Click here to load reader

FIBRELE OPTICE

  • View
    40

  • Download
    4

Embed Size (px)

DESCRIPTION

fibrele optice

Text of FIBRELE OPTICE

referat.clopotel.ro

FIBRELE OPTICE

Din punctul de vedere al opticii, pentru a obine informaii despre un obiect trebuie ndeplinite cel puin trei condiii i anume: (a) obiectul s fie luminos, adic s emit lumin direct sau indirect, (b) lumina care provine de la obiect s fie transmis ctre locul unde se face detecia fr pierderi prea mari i (c) cantitatea de lumin care ajunge la locul de detecie s fie suficient de mare. Observm c mediul prin care se transmite informaia optic este de importan esenial pentru ca semnalul optic transmis s nu fie mutilat sau distorsionat.

Chiar i n cazurile cnd ne intereseaz doar simpla observare a obiectelor, dispozitivele i aparatele optice clasice sau devin prea complicate sau nu pot rezolva o anumit problem de rezolvare. S lum doar un singur exemplu: cei care lucreaz n domeniul medical sunt interesai s dispun de metode rapide i sigure de explorare a anumitor pri interne sau organe interne ale organismului uman. Metodele clasice, bazate pe folosirea lmpilor cu incandescen, nu numai c sunt greoaie i implic iluminri mici, dar prezint i riscuri datorit folosirii conexiunilor electrice. Toate aceste dificulti sunt eliminate dac iluminarea se face din afar prin intermediul unei fibre optice subiri.

ns fibrele optice sunt deja folosite pe scar larg n tehnica comunicaiilor sau de transmitere a imaginilor. Aceast posibilitate este faciliat de natura electromagnetic a luminii, frecvena undelor luminoase fiind mult mai mare dect cea a undelor radio. ntr-un context mai general fibrele optice reprezint un domeniu al opticii integrate, iar progresele care vor fi obinute n cadrul opticii integrate vor depinde foarte mult de progresele ce se vor realiza n domeniul fibrelor optice.

Ca domeniu al opticii, care a aprut exclusiv din necesiti practice dintre cele mai diverse, fibrele optice au cunoscut o dezvoltare rapid dup anul 1950 ca rezultat al obinerii primelor fibre optice cu performane ridicate. Principiul de funcionare al fibrelor optice este asemntor, din multe puncte de vedere, cu principiul de transmitere a luminii printr-o baghet de sticl transparent. Teoretic, lumina poate fi transmis printr-o astfel de bachet de sticl optic, dac indicele de refracie al sticlei este mai mare dect indicele de refraciei al aerului. Din punct de vedere practic ns, neomogenitile de compoziie i de prelucrare, precum i impuritile de pe suprafaa materialului implic piederi foarte mari de lumin de-a lungul parcursului luminii. Pe de alt parte, natura electromagnetic a radiaiei luminoase arat c pot aprea pierderi de lumin i fenomene parazite care limiteaz drastic posibilitile de folosire practic a fibrelor optice.

Indiferent de domeniile n care se folosesc, fibrele optice sunt ghiduri de lumin folosite pentru transmiterea informaiilor cu piederi mici de energie dintr-un loc n alt loc. Vom analiza transmiterea radiaiei luminoase prin fibrele optice din punctul de vedere al opticii geometrice i din punctul de vedere al opticii ondulatorii.

FIBRA OPTIC SIMPL

Prin fibr optic simpl nelegem un mediu optic transparent, de mare lungime, cu seciunea transversal circular simetric i indicele de refracie constant sau radial variabil, separat de un alt material cu indicele de refracie constant i mai mic, pentru ca la suprafaa de separare s se produc reflexia total a radiaiei luminoase, fr pierderi. Dup mudul de variaie radial a indicelui de refracie al materialului transparent, denumit miezul fibrei optice, distingem mai multe tipuri de fibre optice reprezentate n figura 8.1. nveliul fibrei optice are i rolul de aproteja de impuriti suprafaa de separare dintre miez i nveli, la care se produce fenomenul de reflexie total. Tehnologia de obinere a fibrelor optice este prezentat de Tader i Spulber (1985).

CONSIDERAII DE OPTIC GEOMETRIC

Propagarea radiaiei luminoase prin fibra optic poate fi analizat din punctul de vedere al opticii geometrice atunci cnd diametrul miezului fibrei optice este mare comparativ cu lungimea de und a radiaiei luminoase (efectele de difracie se neglijeaz). Dac diametrul miezului fibrei optice este de acelai ordin de mrime cu lungimea de und a radiaiei luminoase, analiza trebuie fcut n cadrul opticii ondulatorii. n aceast seciune vom considera c sunt mplinite condiiile de aplicabilitate a opticii geometrice.

n limbajul opticii geometrice, radiaia luminoas incident la limita de separare dintre miezul fibrei (cu indicele de refracie n1 ) i nveliul protector (cu indicele de refracie n2, n1 > n2) va fi reflectat total i deci se va propaga fr pierderi de-a lungul fibrei optice, dac unghiul de inciden este mai mare sau egal cu unghiul limit l (0>l), unde unghiul limit este dat de relaia

sin l=n2/n1=1/n21 (8.1)

Fie o fibr optic cilindric cu seciunea transversal, circular de raz R0 i cu indicele de refracie n1=constant, nconjurat de un mediu protector cu indicele de refracie n2=constant i fie SI o raz de lumin, care intersecteaz axa de simetrie a fibrei, incident pe suprafaa plan a fibrei optice, perpendicular pe axa de simetrie, sub unghiul de inciden i, aa cum se arat n figura 8.2. Dup ce sufer refracia la suprafaa plan sub unghiul de refracie r, dat de relaia

r=arc sin (n0/n1 sin i), (8.2)

unde n0 este indicele de refracie al mediului din care lumina ptrunde n fibr, raza de lumin ajunge la suprafaa de separare dintre miezul fibrei i mediul protector sub unghiul de inciden dat de relaia

=/2-r. (8.3)

Conform relaiilor (8.1)- (8.3), condiia de reflexie total n punctul I este dat de relaia

sin =cos r=(1-sinr)=(1-n0 /n1 sini)>n2/n1, (8.4a)sau

(n1-n2)sin imax>sin i. (8.4b)

Aceasta nseamn c orice raz de lumin, incident pe suprafaa plan a fibrei optice sub unghiul de inciden i mai mic dect unghiul imax, dat de relaia (8.4b), va fi trapat n fibra optic (raza trapat). Unghiul de refracie maxim pentru o raz trapat este dat de relaia

sin rmax= n0 sin imax= (1- n2) . (8.4c)

n1 n1

Apertura numeric (A.N.) a fibrei optice este

A.N.= n0 sin imax= (n1-n2) .

Fig 8.3. Distana de la axa de simetrie la drumurile succesive parcurse de raz n interiorul fibrei optice este o mrime constant, notat cu dc . De asemenea i unghiul de inciden din interiorul fibrei rmne constant, fiind dat de relaia

cos = sin r cos= n0 sin i cos

n1

unde sin = dc/R0. n funcie de unghiul de inciden la intrare,i, condiia de trapare a razei de lumin se scrie n0 sin i< A.N. sec . Razele incidente care nu intersecteaz axa de simetrie a fibrei optice determin o apertur numeric virtual (A.N.V.) care se poate calcula folosind relaia

A.N.V.= n0 sin imax= (n1-n2) sec .

ntruct nu toate razele de acest fel sunt trapate de fibra optic, chiar dac se ndeplinete condiia i < imax, apertura numeric efectiv (A.N.E.) se calculeaz cu ajutorul relaiei

(A.N.E.)= n0- 2 {[(n0-n1+n2)]+[n0-2(n1-n2)]arccos[(n1-n2)/n0]} ,

pentru obinerea creia s-au luat n consideraie toate razele de lumin, indiferent dac intersecteaz sau nu axa de simetrie, iar fibra optic s-a considerat perfect cilindric.

Cnd suprafaa plan, a fibrei opice, prin care intr lumina, este oblic fa de axa de simetrie, conul razelor trapate va fi i el oblic, la ieirea din fibr, fa de axa de simetrie. Reprezentarea schematic a formei fasciculului incident i de forma suprafeei prin care intr lumina, este dat n figurile 8.4 a, b, c.

Dac fibra optic este conic, aa cum se arat schematic n figura 8.5, unghiul de inciden al unei raze trapate n interiorul fibrei se modific de-a lungul acesteia, raza de lumin putndu-se chiar ntoarce la suprafaa de intrare. Condiia de trapare a unei raze de lumin care intersecteaz axa de simetrie a fibrei conice este dat de relaia

n0 sin i= n1 sin r= n1R2 sin rx< (n1-n2) R2 ,

R1 R1unde R1 este raza suprafeei de intrare, iar R2 raza suprafeei de ieire ale fibrei conice. Apertura numeric a fibrei optice conice este mai mic de R1/R2 ori dect apertura numeric a fibrei optice cilindrice. Obinerea unei ct mai mari concentraii spaiale de lumin se poate realiza prin conicizarea fibrei optice, ns acest lucru este acompaniat de creterea divergenei unghiulare a fasciculului de lumin. Putem crete suprafaa iluminat de fascicul micornd unghiul de convergen al conului.

Prin Curbarea fibrei optice anumite raze de lumin iniial trapate pot trece n mod radiativ. n practic razele de curbur sunt mari, nct pierderile radiative sunt neglijabile, ceea ce asigur un mare avantaj fibrelor optice ca ghiduri de lumin. Curbarea fibrei optice distruge simetria axial. Efectul curbrii se manifest cel mai pregnant asupra razelor de lumin din planul de curbur care intersecteaz axa; de aceea, pentru nceput vom lua n consideraie numai astfel de raze, reprezentarea schematic fiind dat n figura 8.6. Raza de lumin care intr n fibra optic n punctul I este refractat sub unghiul de refracie r, iar unghiul de inciden 1 n punctul I``, obinut prin aplicarea teoremei sinusului n triunghiul I`I``O va fi

sin 1=Rc-R0 sin I``I`O=Rc-R0 cos r .

Rc+R0 Rc+RoUnghiul de inciden pentru urmtorul punct de inciden, I``, va fi 2=-r