В связи с тем, что для измерения коэффициента затухания ( b ) требуется волокно длиной не менее 1км, опыт по измерению коэффициента затухания в данной лабораторной работе не проводится

 

 

Упражнение 2. Определение числовой апертуры волокна. (Выполняется без светофильтра).

1. Сменить диафрагму ФД на щель, ориентировать ее вертикально. Переключить тумблер «коэффициент преобразования» измерителя мощности в положение 10^-6 Вт/В.

 

 

 

2. Повернуть столик, взявшись рукой за его верхнюю часть, до отметки 30⁰.

3. Записать показания мультиметра V(В),(умножив их на 10^-6 Вт/В) в графу оптической мощности в таблице 3. Угол поворота столика j записать в соответствующую графу таблицы 3.

4. Повторить действия п.п.2,3, поворачивая столик вправо и влево с шагом 5⁰ до отметки ±330⁰ (если диаграмма направленности более узкая, то следует уменьшить диапазон до 10⁰ и шаг измерений до 2⁰, например, для волокна №1).

5. Построить график диаграммы направленности – зависимость оптической мощности, регистрируемой фотодиодом через щелевую диафрагму от угла поворота столика P=f(j). Вид графика показан на рисунке 8.

6. Определить максимум на графике. Вычислить уровень мощности, соответствующий Р_max / е². Провести на графике горизонтальную линию на этом уровне. Из точек пересечения линии с графиком опустить перпендикуляры до пересечения с осью j (смотри рисунок 8).Определить длину отрезка j₁j₂, которая равна удвоенному значению апертурного угла.

7. Записать значение апертурного угла j₁j₂/2 =j_АП в таблицу 3.

 8. Вычислить значение числовой апертуры волокна NA по формуле

NA = sin (j_АП), записать его значение в таблицу 3.

 

 

Повторить УПРАЖНЕНИЯ 1, 2 для других волокон (не используя светофильтр, а сразу работая по схеме установки рис.6): волокно № 2 (диаметр сердцевины d=40 мкм), волокно № 3 (диаметр сердцевины d=4 мкм). Из-за малого диаметра сердцевины этих волокон, полностью ввести в них лазерное излучение трудно. Поэтому, после крепления волокна №2 или №3 в юстировочном узле, нужно выполнить следующие действия: 1) отвинтить гайку от диафрагмы фотодиода, вынуть волокно и поднести торец волокна на расстояние 5-7 см от поверхности белого листа (тетрадного листа). Рассмотреть световую картину, образованную излучением, выходящим из волокна, на листе. Вращая винты юстировочного узла и держатель объектива, добиться максимальной яркости пятна; 2) вставить волокно в кронштейн на поворотном столике и завинтить фиксирующую гайку до упора.

Примечание: при снятом волокне, ни в коем случае не направлять излучение лазера в глаз.

 

По результатам упражнений 1,2 построить на одной координатной плоскости графики зависимости коэффициента ввода К и числовой апертуры волокна NA от диаметра сердцевины волокна d (по оси d наносить значения в масштабе десятичного логарифма). Сделать выводы.

После окончания работы отключить установку и зачехлить элементы.

 

Определение коэффициента ввода в оптическое волокно         Таблица 2.

 

Номер Волокна	Показания мультиметра V, В	Оптическая мощность Рвых, Вт	Коэффициент ввода К
1
2
3

Определение числовой апертуры волокна.                     Таблица 3.

Номер волокна
1		2		3
Угол поворота столика  J	Оптическая мощность  Р, Вт	Угол поворота столика  J	Оптическая мощность Р, Вт	Угол поворота столика  J	Оптическая мощность  Р, Вт
30		30		30
25		25		25
20		20		20
-------------		-------------		-------------
330		330		330
jАП =		jАП =		jАП=
NA =		NA =		NA =

Расчетное задание

 

1. Рассчитать апертурный угол и коэффициент ввода излучения для кварцевого волокна (n = 1,47, d=1 мм) без оболочки, находящегося в воздухе?

2.  Сравнить измеренное значение К и значение, вычисленное из измерений NA по формуле (5) для точечного источника. Почему они отличаются?

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

1. Как устроен волоконный световод? Объяснить механизм распространения света по световоду.

2. Какое оптическое волокно называется ступенчатым и градиентным?

3. Дайте определение числовой апертуры волоконного световода.

4. В чем различие между одномодовыми и многомодовыми волокнами?

5. Длина волны среза волокна l_с = 0,85 мкм. В каком режиме будет работать волокно, если в него ввести излучение He-Ne лазера?

6. Источник излучения какой длины волны предпочтительней использовать для волоконных линий связи и почему?

7. При каком взаимном расположении оптического волокна и объектива достигается максимальный коэффициент ввода?

8. Как выглядит световая картина (для каждого из волокон), образованная излучением, выходящим из волокна? Как изменится диаграмма направленности, если на ФД установить диафрагму с малой шириной щели?

9. Как изменится коэффициент ввода излучения и диаграмма направленности волокна при его изгибе: под большим радиусом и под радиусом близким к критическому, когда наступает излом сердцевины?

10. Почему кварцевый стержень, согнутый под небольшим углом, ломается а тот же стержень взятый в качестве сердцевины волокна, окруженный оболочкой, не ломается даже при очень больших углах сгибания?

11. Как изменяется коэффициент ввода и апертурный угол, при уменьшении диаметра сердцевины волокна?

12. Объяснить ход экспериментальных кривых и методику расчета апертурного угла.

.13. Почему нельзя измерять коэффициент затухания при малой длине волоконного световода?

 

Содержание отчета по лабораторной работе

 

1. Название работы.

2. Эскиз установки с указанием названия элементов.

3. Основные расчетные формулы.

4. Таблицы с экспериментальными и расчетными данными.

5. Графики: диаграммы направленности для всех исследованных волокон, зависимость K(d) и зависимость NA(d). 

6. Расчетное задание.

7. Выводы по лабораторной работе.

 

При отчете по лабораторной работе студент должен уметь:

1. Объяснить, как измениться вид графика диаграммы направленности, при увеличении или уменьшении диаметра волокна.

2. Объяснить ход графиков зависимостей К(d) и NA(d).

 

ЛИТЕРАТУРА

 

1. Носов Ю.Р. Дебют оптоэлектроники.- Б-ка "Квант", вып.84, М.: Наука, 1992.

2. Окоси Т., Окамото К., Оцу М., Нисихара Х., Кюма К., Хататэ К. Волоконно-оптические датчики.- Пер. с япон. Л.: Энергоатомиздат, Ленингр.отд., 1990.

3. Бутусов М.М., Галкин С.Л., Оробинский С.П., Пал Б.П. Волоконная оптика и приборостроение.- Л.: Машиностроение. Ленингр.отд., 1987.

4. Бутусов М.М., Верник С.М. Волоконно-оптические системы передачи. Учебник для вузов.- М.: Радио и связь, 1992.

5. Гонда С., Сэко Д. Оптоэлектроника в вопросах и ответах.- Л.: Энергоатомиздат, 1989.

6. Гаприндашвили Х.И. и др. Волоконная оптика.- Тбилиси "Мецниереба", 1984.