Решение дифференциальных уравнений Примеры решения типовых задач Курс практики по математике Инженерная графика Машиностроительное черчение История дизайна Архитектура ПК Лабораторные работы Курс лекций по физике теплоэнергетика
Лабораторные работы по оптоэлектронике Исследование основных параметров полупроводникового лазера Электронно-дырочный переход Квантовая физика Полупроводниковые детекторы оптического излучения

Лабораторные работы по оптоэлектронике Квантовая физика

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО ОПТОИНФОРМАТИКЕ

Лабораторная работа №6

Исследование характеристик светового жгута

Цель работы: Знакомство с принципом работы светового жгута и его характеристиками.

 Задачи, решаемые в работе

1.  Измерить пропускание светового жгута, определить общие потери при распространении излучения по световому жгуту и построить индикатрису его пропускания.

2. Определить частотно-контрастную характеристику светового жгута.

3. Оценить параметры светового жгута: апертурный угол и разрешение в изображении, которое может быть передано по данному жгуту. Длинный прямой цилиндрический стержень квадратного сечения. Найти E электрического поля на поверхности стержня в точках, равноудаленных от его ребер. Лекции и задачи по физике

СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ

Световые жгуты изготавливаются из пучков одиночных световодов (волокон), которые протягиваются через специальную печь, где они обжимаются и спекаются друг с другом. При этом важно сохранить на входе и выходе жгута порядок укладки торцов световодов, иначе, при передаче изображения появляются искажения. Полученный жгут можно сложить с другими жгутами и провести аналогичную операцию еще раз. Такие действия можно повторять неоднократно, получая жгуты, состоящие из десятков тысяч волокон.

Существует способ изготовления световых жгутов, который заключается в намотке на барабан определенным образом одиночного волокна или “спеченного” пучка волокон. Затем следует разрезка намотанного рулона и склейка или сварка полученных после разрезки торцов, которые далее полируются. Отметим, что жгуты, полученные из пучков волокон, обладают в 2-3 раза большим разрешением, чем жгуты, полученные из отдельных волокон. 

Световые жгуты имеют разный вид укладки волокна: примеры некоторых видов приведены на рис.1. Следует отметить, что плотность укладки волокон в этих трех случаях разная.

 Квадратичная Гексагональная Шестигранники

 


Рис.1.Виды укладок волокна в жгуте.

При характеристике световодов используют следующие основные параметры.

Коэффициент пропускания светового потока ()- отношение вышедшего из световода потока излучения к потоку, вошедшему в его торец.

Потери светового жгута (δ), измеряемые в децибеллах (см. формулы во введении). Коэффициент пропускания и потери светового жгута зависят от угла наклона () луча, падающего на  торец жгута (см. рис.2 во введении). Для лучей, распространяющихся по оси световода  ( = 0,   максимально, δ – минимально; с увеличением угла уменьшается коэффициент пропускания и растут потери. Потери света в световодах  включают концевые потери на торцах световода и линейные потери внутри световода. Концевые потери обусловлены потерями на отражение света от торцевых поверхностей на входном и выходном концах жгута (так называемые, Френелевские потери) и способом заполнения его волокнами. Коэффициент пропускания для концевых потерь определяется по формуле

 кон = (1- вх вых зап (1),

где вх; вых - коэффициенты отражения от поверхностей торцов, зап = Scв/S - коэффициент заполнения, Scв - общая площадь сечения волокон, S - площадь сечения жгута.

Френелевские потери зависят от показателя преломления материала световода, от углов падения лучей на торец, от поляризации входящего в световод света. Линейные потери световода обусловлены потерями, связанными с поглощением света материалом световода, рассеянием света, нарушением полного внутреннего отражения при прохождении света по световоду. Линейные потери существенно возрастают при углах наклона лучей больших номинального апертурного угла. Поглощение материала световода зависит от длины волны излучения.

Индикатриса пропускания светового жгута, характеризующая изменение коэффициента пропускания  от угла . Геометрически индикатриса пропускания представляет собой конус, образованный лучами, прошедшими через жгут.

Числовая апертура NA = Sin , где  - апертурный угол (угол наклона образующей конуса лучей, падающих на торец, к оси световода). Максимальное значение угла , соответствующее лучам, прошедшим световод без нарушения полного внутреннего отражения, называется номинальным апертурным углом - . Величина NА = Sin называется номинальной числовой апертурой. Номинальная числовая апертура может быть больше 1, если лучи входят в жгут не из воздуха, а из какой либо среды с показателем преломления n > 1 (NА0 = n Sin).

Частотно-контрастная характеристика (ЧКХ) представляет собой зависимость коэффициента передачи контраста изображения миры, переданногопо жгуту, от частоты штрихов миры (измеряемой числом штрихов на 1мм). Мира представляет собой исследуемый тест-объект (см.раздел «Термины). Контраст в изображении элемента миры, переданного по оптической системе (жгуту), определяется по формуле

 K = (IMAX - IMIN)/( IMAX + I MIN ) = IA / IСР (2),

где IMAX, IMIN – максимальное и минимальное значение интенсивности излучения в изображении миры; IA – амплитуда модуляции излучения; IСР – среднее значение интенсивности излучения, прошедшего тест-объект (см. рис.2).

 


Рис.2.Распределение интенсивности в изображении элемента миры с синусоидальным профилем штриха.

На рис.2 показано распределение интенсивности излучения в изображении элемента миры в направлении перпендикулярном штрихам миры. Коэффициент передачи контраста T рассчитывается по формуле

  T = Kвых /Kвх (3),

где Kвых и Kвх - контраст в изображении элемента миры на выходном и входном торцах световода.

Частотно-контрастная характеристика (ЧКХ) определяет разрешение светового жгута, на величину которого влияют различные дефекты в волокнах, рассеяние на неоднородностях, переход света в соседние волокна, а также сильное влияние на ЧКХ оказывает мозаичность изображения, обусловленное дискретностью сечения жгута, так как свет передается отдельными волокнами. Очевидно, чем меньше диаметр волокна, тем с большим разрешением передается изображение по жгуту.

Для равновесного излучения, которому можно приписать температуру излучающих тел, можно рассчитать и термодинамические характеристики, например, внутреннюю энергию, давление, энтропию и т.д. Равновесное тепловое излучение однородно, т.е. его плотность энергии одинакова во всех точках внутри полости, где оно заключено. Такое излучение изотропно и неполяризовано - оно содержит все возможные направления распространения и направления колебаний векторов и .
Сравнение быстродействия p-n и p-i-n диодов