Referat Fibrele Optice

Mai jos puteti citi fragmente din Referat Fibrele Optice si de asemenea puteti face Download Referat Fibrele optice

Citeste fragmente din Referat Fibrele Optice

FIBRELE OPTICE Din punctul de vedere al opticii, pentru a obţine informaţii despre un obiect trebuie îndeplinite cel puţin trei condiţii şi anume: (a) obiectul să fie luminos, adică să emită lumină direct sau indirect, (b) lumina care provine de la obiect să fie transmisă către locul unde se face detecţia fără pierderi prea mari şi (c) cantitatea de lumină care ajunge la locul de detecţie să fie suficient de mare. Observăm că mediul prin care se transmite informaţia optică este de importanţă esenţială pentru ca semnalul optic transmis să nu fie “mutilat” sau distorsionat. Chiar şi în cazurile când ne interesează doar simpla observare a obiectelor, dispozitivele şi aparatele optice clasice sau devin prea complicate sau nu pot rezolva o anumită problemă de rezolvare. Să luăm doar un singur exemplu: cei care lucrează în domeniul medical sunt interesaţi să dispună de metode rapide şi sigure de explorare a anumitor părţi interne sau organe interne ale organismului uman. Metodele clasice, bazate pe folosirea lămpilor cu incandescenţă, nu numai că sunt greoaie şi implică iluminări mici, dar prezintă şi riscuri datorită folosirii conexiunilor electrice. Toate aceste dificultăţi sunt eliminate dacă iluminarea se face din afară prin intermediul unei fibre optice subţiri. Însă fibrele optice sunt deja folosite pe scară largă în tehnica comunicaţiilor sau de transmitere a imaginilor. Această posibilitate este faciliată de natura electromagnetică a luminii, frecvenţa undelor luminoase fiind mult mai mare decât cea a undelor radio. Ântr-un context mai general fibrele optice reprezintă un domeniu al opticii integrate, iar progresele care vor fi obţinute în cadrul opticii integrate vor depinde foarte mult de progresele ce se vor realiza în domeniul fibrelor optice. Ca domeniu al opticii, care a apărut exclusiv din necesităţi practice dintre cele mai diverse, fibrele optice au cunoscut o dezvoltare rapidă după anul 1950 ca rezultat al obţinerii primelor fibre optice cu performanţe ridicate. Principiul de funcţionare al fibrelor optice este asemănător, din multe puncte de vedere, cu principiul de transmitere a luminii printr-o baghetă de sticlă transparentă. Teoretic, lumina poate fi transmisă printr-o astfel de bachetă de sticlă optică, dacă indicele de refracţie al sticlei este mai mare decât indicele de refracţiei al aerului. Din punct de vedere practic însă, neomogenităţile de compoziţie şi de prelucrare, precum şi impurităţile de pe suprafaţa materialului implică piederi foarte mari de lumină de-a lungul parcursului luminii. Pe de altă parte, natura electromagnetică a radiaţiei luminoase arată că pot apărea pierderi de lumină şi fenomene parazite care limitează drastic posibilităţile de folosire practică a fibrelor optice. Indiferent de domeniile în care se folosesc, fibrele optice sunt ghiduri de lumină folosite pentru transmiterea informaţiilor cu piederi mici de energie dintr-un loc în alt loc. Vom analiza transmiterea radiaţiei luminoase prin fibrele optice din punctul de vedere al opticii geometrice şi din punctul de vedere al opticii ondulatorii. FIBRA OPTICĂ SIMPLĂ Prin fibră optică simplă înţelegem un mediu optic transparent, de mare lungime, cu secţiunea transversală circular simetrică şi indicele de refracţie constant sau radial variabil, separat de un alt material cu indicele de refracţie constant şi mai mic, pentru ca la suprafaţa de separare să se producă reflexia totală a radiaţiei luminoase, fără pierderi. După mudul de variaţie radială a indicelui de refracţie al materialului transparent, denumit miezul fibrei optice, distingem mai multe tipuri de fibre optice reprezentate în figura 8.1. Învelişul fibrei optice are şi rolul de aproteja de impurităţi suprafaţa de separare dintre miez şi înveliş, la care se produce fenomenul de reflexie totală. Tehnologia de obţinere a fibrelor optice este prezentată de Tader şi Spulber (1985). CONSIDERAŢII DE OPTICĂ GEOMETRICĂ Propagarea radiaţiei luminoase prin fibra optică poate fi analizată din punctul de vedere al opticii geometrice atunci când diametrul miezului fibrei optice este mare comparativ cu lungimea de undă a radiaţiei luminoase (efectele de difracţie se neglijează). Dacă diametrul miezului fibrei optice este de acelaşi ordin de mărime cu lungimea de undă a radiaţiei luminoase, analiza trebuie făcută în cadrul opticii ondulatorii. În această secţiune vom considera că sunt împlinite condiţiile de aplicabilitate a opticii geometrice. În limbajul opticii geometrice, radiaţia luminoasă incidentă la limita de separare dintre miezul fibrei (cu indicele de refracţie n1 ) şi învelişul protector (cu indicele de refracţie n2, n1 > n2) va fi reflectată total şi deci se va propaga fără pierderi de-a lungul fibrei optice, dacă unghiul de incidenţă θ este mai mare sau egal cu unghiul limită l (0>l), unde unghiul limită este dat de relaţia sin l=n2/n1=1/n21 (8.1) Fie o fibră optică cilindrică cu secţiunea transversală, circulară de rază R0 şi cu indicele de refracţie n1=constant, înconjurată de un mediu protector cu indicele de refracţie n2=constant şi fie SI o rază de lumină, care intersectează axa de simetrie a fibrei, incidentă pe suprafaţa plană a fibrei optice, perpendiculară pe axa de simetrie, sub unghiul de incidenţă i, aşa cum se arată în figura 8.2. După ce suferă refracţia la suprafaţa plană sub unghiul de refracţie r, dat de relaţia r=arc sin (n0/n1 sin i), (8.2) unde n0 este indicele de refracţie al mediului din care lumina pătrunde în fibră, raza de lumină ajunge la suprafaţa de separare dintre miezul fibrei şi mediul protector sub unghiul de incidenţă θ dat de relaţia θ=π/2-r. (8.3) Conform relaţiilor (8.1)- (8.3), condiţia de reflexie totală în punctul I’ este dată de relaţia sin θ=cos r=(1-sin²r)½=(1-n²0 /n²1 sin²i)½>n2/n1, (8.4a) sau (n1²-n2²)½≡sin imax>sin i. (8.4b) Aceasta înseamnă că orice rază de lumină, incidentă pe suprafaţa plană a fibrei optice sub unghiul de incidenţă i mai mic decât unghiul imax, dat de relaţia (8.4b), va fi trapată în fibra optică (raza trapată). Unghiul de refracţie maxim pentru o rază trapată este dat de relaţia sin rmax= n0 sin imax= (1- n2²)½ . (8.4c) n1 n1² Apertura numerică (A.N.) a fibrei optice este A.N.= n0 sin imax= (n1²-n2²)½ . Fig 8.3. Distanţa de la axa de simetrie la drumurile succesive parcurse de rază în interiorul fibrei optice este o mărime constantă, notată cu dc . De asemenea şi unghiul de incidenţă θ din interiorul fibrei rămâne constant, fiind dat de relaţia cos θ= sin r cosγ= n0 sin i cos γ n1 unde sin γ= dc/R0. În funcţie de unghiul de incidenţă la intrare,i, condiţia de trapare a razei de lumină se scrie n0 sin i< A.N. sec γ. Razele incidente care nu intersectează axa de simetrie a fibrei optice determină o apertură numerică virtuală (A.N.V.) care se poate calcula folosind relaţia A.N.V.= n0 sin imax= (n1²-n2²)½ sec γ . Întrucât nu toate razele de acest fel sunt trapate de fibra optică, chiar dacă se îndeplineşte condiţia i < imax, apertura numerică efectivă (A.N.E.) se calculează cu ajutorul relaţiei (A.N.E.)²= n0²- 2 {[(n0²-n1²+n2²)]½+[n0²-2(n1²-n2²)]arccos[(n1²-n2²)½/n0]} , π pentru obţinerea căreia s-au luat în consideraţie toate razele de lumină, indiferent dacă intersectează sau nu axa de simetrie, iar fibra optică s-a considerat perfect cilindrică. Când suprafaţa plană, a fibrei opice, prin care intră lumina, este oblică faşă de axa de simetrie, conul razelor trapate va fi şi el oblic, la ieşirea din fibră, faţă de axa de simetrie. Reprezentarea schematică a formei fasciculului incident şi de forma suprafeţei prin care intră lumina, este dată în figurile 8.4 a, b, c. Dacă fibra optică este conică, aşa cum se arată schematic în figura 8.5, unghiul de incidenţă al unei raze trapate în interiorul fibrei se modifică de-a lungul acesteia, raza de lumină putându-se chiar întoarce la suprafaţa de intrare. Condiţia de trapare a unei raze de lumină care intersectează axa de simetrie a fibrei conice este dată de relaţia n0 sin i= n1 sin r= n1R2 sin rx< (n1²-n2²)½ R2 , R1 R1 unde R1 este raza suprafeţei de intrare, iar R2 raza suprafeţei de ieşire ale fibrei conice. Apertura numerică a fibrei optice conice este mai mică de R1/R2 ori decât apertura numerică a fibrei optice cilindrice. Obţinerea unei cât mai mari concentraţii spaţiale de lumină se poate realiza prin conicizarea fibrei optice, însă acest lucru este acompaniat de creşterea divergenţei unghiulare a fasciculului de lumină. Putem creşte suprafaţa iluminată de fascicul micşorând unghiul de convergenţă al conului. Prin Curbarea fibrei optice anumite raze de lumină iniţial trapate pot trece în mod radiativ. În practică razele de curbură sunt mari, încât pierderile radiative sunt neglijabile, ceea ce asigură un mare avantaj fibrelor optice ca ghiduri de lumină. Curbarea fibrei optice distruge simetria axială. Efectul curbării se manifestă cel mai pregnant asupra razelor de lumină din planul de curbură care intersectează axa; de aceea, pentru început vom lua în consideraţie numai astfel de raze, reprezentarea schematică fiind dată în figura 8.6. Raza de lumină care intră în fibra optică în punctul I’’ este refractată sub unghiul de refracţie r, iar unghiul de incidenţă θ1 în punctul I``, obţinut prin aplicarea teoremei sinusului în triunghiul I`I``O va fi sin θ1=Rc-R0 sin I``I`O=Rc-R0 cos r . Rc+R0 Rc+Ro Unghiul de incidenţă pentru următorul punct de incidenţă, I``, va fi θ2=π-r 2 iar drumul parcurs de raza de lumină între două reflexii succesive va fi d= I`I``= (Rc+R0) sin β , cos r Rezultatul obşinut evidenţiază faptul că în cazul fibrelor optice cu indici de refracţie care diferă foarte puşin unul de altul, chiar şi micile curbări ale fibrei optice distrug efectul de trapare a razelor de lumină. CONSIDERAŢII PE BAZA OPTICII ELECTROMAGNETICE Multe fenomene care apar la ghidarea luminii prin fibrele optice nu pot fi abordate în cadrul opticii geometrice; pentru explicarea lor trebuie folosită optica electromagnetică. Asemănarea ghidurilor de undă rectangulare, fibrele optice cu secţiunea transversală circulară pot suporta mai multe moduri. Calitativ, modurile pot fi descrise în raport de variaţia radială a câmpului cu maxime sau minime pe axa de simetrie şi cu maxime adiţionale de-a lungul razei miezului. Acestea din urmă se notează cu litera m. Modurile staţionare sunt caracterizate de un câmp care scade monoton în afara miezului fibrei optice. Concomitent cu variaţia radială poate apărea şi o variaţie azimutală; câmpul poate vira ciclic în apropierea circumferinţei. Lungimea circumferinţei trebuie să corespundă unui număr întreg l de cicluri. Dacă lumina este polarizată liniar (PL), diferitele moduri sunt caracterizate prin notaţii simbolice de forma PLlm. Atenuarea fasciculului de lumină în timpul propagării de-a lungul fibrei optice se datorează în principal următoarelor cauze: -reflexiei la suprafaţa de intrare în fibra optică; -împrăştierii şi absorbţiei în materialul fibrei optice; -reflexiei totale incomplete la limita de separare miez-strat. Atenuarea este mare la începutul fibrei optice după care în fibră se propagă numai modurile trapate rămase. Fibra optică simplă are deja multiple aplicaţii practice. Ea poate fi folosită ca aparatură de dimensiuni mici în cele mai diverse dispozitive. De asemenea, ea este folosită pentru transportul energiei radiative în scopuri de încălzire locală a materialelor. De exemplu, în cuplaj cu o lampă incandescentă de 100W fibra optică simplă s-a folosit pentru sudarea conexiunilor din dispozitivele electronice. Când sunt implicate densităţi mari de energie radiantă, transmisă, ca în cazul cuplării fibrei optice cu un laser de putere, efectul de solarizare a materialului limiteză domeniul de aplicabilitate al fibrei optice. De pildă, pentru o densitate de putere de 15kW/cm² o fibră optică obişnuită, lungă de 1,5m, îşi reduce transmitanţa în timp de 7 min de la 0,53 la 0,25, din cauza solarizării. Folosirea unor materiale optice cu proprietăţi superioare a permis obţinerea unor fibre optice în care efectul de solarizare, în condiţiile specificate, determină o reducere a transmitanţei în timp de o oră de numai 10%. CABLURI DIN FIBRE OPTICE Deşi fibra optică simplă are o mare flexibilitate, datorită faptului că energia şi cantitatea de informaţie transmise prin fibră sunt limitate, se folosesc cabluri alcătuite din mai multe fibre optice simple. Cablurile de fibre optice sunt de două feluri: cabluri necoerente sau ghiduri de lumină, care se folosesc atunci când semnalul transmis de o fibră optică simplă a cablului nu este corelat cu semnalele transmise se celelalte fibre simple ale cablului; în astfel de cabluri nu este importantă poziţia relativă a diferitelor fibre simple care alcătuiesc cablul; cabluri coerente, folosite în special pentru transmiterea imaginilor; la asemenea cabluri poziţia relativă a diferitelor fibre simple care intră în componenţa acestora este de importanţă vitală. CABLURI NECOERENTE Funcţia primară a cablurilor necoerente este de a transmite lumina dintr-un loc în alt loc. Avantajele lor faţă de alte dispozitive optice care pot îndeplini acelaşi rol sunt flexibilitatea, eficienţa ridicată, compactitatea şi posibilitatea de modelare a secţiunii transversale a fasciculului luminos. Flexibilitatea permite ghidarea luminii după drumuri complicate fără să fie necesară folosirea oglinzilor sau a prismelor. Eficienţa ridicată poate avea valori mai mari decât unul. Cu ajutorul cablurilor optice se poate modifica atât forma secţiunii transversale a unui fascicul luminos cât şi numărul de fascicule transmise; un singur fascicul de lumină poate fi divizat în mai multe fascicule de lumină separate, sau mai multe fascicule de lumină pot fi combinate într-un singur fascicul de lumină. Structura de aranjare a fibrelor optice simple într-un cablu poate fi sau hexagonală sau pătratică, aşa cum se arată schematic în figura 8.8. Într-un montaj hexagonal fibrele optice ocupă o fracţiune egală cu π/2√3=0,9069 din suprafaţa unui element de reţea (reprezentat punctat în figură), dacă nu se ia în consideraţie grosimea staratului protector de material, şi ocupă o fracţiune egală cu o,9069 R0/R1 dacă se consideră şi grosimea stratului protector, R1 fiind raza secţiunii transversale corespunzătoare stratului protector. Într-un aranjament pătratic fracţiunea este de π/4=0,785, ceea ce determină ca transmitanţa acestor cabluri să fie mai mică decât cea a cablurilor cu aranjament hexagonal de 2/√3=1,115 ori. Diametrul fibrelor optice de sticlă folosite pentru alcătuirea cablurilor poate ajunge până la 0,15mm fără ca flexibilitatea cablului să se reducă prea mult. Dacă se folosesc fibre optice de material plastic, diametrul maxim poate fi decca 1,5mm. Prin curbarea (îndoirea) cablurilor, cele mai solicitate sunt fibrele optice exterioare. Astfel de solicitări duc la micşorarea transmitanţei cablului. În cazul cablurilor de sticlă transmitanţa se stabilizează la o valoare cu cca 1% sau 2% mai mică decât cea iniţială după aproximativ 100 de solicitări, pe când la cablurile din fibre de material plastic transmitanţa continuă să se reducă cu creşterea numărului de solicitări. Temperatura până la care se folosesc cablurile de sticlă depinde de materialul stratului protector şi de materialul folosit pentru unirea fibrelor şi poate fi de până la 4ooºC, iar temperatura maximă la care se mai pot folosi cablurile de plastic este impusă de materialul plastic folosit pentru obţinerea fibrelor. CABLURI COERENTE Deoarece fiecare fibră optică simplă, componentă a cablului, poate transporta o anumită cantitate de energie, corespunzătoare unui anumit element de suprafaţă a obiectului, independent şi fără influenţa fibrelor vecine, cablurile coerente servesc pentru transmiterea imaginilor dintr-un loc în altul. Fibra optică este extrasă din furnal pe un tambur, având însă grija de a poziţiona spirele succesive ale elicoidului unele lângă altele fără să se suprapună. După ce s-a obţinut lăţimea dorită, se depune un nou strat prin inversarea sensului de spiralare a fibrei, numărul straturilor depinzând de numărul de fibre care trebuie sa alcătuiască cablul. După ce s-a realizat numărul dorit de straturi, fibrele de pe tambur se taie paralel cu axa tamburului. Procedeul nu permite obţinerea unor fibre mai subţiri de cca 20 μm, motiv pentru care se procedează la reîncălzirea cablului şi întinderea sa obţinându-se fibre cu diametre de cca 5 μm. Datorită grosimii finite a materialului învelişului protector, o anumită cantitate de energie se pierde. Împrăştierile din miezul fibrei şi la suprafaţa fibrelor duc de asemenea la pierderi de energie. Ambele fenomene contribuie la trecerea luminii dintr-o fibră în alta. În cazul cablurilor nocerente aceasta duce, în cel mai rău caz, la micşorarea fluxului luminos. În cazul cablurilor coerente însă trecerea luminii dintr-o fibră în alta este însoşită de micşorarea contrastului din imaginea finală, motiv pentru care fibrele se acoperă cu un strat metalic protector sau cu un strat opac de sticlă. În general, cele două tipuri de cabluri optice, coerente şi necoerente, prezintă aceleaşi proprietăţi optice, deşi din anumite puncte de vedere pot apărea deosebiri. De exemplu, folosirea izolaţiei pentru prevenirea trecerii luminii dintr-o fibră optică în ,alta face ca apertura numerică a cablurilor optice coerente să fie mai mică din cauza creşterii atenuării razelor de lumină mai înclinate faţă de axă. În plus, de interes deosebit devine funcţia de propagare efectivă. Izolaţia dintre fibre nu este perfectă, încât de aceea, în fibre poate apărea lumină parazită. Când iluminarea suprafeţei de intrare a cablului se menţine în conul de lumină cu semiunghiul la vârf i