tabela 3. Przykładowe wartości apertury numerycznych wytwarzanych światłowodów kapilarnych.

Rodzaj światłowodu, materiał

Wartość lub zakres wartości apertury numerycznej NA światłowodu

Apertura numeryczna światłowodu kapilarnego wysokokrzemionkowgo pokrytego Teflonem

NA=0,66

Apertura numeryczna światłowodu kapilarnego wysokokrzemionkowego pokrytego poliamidem

NA=0,22

Borokrzemionkowy z Teflonem

NA=0,5-03

Borokrzemionkowy z poliamidem

NA=0,2-01

Szkło światłowodowe niskorefrakcyjne,

NA=0,1-0, 25

Szkło światłowodowe wysokorefrakcyjne,

NA=0,2-0,45


4.4.2 Profil refrakcyjny

Profil refrakcyjny wielomodowy [17], jednomodowy [18] i maksymalna wartość różnicy współczynników załamania są mierzone wieloma metodami. Metoda pola bliskiego załamanego jest używana w automatycznych refraktometrach światłowodowych. Stosuje się także metody interferencyjne, np. osiową mikroskopię interferencyjną (nazywaną mikrointerferometrią poprzeczną) a także mikrointerferometrię podłużną. Dla poprzecznej metody pomiaru przygotowywany jest cienki poprzecznie wycięty plasterek włókna o obu powierzchniach dokładnie równoległych i o jakości optycznej. Mierzona jest różnica długości dróg optycznych w obszarze rdzeniowym plasterka, np. za pomocą interferencyjnego wzoru prążkowego. Stąd biorą się wymagania na dopuszczalną grubość plasterka aby otrzymać czytelny obraz odkształcenia prążków. Zaletą metody jest prostota pomiaru polegającego na translacji współczynnika załamania na wymiar geometryczny. Wady, to trudności w wykonaniu próbki do pomiaru oraz stosunkowo niewielka rozdzielczość przestrzenna.

Mikrointerferometria poprzeczna polega na umieszczenia odcinka światłowodu w odpowiednim środowisku immersyjnym, np. dopasowanym do płaszcza lub innej wewnętrznej struktury refrakcyjnej światłowodu i oświetleniu interferencyjnym polem prążkowym. Przesunięcie prążków, w odpowiednim systemie analizy obrazu prążkowego jest przeliczane na profil refrakcyjny. W metodach mikrointerferometrycznych istotne jest posiadanie absolutnych wzorców współczynników załamania. Wzorce takie są dostarczane albo poprzez środowisko immersyjne, albo np. przez wzorcowy, najlepiej wielowarstwowy światłowód o wieloskokowym profilu refrakcyjnym i dokładnie znanych współczynnikach poszczególnych warstw.

Profil refrakcyjny kapilary optycznej, dla typowego zastosowania instrumentalnego, jest relatywnie rzadko, jeszcze obecnie, przedmiotem kształtowania dyfuzyjnego. Ta sytuacja będzie zapewne ulegała stopniowo zmianie. W większości rozwiązań SK, klasyczne profile skokowe są zdefiniowane refrakcjami zastosowanych szkieł rdzeniowych, płaszczowych, ewentualnie dodatkowych szklanych warstw buforowych czy konstrukcyjnych. Do profilu refrakcyjnego światłowodów kapilarnych odnoszą się uwagi podane przy definicji charakteru i specyfiki apertury numerycznej takich światłowodów. W zasadzie klasyfikowane są następujące rodzaje profili refrakcyjnych w światłowodach kapilarnych (wszystkie o skokowym lub quasi-skokowym charakterze, chociaż możliwe jest wytworzenie profilu gradientowego z preformy hybrydowej):

- najprostsze rozwiązanie kapilary optycznej z pierścieniowym rdzeniem to bezpłaszczowa, niezabezpieczona lub zabezpieczona, płaszcz stanowi niskostratne pokrycie silikonowe lub przezroczysty lakier o odpowiednio dobranym współczynniku załamania światła,

- kapilara optyczna z płaszczem zewnętrznym i rdzeniem pierścieniowym przylegającym do otworu kapilarnego,

- kapilara optyczna z rdzeniem buforowanym optycznie od otworu kapilarnego,

- SK o obniżonej częściowo refrakcji płaszcza,

- inne rozwiązania nietypowe, np. dla celów instrumentalnych.

O charakterze profilu decyduje wartość apertury numerycznej oraz grubość pierścienia rdzeniowego. SK mają profile jednomodowe i wielomodowe. Modem podstawowym jest mod pierścieniowy (o polaryzacji kołowej) HE11. Na rys.2. przedstawiono profil odniesienia SK i SKD oraz profile refrakcyjne rzeczywiste. Na rys.3 przedstawiono wyniki pomiarów profili refrakcyjnych SK metodą tomograficzną i towarzyszącą jej metodą obrazowania refrakcji w dziedzinie sztucznych barw. Rys.3a-d przedstawia profil schodkowy a rys.3 e-f profil wielo-pierścieniowy. W SK jednomodowym profil wielo-pierścieniowy jest wykorzystywany do kształtowaniu gradientu pola zanikającego w obszarze kapilary na granicy szkło – powietrze. Wartość tego gradientu ma zasadnicze znaczenie w zastosowaniach czujnikowych SKR, a także w zastosowaniach w układach transmisyjnych optyki atomowej.



Rys.2 a) Wzorcowy skokowy profil refrakcyjny odniesienia dla światłowodu kapilarnego SKR w podstawowym rozwiązaniu refrakcyjnym SK i SKD; b) Przykładowe, rzeczywiste kształty profili refrakcyjnych światłowodów kapilarnych SK i SKD.







Rys.3. Ilustracje pomiaru profilu refrakcyjnego gradientowej preformy światłowodu kapilarnego (wytworzonej metodą hybrydową) za pomocą metody tomograficznej a) Kontur refrakcyjny przyrostowy z profilomierza dla SK o profilu schodkowym; b) Profilowanie refrakcyjne w obszarze sztucznych barw dla preformy SK z rys.3a; c) Powiększona fotografia ścianki preformy z widocznym subtelnym „uskokiem” schodkiem refrakcyjnym. d) Skala odniesienia barwnego dla względnych zmian refrakcji. e) Kontur refrakcyjny bezwzględny dla SK o profilu pierścieniowym; f) Profil refrakcyjny bezwzględny w dziedzinie sztucznych barw dla SK pierścieniowego z rys.3e.



1   ...   26   27   28   29   30   31   32   33   ...   53


©operacji.org 2017
wyślij wiadomość

    Strona główna