Типы и применение световодов

Размещено на http://www.allbest.ru/

СВЕТОВОД

СВЕТОВОД (волновод оптический) - закрытое устройство для направленной передачи света. В открытом пространстве передача света возможна только в пределах прямой видимости и ограничивается нач. расходимостью излучения, поглощением и рассеянием в атмосфере. Переход к С. позволяет значительно уменьшить потери световой энергии при её передаче на большие расстояния, а также передавать световую энергию по криволинейным трассам.

Разработаны разнообразные типы С., среди них - линзовые (зеркальные) С., представляющие собой систему заключённых в трубу и расположенных на определённых расстояниях линз (зеркал), полые металлич. трубы и др., однако они не нашли широкого применения.

Наиб. перспективный и широко применяемый в настоящее время (1990-е гг.) тип С.- гибкий диэлектрич. волоконный С. с низкими оптич. потерями (см. Волоконная оптика ),позволяющий передавать свет на большие расстояния. В простейшем варианте он представляет собой тонкую нить из оптически прозрачного материала, сердцевина к-рой радиуса a1 имеет показатель преломления n1, а оболочка с радиусом а2 имеет показатель преломления п2 <п1 (рис. 1). В приближении геом. оптики лучи, входящие в сердцевину под достаточно малыми углами к оси С., испытывают полное внутреннее отражение на поверхности раздела сердцевины и оболочки и распространяются только по сердцевине.

Рис. 1. Поперечное сечение волоконного световода

В зависимости от назначения С. диаметр сердцевины 2a1 составляет от неск. мкм до неск. сотен мкм, а 2а2 - от неск. десятков до примерно тысячи мкм.

Величины 2a1 и п1 - п2 определяют число типов волн (мод), к-рые могут распространяться по С. при заданной длине волны света. Выбирая 2а1 и n1 - n2 достаточно малыми, можно добиться, чтобы С. работал в одномодовом режиме.

Волоконные С. находят широкое применение в системах оптической связи, в датчиках разл. физ. полей, в вычислит. технике, для канализации мощного лазерного излучения для медицинских и технол. целей и т.д.

Характеристики волоконных световодов. Важнейшими характеристиками С., предназначенных для подобных применений, являются оптич. потери, дисперсия групповой скорости, оптич. нелинейность и механич. прочность. В 70-х гг. 20 в. созданы волоконные С. на основе кварцевого стекла с затуханием сигнала ~1 дБ/км в ближней ИК-области спектра. Типичный спектр оптических потерь в таких С. представлен на рис. 2, а. Минимально возможные потери составляют 0,16 дБ/км на волне 1,55 мкм. Материалом для таких С. служит кварцевое стекло; различия показателей преломления сердцевины и оболочки достигают легированием стекла (напр., фтором, германием, фосфором).

Др. важной характеристикой одномодовых волоконных С., широко применяемых в системах оптич. связи, является дисперсия групповой скорости. На рис. 2, б представлен спектр дисперсии С. на основе кварцевого стекла. Видно, что кривая дисперсии проходит через 0 вблизи мкм. Это означает, что именно в этой спектральной области информац. полоса пропускания одномодовых волоконных С. на основе кварцевого стекла максимальна и составляет 1011 Гц*км.

Рис. 2. Спектр оптических потерь (а) и дисперсии групповой скорости (произвольные единицы, б)

Изменением профиля показателя преломления волоконного С. можно сместить нуль дисперсии в область вблизи 1,55 мкм, где расположен абс. минимум оптич. потерь. Такие волоконные С. (со смещённой дисперсией) разработаны и находят большое применение в широкополосных системах дальней оптич. связи. Разработаны волоконные С. более сложной конструкции, напр. многослойные С., в т. ч. с сильным двулучепреломлением. Одномодовые С. последнего типа перспективны для применений, где необходимо сохранить поляризацию распространяющегося света.

Хотя стеклянные волоконные С. первоначально разрабатывались в качестве линейной передающей среды для систем оптич. связи, оказалось, что они являются перспективным нелинейным материалом. Оптическая нелинейность в стеклянных волоконных С. возникает в результате зависимости показателя преломления п от интенсивности лазерного излучения , где n0 - линейная часть показателя преломления при произвольно низких значениях интенсивности, не зависящая от интенсивности; п'I - нелинейная добавка, п' - коэф., величина к-рого для кварцевого стекла равна 3,2*10-16 см2/Вт. Малая величина п' для кварцевого стекла показывает, что оно не является хорошим нелинейным материалом. Однако, когда стекло используется в виде волоконного С., нелинейность может иметь большой эффект, что связано с малым сечением сердцевины одномодового волоконного С. ~ 10-6 см2. Это означает, что при введении в С. лазерного излучения мощностью 1 Вт интенсивность I ~ 1 МВт/см2. Такая высокая интенсивность сохраняется на больших длинах С. вследствие его низких оптич. потерь, обеспечивая длину взаимодействия высокоинтенсивного излучения с веществом вплоть до неск. км. В результате в стеклянных волоконных С. эффективно протекают разнообразные нелинейные процессы при пороговых мощностях 1-10 мВт.

Наиб. интересным нелинейным эффектом, имеющим большое практич. значение, является солитонный режим распространения оптич. импульсов в волоконных С. в спектральной области отрицательной дисперсии групповой скорости ( мкм, рис. 2, б).

В идеальном С. без потерь оптический солитон распространяется без изменения своей формы. Поэтому солитоны перспективны как носители информации в широкополосных и протяжённых волоконно-оптич. системах связи. Разработаны лаб. солитонные системы связи, к-рые, как полагают, могут использоваться в коммерч. сетях связи в нач. 21 в.

При практич. использовании волоконных С. важной их характеристикой является механическая прочность. Теоретич. прочность на разрыв нитей из кварцевого стекла составляет 20-25 ГПа, макс. прочность С. на основе кварцевого стекла, защищённых полимерной плёнкой, равна 5-6 ГПа. Прочность высококачеств. волоконных С. зависит от поверхностных дефектов стекла (трещин, раковин и т. д.), к-рые в присутствии влаги под действием приложенных к С. напряжений увеличиваются, достигая уровня, при к-ром происходит разрушение С. Один из эффективных способов повышения прочности С.- нанесение на С. герметичных покрытий в процессе их изготовления. Нанесение металлич. герметичных покрытий позволило получить лаб. образцы С. с прочностью до 12-15 ГПа. На рис. 3 приведены ф-ции распределения прочности волоконных С. с полимерными (а) и металлическими (б)покрытиями.

Рис. 3. Функции распределения прочности волоконных световодов на основе кварцевого стекла с полимерными (а) и герметичными металлическими (б) покрытиями

волоконный световод

Световоды в медицине. В медицине щелевые световоды применяются для освещения взрывоопасных барокамер, где лечение или хирургическая операция больных происходит в атмосфере чистого кислорода при повышенном давлении. В этих случаях традиционное электрическое освещение барокамер возможно только при принятии соответствующих мер повышенной предосторожности. При применении щелевых световодов лампы находятся вне барокамеры, внутренний объём которой освещается световодами, расположенными внутри помещения. 2.5.2 Волоконные световоды Как мы уже знаем, в медицине используются различные лазеры, которые генерируют излучение от ультрафиолетового до инфракрасного диапазона. Мы также рассмотрели их лечебные возможности. При этом основной задачей становится метод подвода лазерного луча к любому больному участку тела и внутреннему органу пациента. В этом случае, видимо, волоконные световоды и жгуты с небольшими поперечными сечениями и сопоставимыми потерями могут быть наиболее подходящими для указанных целей. Недаром в последние годы наиболее широкое применение в медицине волоконные световоды нашли в области передачи энергии лазерного излучения внутрь человеческого тела для хирургических и терапевтических целей.

Применение оптических волоконных световодов в медицине также связано и с использованием их в диагностической практике в качестве систем передачи изображений, которые называются фиброскопами. На рисунке 2.19 (а) показан общий вид фиброскопа и фотография полипов, полученная с его помощью в клинике Мэйо. а- общий вид и строение; б- фотография полипов, полученная с помощью фиброскопа. Из рисунка 2.19 (а) видно, что фиброскоп состоит из внешнего и внутреннего жгутов волоконных световодов, плотно уложенных между собой. Внешний жгут - осветительный, а внутренний - информационный (передача изображения к наблюдателю). Свет из мощного источника (например, ксеноновая лампа) направляется на приёмник. Линза приёмника фокусирует свет от лампы на торец жгута. Свет, проходя по световодам жгута, освещает полип (например, в желудке). Отражённый от живой ткани свет собирается линзой и фокусируется на торец внутреннего жгута. Изображение можно наблюдать в окуляр, записывать на видеоплёнку и т.д. Новейшие фиброскопы содержат до 10000 световодов в жгуте диаметром около 1 мм.

Разрешающая способность такого фиброскопа высока. Он позволяет рассматривать предметы, имеющие размер 70 мкм в поперечнике. Фиброскопы часто включаются в состав более сложных приборов, называемых эндоскопами. Эндоскопы также имеют дополнительные каналы, позволяющие расширить функции этого прибора. Например, через один канал можно ввести воду для очистки раны от инородных веществ, через другой - миниатюрные скальпели для разрезания биоткани, через третий - иглы для впрыскивания лекарств. Современные эндоскопы имеют длину от 0,3 до 1,2 м и диаметр от 2,5 до 15 мм. На рисунке 2.19 (б) показана концевая часть эндоскопа, в дополнительный канал которого введены миниатюрные ножницы для отделения полипа. На рисунке 2.20 показана возможная конструкция эндоскопа для введения через плечевую артерию для наблюдения фрагментов сердца и разрушения бляшек и других наростов в сосудах. Через него можно наблюдать за клапанами сердца и закупорками в венечных артериях, разрушать бляшки и т.п. На вставке рисунка 2.20 показана концевая часть эндоскопа, состоящего из фиброскопа, надувной манжеты, силового световода для подвода лазерного излучения и вспомогательного канала. Фиброскоп позволит визуально обнаружить бляшки и другие закупорки сосудов. Затем, для временной остановки кровотока манжета надувается.

По силовому световоду подаётся лазерное излучение для разрушения, например, бляшки. После проведённой операции из манжеты выпускается воздух и поток крови восстанавливается. Первоначально для удаления бляшек применяли аргоновый лазер, излучающий зелёный свет, из-за его надёжности и эффективности передачи его излучения по обычным кварцевым световодам. Оказалось, что зелёный свет вызывает обширные тепловые разрушения близлежащих тканей. При этом происходит недостаточно эффективное удаление бляшки.

Для этих целей более эффективными оказались импульсное ультрафиолетовое или инфракрасное лазерное излучение. Для таких операций очень важным является защита кровеносных сосудов от прожигания лазерным лучом. Считается, что волоконные световоды способны передавать инфракрасное излучение СО2 лазера, позволяя создавать безопасные, надёжные и долговечные хирургические системы.

Размещено на Allbest.ru