Вимірювання поперечних геометричних параметрів

Найбільш важливим геометричним параметром світловода є його діаметр. Розглянемо декілька методів вимірювання цього параметра.

 

1) Метод циліндричної лінзи

 

СВ розглядається, як циліндрична лінза. Суть методу полягає у вимірюванні за допомогою мікроскопа фокусної віддалі СВ, який розміщують в імерсійній рідині (для збільшення фокусної віддалі ) перпендикулярно до вісі зондуючого пучка.

Для однорідного волокна при опроміненні широким пучком фокусна віддаль визначається співвідношенням

. (5.50)

 

Для двошарового СВ

 

. (5.51)

 

Діаметр серцевини визначають, коли .

і визначають, розв’язуючи систему рівнянь, які записують при різних значеннях (змінюючи довжину хвилі випромінювання).

Показник заломлення імерсії повинен вимірюватися з точністю 0.0001 (наприклад, за допомогою рефрактометра Аббе).

Похибка вимірювання фокусної віддалі – 1 мкм, похибка вимірювання діаметра – 4%.

 

2) Метод резонансного розсіювання

 

Суть методу полягає в опроміненні СВ перпендикулярно його вісі випромінюванням лазера з довжиною хвилі випромінювання, що змінюється. При цьому реєструються резонанси Фабрі-Перо від осьового діаметра та резонансів поверхневих хвиль, зумовлених циліндричним перетином волокна. Схема вимірювання наведена на рис.5.14, а схема, що пояснює принцип формування резонансів – на рис.5.15.

 

Рис.5.14.

Рис.5.15.

 

Рис.5.14. Схема вимірювань діаметра волокна. 1 – волокно; 2 – світлоподілювач; 3 – мікроскоп; 4 – щілинна діафрагма.

 

Рис.5.15. Схема формування резонансів. 1 – волокно; 2 – поверхневі хвилі; 3 – хвилі Фабрі-Перо; 4 – резонансні смуги від поверхневих хвиль; 5 – резонанси Фабрі-Перо.

 

Відбите світлоподілювачем випромінювання направляється в мікроскоп. Збільшене зображення ближнього поля проектується на екран з щілинною діафрагмою.

Конструкція щілини дає можливість розділити резонанси хвиль Фабрі-Перо, по яким визначають діаметр волокна, і резонанси поверхневих хвиль, за допомогою яких вимірюють середній діаметр.

Абсолютні вимірювання діаметра проводять порівнянням довжин хвиль, при яких спостерігаються резонанси, і які отримано з розрахунків (за формулами Мі для однорідного циліндра з відомим ).

Цей метод є одним з найбільш точних і може бути використаний для виготовлення зразкових засобів вимірювання і еталонних установок.

 

3) Метод інтерферометрії зрізу волокна

 

Цей метод являється руйнівним. Для реалізації вимірювань необхідно виготовити зріз волокна. Його роблять таким чином.

СВ вставляють в скляну трубку і заливають епоксидною смолою. Після затвердівання алмазним диском роблять зрізи (товщиною ~ 1 мм), які потім шліфують (до товщини ~ 0.25 мм) і полірують (до заданої товщини ). Кінцеві розміри зрізу – мкм (рис.5.18).

На точність вимірювання дуже впливає паралельність торців зрізу. Тому вона витримується з точністю до декількох десятих .

Вимірювання проводять на двопроменевому інтерференційному мікроскопі (рис.5.16).

 

 

Рис.5.16. Оптична схема двопроменевого інтерференційного мікроскопа. 1 – вхідний пучок; 2 – зріз волокна; 3 – об‘єктиви мікроскопа; 4 – дзеркала; 5 - етелонна пластина; 6 – напівпрозоре дзеркало; 7 – вихідний пучок.

 

Рис.5.17.

Рис.5.18.

 

Рис.5.17. Схема формування інтерференційних смуг. D – період інтерференційної картини; S – стрілка прогину інтерференційної смуги; d – діаметр волокна.

 

Рис.5.18. Зріз волокна. 2а – діаметр серцевини; h – товщина зрізу.

 

Зсув фаз при проходженні зрізу

 

, (5.52)

 

де h – товщина зрізу,

n(r) – профіль показника заломлення волокна,

– хвильове число.

Віддаль між не викривленими інтерференційними смугами відповідає зсуву фаз хвиль в плечах інтерферометра . Тоді можна записати рівняння

 

. (5.53)

 

З цього рівняння можна визначити різницю (або ).

Діаметр світловоду можна визначити вимірюючи ширину викривленої частини інтерференційної картини (рис.5.17).

 

4) Дифрактометричний метод

Принцип вимірювання оснований на використанні дифракційної картини при опроміненні СВ паралельним світловим пучком перпендикулярно до його вісі (рис.5.19). Розміри світловода оцінюють за вимірюваннями розмірів отриманої дифракційної картини.

 

 

Рис.5.19.

 

Віддаль між будь-якими сусідніми двома мінімумами визначається співвідношенням

 

,

 

при невеликих кутах дифракції , і

, (5.54)

 

. (5.55)

 

1. Методи вимірювання повздовжніх геометричних параметрів оптичних волокон.

 

Найважливішими повздовжними параметрами СВ є його довжина та віддаль до місця можливого пошкодження.

Найпростішим методом визначення довжини СВ є механічний метод – метод намотки. Але він має велику похибку ( 2%) за рахунок розтягування, проковзування, неточності відліку обертів.

Зараз найбільш популярними методами визначення довжини є наступні:

1) метод вимірювання оптичної потужності, що розсіюється в оточуючий простір (метод розсіювання потужності);

2) метод вимірювання потужності оберненого розсіювання;

3) локаційний метод.

 

1) Метод розсіювання потужності

 

Метод оснований на ефекті збільшення потужності розсіяного випромінювання в місцях неоднорідності фізичних або геометричних параметрів СВ, або в місцях його пошкодження.

 

 

Рис.5.20. Схема вимірювальної установки. 1 – лазер; 2 – модулятор; 3 – кювети з імерсійною рідиною; 4 – СВ; 5 – вимірювальна камера; 6 – дзеркало; 7 – фотоприймач; 8 – реєструючий пристрій.

 

Кювети з імерсійною рідиною служать для відводу витікаючих мод (перша - для швидкого досягнення стану врівноваженості мод).

СВ у вимірювальній камері розташовують між дзеркалом і фотоприймачем. В разі появи неоднорідностей з’являються витікаючі оболонкові моди, які фіксуються реєструючим пристроєм. Об’єм камери заповнюють імерсійною рідиною. Вимірювання проводять при протягуванні СВ крізь вимірювальну камеру.

Даний метод дає можливість виявлення геометричних і фізичних неоднорідностей СВ на рівні 2-3%.

Метод використовують на виробництві для контролю СВ до «одягання» в захисну оболонку.

 

2) Метод оберненого розсіювання

 

Суть даного методу було розглянуто при вивченні методів вимірювання затухання в СВ.

Абсолютна похибка визначення довжини цим методом складає 1-2 метра на кілометр.

На основі цього методу розроблено ряд приладів для визначення ушкоджень ВС – рефлектометрів.

 

3)Локаційний метод

 

Цей метод застосовується для визначення місць обриву та довжини СВ. Суть методу полягає в вимірюванні часу затримки імпульсу, що надходить в зворотному напрямку від вихідного торця волокна або від торця місця обриву. Існує два варіанта реалізації цього метода:

- метод прямого вимірювання часу між вхідним імпульсом і імпульсом, що надходить в зворотному напрямку (для вимірювання використовують осцилограф або інші засоби для вимірювання часових інтервалів);

- метод підбору частоти повторювання вхідних імпульсів, який полягає в тому, що підбирається така частота імпульсів, коли будь який з чергових імпульсів співпадає з імпульсом, який повертається в зворотному напрямку. Час затримки зворотного імпульсу визначається кількістю періодів імпульсів до вказаного вище співпадання, або визначенням частоти імпульсів співпадання сигналів.

Наприклад, при визначенні часу затримки зворотного сигналу довжину розраховують за таким співвідношенням

 

, (5.56)

 

де - показник заломлення серцевини, - час затримки сигналу.

 

1. Методи вимірювання числової апертури оптичних волокон.

 

Числова апертура (NA) світловодів визначається показником заломлення середовища, в якому знаходиться СВ, і граничним кутом падіння світла φ_ГР на торець СВ

 

, (5.56)

де

.

 

В градієнтних СВ числова апертура залежить від координати перетину. Значення локальної числової апертури

 

, (5.57)

 

де r – миттєвий радіус серцевини, а – радіус серцевини, к – показник степеневої функції, що описує зміну показника заломлення.

Таким чином, при віддаленні від осі СВ його числова апертура зменшується. Тому ступінчатому СВ за однакових за градієнтним а і Δ каналізується майже вдвічі більше мод.

Ефективна числова апертура градієнтного СВ визначається так

 

. (5.58)

Знання числової апертури також необхідне для зменшення втрат у пристроях вводу – виводу випромінювання. Найбільш сильний вплив на втрати має неузгодженість апертур СВ, що стикуються.

При переході від СВ з більшою апертурою до СВ з меншою апертурою відхилення апертур в межах 0.16÷0.18 може привести до втрат ~ 1 дБ.

Найбільш поширеними методами визначення числової апертури є

· метод «трьох кілець»,

· метод ближньої зони,

· метод дальньої зони,

· метод каліброваного зазору.

 

 

1) Метод «трьох кілець»

 

Розглянемо як буде виглядати торець СВ при опроміненні трьома характерними променями.

 

Рис.5.21. Схема розповсюдження характерних променів. 1 – α<α_ГР; 2 - α=α_ГР; 3 - α>α_ГР.

 

В першому випадку яскравість серцевини буде значно вище за яскравість оболонки. В другому випадку яскравості серцевини і оболонки будуть майже однаковими, а границя Ії розділу буде виглядати як яскраве кільце. В третьому випадку яскравість оболонки буде найвищою.

Схема установки для вимірювання числової апертури виглядає наступним чином (рис.5.22).

 

 

Рис.5.22. Схема вимірювання числової апертури. 1 – лазер; 2 – фокусуюча система; 3 – столик гоніометра; 4 – волокно; 5 – мікроскоп.

 

Спочатку повертають столик в одну сторону до появи яскравого кільця на межі серцевина-оболонка. Потім повертають в іншу сторону до появи такого ж кільця. Половина різниці відліків по лімбу складає величину граничного кута α_ГР.