Лабораторные работы по физике

Экспериментальная часть

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Рис.6. Базовая схема установки для проведения экспериментов: (слева направо): фотодиод в кронштейне, поворотный столик, устройство ввода излучения в волокно, полупроводниковый лазер. Установка смонтирована на оптическом рельсе.

На рис. 6 представлена экспериментальная установка. Она предназначена для исследования волоконно-оптических световодов: измерения коэффициента ввода излучения в волокно, определения числовой апертуры волокна, исследования распределения интенсивности и степени поляризации излучения на выходе волокна, исследования зависимости оптических потерь от деформации волокна. В таблице приведены элементы установки и их назначение.

Элементы экспериментальной установки. Таблица 1.

Название

Назначение

1

Лазер

Полупроводниковый лазер длина волны 650 нм, оптическая мощность 1 мВт, нестабильность оптической мощности <1мкВт. Питание от сети через адаптер 220В / 9В.

2

Устройство ввода излучения

Устройство ввода излучения состоит из юстировочного узла (1) - для прецизионного перемещения волокна в плоскости перпендикулярной оптической оси, объектива (2) – для фокусировки излучения на торец волокна, держателя объектива (3) - для прецизионного перемещения объектива вдоль оптической оси.

3

Оптическое волокно

Набор из трех оптических кварцевых волокон для измерения их характеристик, заключены в защитную оболочку, торцы полированы и снабжены механическими насадками для фиксации волокна. Волокна маркированы белыми и красными метками: одна метка – волокно с диаметром сердцевины 400 мкм, две метки - волокно с диаметром сердцевины 40 мкм, три метки – волокно с диаметром сердцевины 4 мкм. Красным цветом помечен наконечник волокна, устанавливаемый в гнездо юстировочного узла устройства ввода излучения.

4

Кронштейн на поворотном столике

Крепление волокна на оси поворотного столика при измерении диаграммы направленности.

5

Кронштейн фотодиода

Крепление фотодиода


6

Фотодиодный измеритель оптической мощности

Предназначен для измерения оптической мощности в пределах 2мВт и 20 мкВт. Состоит из фотодиода ФД-24К в корпусе, блока питания, преобразователя фототока в напряжение и встроенного мультиметра.

7

Диафрагмы ФД

Диафрагмы устанавливаются на фотодиод для крепления волокна (1), для измерения диаграммы направленности (2) и для измерения оптической мощности более 2 мВт (3).

Методика проведения эксперимента

Проведение измерений с помощью фотодиодного измерителя оптической мощности

В состав установки входит фотодиодный измеритель оптической мощности. Измеритель состоит из кремниевого фотоприемника ФД-24К, преобразователя фототока в напряжение и мультиметра М830В. Прибор калиброван на одну длину волны (650 нм) и имеет переключатель на два коэффициента преобразования 10-4 и 10-6 Вт/В. Для работы с источниками излучения других длин волн следует пользоваться поправочными коэффициентами, т.к. чувствительность фотодиода (т.е. отношение числа электронов рожденных при освещении фотодиода светом к числу падающих на него фотонов) различна для различных длин волн. В измерителе мощность оптического излучения преобразуется фотодиодом в фототок, а затем электронным преобразователем в напряжение. Выход измерителя оптической мощности подключается к мультиметру в режиме измерения напряжения. Для определения значения оптической мощности, регистрируемой фотодиодом надо умножить показания прибора на коэффициент преобразования. При измерении, следует помнить об изменении коэффициента отражения для наклонного падения лучей на кремниевую поверхность фотодиода и работать при нормальной или близкой к ней (± 100) ориентации поверхности фотодиода относительно падающего излучения. Для регистрации быстропротекающих процессов (до 500 кГц) необходимо подключить выход измерителя к осциллографу. Фотодиод снабжен набором диафрагм: гнездо для фиксации волокна, щель и отверстие. Диафрагмы крепятся на фотодиоде свободно. Для более жесткой фиксации необходимо, после установки, слегка наклонять их относительно плоскости фотодиода. Такое крепление позволяет снизить влияние на результат измерений паразитных переотражений фотодиод-торец волокна. Фотодиод в корпусе крепится в кронштейне, установленном на штоке.

Измерение коэффициента ввода в оптическое волокно

Коэффициент ввода излучения в оптическое волокно является одним из основных параметров, характеризующих энергетическую эффективность работы волоконно-оптической линии. Он определяется как отношение оптической мощности на выходе волокна к оптической мощности на его входе: . В данной работе предлагается измерить его для волокон различного диаметра. В общем случае коэффициент ввода зависит также от материала волокна, потерь в нем, длины волны излучения, согласования апертур волокна и объектива, модового состава излучения на входе волокна. Следует помнить, что коэффициент ввода, полученный в ваших измерениях, зависит также от вашего экспериментального искусства.

Измерение числовой апертуры волокна

Числовая апертура волокна является вторым важнейшей параметром оптического волокна. Она определяется как синус наибольшего угла, под которым излучение входит в волокно, этот угол носит название апертурного. На рис.7 апертурный угол обозначен - jАП.

Рис. 7. Ход лучей падающих на торец волокна под различными углами.

На рис. 7 показано, как лучи (1), падающие на торец волокна под углами меньше апертурного, распространяются по сердцевине волокна, за счет эффекта полного внутреннего отражения. Лучи (3), падающие на торец волокна под углами больше апертурного, распространяются по оболочке волокна и быстро затухают. Луч (2) является предельным случаем – после преломления он распространяется вдоль границы раздела сердцевина/оболочка.

Но так как наибольший угол под которым излучение входит в волокно равен наибольшему углу, под которым оно выходит из волокна можно определить апертуру из диаграммы направленности - зависимости оптической мощности на выходе волокна от угла, под которым лучи выходят из него.

Рис.8. Диаграмма направленности оптоволокна.

 Для построения диаграммы направленности используется поворотный столик, на котором крепится волокно в кронштейне. Апертурный угол измеряется по уровню 1/е2 от максимума. Отметим, что диаграмма направленности может иметь два побочных максимума, при неправильном вводе излучения, когда большая его часть распространяется не по сердцевине, а по оболочке волокна.

Некоторые определения, которые необходимо знать студентам для выполнения данной лабораторной работы

Апертурный угол - максимальный угол, под которым излучение вводится в волокно.

Числовая апертура – синус половины угла при вершине конического пучка лучей, которые захватываются и направляются в световод; определяется показателями преломления сердцевины и оболочки.

Коэффициент ввода излучения в волокно - отношение оптических мощностей на выходе и входе волокна.

Оптическая мощность - энергия, переносимая оптическим излучением в единицу времени.

Вопросы для допуска к работе

Какие элементы входят в состав установки и каково их назначение?

С какой целью проводится юстировка узла фотоприемника?

Для чего, при выполнении упражнения 2, нужно рассматривать на листе бумаги световое пятно, выходящее из волокна?

Как измеряется оптическая мощность в данной работе?

Почему источник излучения должен находиться на оптической оси объектива?

Для чего служат держатель объектива и узел юстировки?

Почему торец волокна должен быть укреплен на оси поворотного столика?

Какие характеристики оптического волокна можно рассчитать, измерив его апертурный угол?

Расчет электротехнических устройств