Айхлер Ю., Айхлер Г.-И. Лазеры. Исполнение, управление, применение (2008) (1095903), страница 53
Текст из файла (страница 53)
Волокна со ступенчатым изменением показателя преломления используются поэтому для передачи информации только на короткие расстояния, а также находят применение в области обработки материалов и в медицине. При этом излучение высокомощных лазеров — например, на алюмоиттриевом гранате, легированном неодимом, — управляется на расстоянии в несколько метров от места применения. При больших диаметрах сердцевины волокна могут передаваться непрерывные мощности до нескольких киловатт.
Градиентные волокна Градиентное волокно было создано исходя из необходимости уменьшения дисперсии мод и получения по возможности большей числовой апертуры. Показатель преломления у волокон данного типа непрерывно изменяется между сердцевиной и оболочкой (рис. 12.! бб). Благодаря такому градиентному профилю удается частично сравнять разное время пролета отдельных мод. Моды низкого порядка перемешаются преимущественно в центральных зонах с высоким показателем преломления, в результате чего скорость распространения понижается. Но подобная коррекция времени пролета может достигаться только в отношении узких диапазонов длин вол.
Это ограничение объясняется дисперсией, то есть зависимостью показателя преломления от длины волны. Градиентные волокна с диаметром сердцевины около 50 мкм используются преимущественно в технике оптоволоконной связи. Градиентное волокно, имеющее, следовательно, столь же большие диаметры сердцевины, что и прочие многомодовые волокна, позволяет относительно простой ввод лазерного излучения видимого диапазона и соединение отдельных отрезков волокна.
С оптической точки зрения, такое волокно ведет себя так же, как и система линз. Поэтому распределение интенсивности в начале волокна периодически воспроизводится в нем, причем (иначе, чем показано на рис. 12.16) эти периоды значительно больше диаметра сердцевины. Одномодоеоееолокно Дальнейшего улучшения характеристики передачи сигналов удается достигнуть путем использования одномодовых волокон. Диаметр сердечника такого волокна (24В Г рр. р р р бб Г Виве "Ь Вывод Ввод Ряе.! 2.16.
Оптические волокна: (а) волокно со ступенчатым изменением показателя преломления, (б) градиентное волокно. Показан профиль показателя преломления, а также преобразование формы коротких импульсов при передаче информации Затухание Характерное для волокна длиной А пропускание Т может быть описано на основе экспоненциальной функции: Т вЂ” е-аь Р Р, где Р, есть входная мощность, Р— выходная мощность, а — коэффициент затухания. В волоконной технике применяют дБ-шкалу и следующим образом определяют потери аг 10 а = а, дБ/км.
1п 1О (12.54) Тогда затухание Р в волокне будет выглядеть так: Р = 10 1ой — ' = а2,, дБ. Р, Р ( ! 2.55) Зависимость между пропусканием Т и затуханием Р получают из: Т= Вроде= 10-в ле (12.56) На рис. 12.! 7 приведены потери в волокнах из кварцевого стекла. Оптимальное пропускание с а = 0,2 дБ/км достигается при )с = 1,55 мкм. Таким образом, пользуясь уравнением (12. 56), через 100 км длины волокна получаем пропускание Т= 1 % и показатель поглощения гх=5 10 'см '. составляет несколько микрометров, поэтому, согласно уравнению (12.51), распространяется только одна мода.
Для высших мод превышается угол полного внутреннего отражения, поэтому дисперсия мод исключается, а при использовании лазеров малой ширины полосы частот отпадает и дисперсия, связанная с показателем преломления. Однако одномодовое волокно приемлемо не для всех длин волн. Если длина волны по сравнению с диаметром сердцевины слишком мала, то, по уравнению (12. 51), могут иметь место и высшие моды. С учетом минимума потерь примерно при 1,55 мкм этот диапазон длин волн используется для оптической передачи информации. В качестве усилителей для стекловолоконных передающих линий находят применение достаточно широкополосные легированные волоконные усилители.
Они состоят из кварцевых волокон длиной в несколько десятков метров, легированных эрбием (концентрация 10 и — 10 "см'). Накачка осуществляется лазерными диодами с длиной волны 9ВО нм; альтернативная длина волны накачки составляет около 1480 нм. Усиление находится на уровне 30 ДБ, что соответствует коэффициенту усиления 1000, причем усилители насыщены примерно при 10 мВт выходной мощности. 1ОО Мия й 1О ~а' 1 о. е о с 0,1 рассеяние окна О,О1 0,5 1,О 1,5 Длина волны, мкм ао Рис. 12.17. Потери в волокнах из кварцевого стекла в зависимости от длины волны.
Сильное поглощение около !,4 мкм вызывается загрязнениями — например, водой (ОН -группа) Материалы для изготовления волокон Фотонные кристаллические волокна Фотонные кристаллические волокна имеют сердцевину из кварцевого стекла, окруженную регулярной структурой аксиальных полых цилиндров (рис. 12.15).
В про- Кварцевые волокна (5!01) используются в ближнем ультрафиолетовом, видимом и ближнем инфракрасном диапазонах с длиной волны до 2 мкм. В длинноволновой области поглощение здесь довольно сильное (рис. ! 2.17), поэтому в среднем ИК- диапазоне они применяться не могут. Поиск новых волоконных веществ дпя лазеров от 3 до 1О мкм сосредоточен на следующих группах: окислы тяжелых металлов, халькогениды и галиды тяжелых метю1лов.
Из последней группы представляется особенно перспективным фторсодержашее стекло для диапазона длин волн от 2 до 5 мкм — например, для медицинских лазеров на эрбии. Для СО,-лазеров вполне годятся таллий-бромидные волокна примерно до 20 Вт. При более высоких мощностях используются полые волокна (с продольным воздушным каналом). Их сердцевина состоит из воздуха, а оболочка чаше всего из кварцевого стекла, легированного РЬО. Для многих применений — в частности, в медицине или в системах передачи информации на короткие расстояния — можно рекомендовать также волокна из пластмассы. (мррр р рр.
р р р цессе изготовления капилляры и стержни из стекла вытягиваются при высоких температурах, причем в капилляры задувается сжатый воздух. Полученная регулярная структура полых цилиндров называется фотонным кристаллом — в соответствии с регулярной структурой атомов в нормальном кристалле. Эффективный показатель преломления оболочки л, определяется соотношением диаметра г( и интервалом Л между капиллярами.
Эта зависимость длины волны ). (дисперсия л,) выражена через нормированную длину волны Х/Л (рис. ! 2.19). Аналогично уравнению (12.50) формируется нормированная частота 1; причем в этом уравнении радиус а заменяется на Л. В соответствии с уравнением (12.51) в фотонном кристаллическом волокне одномодовый режим наступает при )Р < л. В случае г(/Л > 0,45 волокно становится одномодовым даже независимо от Х. Преимущество фотонных кристаллических волокон состоит в том, что здесь эффективный показатель преломления вещества л, может устанавливаться на основе геометрических условий. Кроме того, удается получать поле моды большого диаметра, что весьма благоприятно для передачи высоких могцностей.
Кв Сердечник (л,) Облицовка( Рве. 12.18. Пример фотонного кристаллического волокна. Сердечник состоит из кварцевого стекла без капилляров (показатель преломления и,) и окружен заполненными воздухом капиллярами ливметром б (эффективный показатель преломления и,), Интервал между капиллярами=Л 1,46 1,37 1,36 0,2 0,4 0,6 0,8 Нормированная длина волны 27Л 0,0 в с 1,44 с Ю В Ь 1,43 о $1,42 Б~ 1,41 а и й 1411 фй 1,39 лр с 1,38 Рве.!2.19. Эффективный показатель преломления облицовки л фотонного кристаллического волокна зависит от соотношения б/Л и нормированной длины волны Х/Л (см, также рис.
12.18). Серлечник своболен 1,0 от капилляров и имеет эффективный показатель преломления и, гг.2. с °,р, 2Д 12.7. Оптические материалы Лазеры генерируют излучение в диапазоне от ультрафиолетовой области спектра через видимую зону и до инфракрасной области спектра. Для изготовления линз, призм, окон и зеркал используют поэтому большое число самых разных материалов. Длины волн, при которых применяемые вещества прозрачны, зависят от их внутренней энергетической структуры. Поглощение происходит, когда под действием света может осуществляться переход из основного состояния энергии на вышележащий уровень (см. здесь также главу 1).
Не существует сред, способных пропускать все частоты или любые длины волн. В качестве примера на рис. 12.20 показано поглощение в кварцевом стекле как функция длины волны. При 9 мкм происходит сильное поглощение в результате колебаний решетки, а при 0,035 мкм — поглощение на основе электронных переходов. Следует иметь в виду, что в зоне линий поглощения показатель преломления также сильно изменяется. Перечень разных оптических материалов приведен в таблице 12.1. Тйблипа 12.1. Свойства оптических материалов Область пропускання, мкм Показатель преломления и Материал Применение ло 800 'С стандартное стекло СОГлазер УФ-, ИК-диапазон Соглаазер ИК-диапазон напыляемые слои (вар,) стекловолокна ИК-диапазон Соглазер Ультрафиолетовая область слектра Ультрафиолетовый спектр простирается от границы видимой области при 400 нм до нескольких нанометров, причем существуют важные в техническом отношении коммерческие лазеры примерно до 150 нм.
Лазеры с более короткими длинами волн находят применение лишь в немногих лабораториях. Для ближнего УФ-диапазона (300 — 400 нм) предлагается множество видов оптических стекол. Специальные кварцевые стекла обладают пропусканием на уровне ниже 200 нм. Для еще более коротких длин волн примерно до 100 нм могут использоваться: фторид магния, фторид кальция или фторид лития.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
