Исследование диаграммы напрвленности излучения светодиодов и числовой апертуры волоконых световодов

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

Исследование диаграммы направленности излучения светодиодов и числовой апертуры волоконных световодов

1. Цель работы

Исследование пространственного распределения излучения светодиодов, полупроводниковых лазеров и волоконных свето­водов. Определение некоторых характеристик световодов по диа­грамме направленности излучения.

1. Особенности пространственного распределения излучения различных источников

В настоящее время в качестве источников света используют: лампы накаливания, газоразрядные лампы, газовые и твердо­тельные лазеры, полупроводниковые светодиоды и лазеры. Каж­дый из них имеет характерное угловое распределение излучения. Лампы накаливания и газоразрядные имеют разнонаправленное диффузное излучение. Светодиоды имеют направленное излуче­ние с большой угловой расходимостью. Полупроводниковые лазе­ры имеют излучение с разной расходимостью по двум осям коор­динат ортогональных к направлению излучения. Газовые лазеры обладают излучением с очень малой расходимостью (рис.1).

Вид источника, характер излучения и его пространственное распределение определяют возможность использования излучения в оптических системах. Так, например, лампы накаливания имеют непрерывное спектральное распределение, соответствующее излучению "черного тела" при температуре равной температуре спирали (≈2700К). Газоразрядные лампы имеют линейчатый спектр излучения. Их излучение является также диффузным, т.е. рассеивается в разные стороны под разными углами. Это затрудняет фокусировку излучения и использование его в спектроанализаторах.

Рис.1. Пространственное распределение излучения лампы (а), светодиода (б), полупроводникового лазера (в), твердотельного или газового лазера (г)

Светодиоды излучают в сравнительно узком спектральном диапазоне 30-50 нм с ярко выраженным цветом (синий, зеленый, желтый, оранжевый, красный). Лазеры имеют когерентное излучение с очень узким спектром излучения (3…5 нм). Существуют так называемые одночастотные лазеры с очень узкой спектральной полосой ≈100 кГц.

Лампы и светодиоды имеют диффузный характер излучения с излучающей поверхности. Это приводит к тому, что оптическая система не позволяет собрать излучение в пятно менее размера излучающей площади.

Излучение лазера обладает пространственной когерентностью (точки поверхности фронта излучения в каждый момент времени находятся на равном удалении от точек поверхности предшест­вующего момента). Благодаря этому лазерное излучение может быть сфокусировано в пятно соизмеримое с длинной волны излучения.

Количественной характеристикой пространственного распределения излучения от источника является диаграмма направленности излучения (рис. 2), т.е. распределение энергии относительно оси излучения. Обычно у светодиодов излучение имеет вид конуса с круглым сечением. Диаграмму направленности излучения, или распределение энергии относительно оси светодиода, можно измерить фотоприемником. Параметром, характеризующим расходимость излучения, является ширина диаграммы направленности или угол расходимости . Определяется он как угол между касательными к точкам диаграммы соответствующим 1/2 P_max (рис. 2.).

Рис. 2. Распределение энергии излучения световода относительно оси излучения

Излучение, выходящее из любой оптической системы или из волоконного световода также характеризуются расходимостью (или сходи­мостью) и характеризуют некоторые свойства оптической сис­темы.

Излучение, выходящее из волоконного световода, имеет диаграмму направленности, показанную на рис. 2. Важнейшим параметром волоконного световода (оптического волокна) является числовая апертура (NA), определяемая как NA=sin. С другой сто­роны, известно, что NA= , где n_с и n_об - показатели прелом­ления сердцевины и оболочки. Используя алгебраические преобразования, найдем: NA=

или ,

где - разница показателей преломления сердцевины и оболоч­ки световода.

Величина NA является важным парамет­ром световода, определяющим допустимые углы ввода излучения в световод.

Величины  и NA - характеризуют также устойчивость свето­вода к внешним механическим воздействиям.

1. Описание стенда

Схема стенда представлена на рис. 3.

Рис. 3. Схема стенда для измерения диаграммы направленности и апертуры световода

Схема включает: источник питания ИП, блокировочный резистор R1, регулятор тока R2, светодиод VD1, микролинзу МЛ, оптическое волокно ОВ, штекер с выходным концом волок­на Ш, устройство углового измерения УИ, фотодиод VD2, миллиамперметр мА.

Измеренные значения оптического излучения P_отн., падающего на фотоприемник в зависимости от его углового положения θ

I_max=46

Относительные значения мощности оптического излучения Р_отн, падающего на фотоприемник от его углового положения θ (Р_отн=I/I_max)

θ_телесн = 35^о

NA = sinθ = 0,57

n₀ = 1,46

Δn = NA² / 2n₀ = 0,11