Elektronika 2009-11.pdf - Instytut Systemów Elektronicznych
Elektronika 2009-11.pdf - Instytut Systemów Elektronicznych
Elektronika 2009-11.pdf - Instytut Systemów Elektronicznych
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
Światłowody scyntylacyjne<br />
W środowiskach o podwyższonym poziomie promieniowania jonizującego<br />
wykorzystywane są do pomiarów rozłożonych<br />
światłowody scyntylacyjne. Domieszka scyntylacyjna (najczęściej<br />
w światłowodzie z PMMA) jest powodem generacji światła we<br />
włóknie. Generowane światło jest prowadzone z sieci czujników<br />
światłowodowych do detektorów promieniowania. Optyczna sieć<br />
pomiarowa włókna integruje promieniowanie jonizujące w znacznym<br />
obszarze z możliwością badania rozkładu przestrzennego.<br />
Światłowody Czerenkowa<br />
Szklane włókna optyczne Czerenkowa są analogiczne do ultraniskostratnych<br />
wielomodowych światłowodów telekomunikacyjnych,<br />
tylko posiadają większą wartość apertury numerycznej.<br />
Umieszczenie takiego światłowodu w obszarze rozprzestrzeniania<br />
się lub rozpraszania wysokoenergetycznych cząstek elementarnych<br />
np. elektronów powoduje generację w światłowodzie<br />
promieniowania Czerenkowa. Promieniowanie Czerenkowa<br />
detekowane na końcu matrycy światłowodów pozwala na<br />
pomiar energii cząstek i kierunku ich rozprzestrzeniania się.<br />
Elastyczne obrazowody światłowodowe<br />
Rozdzielczość elastycznych obrazowodów światłowodowych<br />
złożonych z wielu luźnych włókien szklanych o niewielkiej średnicy<br />
rzędu 20 µm, osiąga kilkaset tysięcy pikseli przy wymiarach<br />
poprzecznych rzędu pojedynczych mm i podłużnych rzędu<br />
2 m. Włókna nie mogą splątać się ani elektryzować we wspólnej<br />
obudowie. Są pokryte środkiem poślizgowym i zapobiegającym<br />
przesłuchom optycznym pomiędzy nimi, np. grafitem.<br />
Podstawowe parametry to rozdzielczość w parach linii na mm,<br />
odporność mechaniczna, neutralność barwowa, odporność na<br />
promieniowanie RTG, integracja ze światłowodami oświetlającymi,<br />
itp. Wydaje się, że bezpośrednie systemy endowizyjne<br />
w medycynie i technice będą w przyszłości bazowały na<br />
subminiaturowych detektorach ccd i zimnym oświetleniu led.<br />
Światłowody funkcjonalne<br />
Włókna optyczne funkcjonalne obejmują rozszerzające się spektrum<br />
elementów takich jak: sprzęgacze, rozgałęziacze, elementy<br />
gradientowe typu grin, transformatory modowe, i wiele innych.<br />
Światłowody czujnikowe<br />
Włókna optyczne uczulane, specjalizowane do detekcji wielkości<br />
mechanicznych i termicznych; optycznych jak refrakcji<br />
i koloru, mętności, strat; chemicznych jak stężenia jonów;<br />
geometrycznych jak kształtu, odległości, pozycji, ruchu, itp.<br />
Światłowody znieczulane<br />
W pewnym sensie odwrotnością światłowodów czujnikowych<br />
są włókna optyczne znieczulane uodporniane na konkretne<br />
oddziaływania np. na promieniowanie jonizujące, atermiczne<br />
dla dystrybucji wzorcowych sygnałów zegarowych, itp.<br />
Światłowody krótkie<br />
Odmienna specyfika zastosowań takich światłowodów każe wyróżnić<br />
je spośród innych rodzajów włókien szklanych. Mogą<br />
służyć do szybkich multigigabitowych połączeń optycznych wewnątrz<br />
szaf elektroniki, pomiędzy płytami a nawet wewnątrz płyt.<br />
Moc optyczna w szkle światłowodowym<br />
Podstawowym przeznaczeniem niskostratnego szkła światłowodowego<br />
jest niezniekształcona transmisja ciągłej fali lub<br />
modulowanego sygnału optycznego, o dość znacznej gęstości<br />
mocy optycznej, na znaczne odległości. Szkło jest uformowane<br />
w postaci włókna optycznego o cylindrycznym<br />
gradiencie refrakcji. Moc optyczna jest ograniczona refrakcyjnie<br />
w szkle klasycznym lub dyfrakcyjnie i interferencyjnie<br />
w szkle fotonicznym do obszaru rdzenia optycznego o typowej<br />
średnicy w światłowodach transmisyjnych 50...62,5 µm<br />
(pole fali optycznej jest równe obszarowi rdzenia) we włóknie<br />
wielomodowym i ok. 5...10 µm we włóknie jednomodowym<br />
(pole fali optycznej jest nieco większe od obszaru rdzenia -<br />
ze względu na w wnikanie w obszar płaszcza). W światłowodach<br />
szklanych przeznaczonych do transmisji dużej mocy<br />
optycznej średnica rdzenia jest większa np. 100...700 µm.<br />
W transmisyjnych szklanych włóknach optycznych, szczególnie<br />
jednomodowych, gęstość mocy optycznej może być<br />
znaczna, na pograniczu efektów nieliniowych w szkle, z powodu<br />
małej powierzchni rdzenia optycznego. Dlatego istotna<br />
jest znajomość zasad wprowadzania mocy optycznej i jej<br />
ilości do włókna optycznego ze szkła światłowodowego.<br />
Dla szklanego włókna optycznego z gradientem refrakcji<br />
można zdefiniować przestrzeń fazową o współrzędnych:<br />
kwadrat apertury numerycznej NA 2 jako rzędną i odległość radialną<br />
od osi włókna szklanego w kwadracie r 2 jako odciętą.<br />
Ta przestrzeń definiuje moc optyczną możliwą do wprowadzenia<br />
we włókno szklane. Przestrzeń ta dla szkła światłowodowego<br />
jest ograniczona poprzez wartość apertury<br />
numerycznej włókna, zmiany apertury numerycznej lokalnej,<br />
oraz przez promień rdzenia optycznego a. Maksymalna wartość<br />
apertury numerycznej (z definicji) występuje w szklanym<br />
włóknie gradientowym na osi, gdyż ogólnie zachodzi we<br />
włóknie gradientowym zależność NA = NA(r) i zwyczajowo za<br />
NA (bez oznaczeń) przyjmuje się wartość NA(r = 0) = sinθ max ,<br />
gdzie θ max - maksymalny kąt akceptacji promienia światła<br />
przez włókno szklane. Wartość apertury numerycznej w szklanym<br />
włóknie optycznym gradientowym, na granicy rdzeń -<br />
płaszcz, tam gdzie ulega zrównaniu refrakcja obu obszarów<br />
NA(a) = 0. Efektywna część przestrzeni fazowej jest tym obszarem,<br />
w którym moc optyczna może się rozprzestrzeniać<br />
w szkle bez tzw. strat falowodowych. Straty falowodowe to są<br />
straty we włóknie nie wynikające z absorpcji fali optycznej<br />
w szkle, a z wypromieniowania na zewnątrz szkła. Cała efektywna<br />
przestrzeń fazowa szklanego włókna optycznego może<br />
być podzielona na pewne podobszary, związane z charakterystycznymi<br />
wielkościami NA, a oraz strat falowodowych. Na<br />
rysunku przedstawiono obrazy przestrzeni fazowych dla<br />
włókien optycznych ze szkieł światłowodowych o dwóch<br />
różnych gradientach refrakcji - skokowym i parabolicznym.<br />
W szklanym włóknie optycznym z gradientem refrakcji,<br />
w którym istnieje efektywny mechanizm objętościowego<br />
ograniczenia kwantowego fali świetlnej, rozprzestrzeniające<br />
się wewnątrz promienie światła można zgrupować w kilka<br />
kategorii. Po pierwsze dzielimy promienie na silnie związane<br />
z włóknem szklanym (podlegające silnemu ograniczeniu<br />
kwantowemu) oraz słabo związane z włóknem (podlegające<br />
ograniczeniu coraz słabszemu aż w ogóle nie podlegające<br />
takiemu ograniczeniu). Wszystkie promienie zajmują obszar<br />
ograniczony prostokątem - rys. a dla włókna szklanego<br />
o skokowym profilu refrakcji i trójkątny dla profilu refrakcji<br />
parabolicznego - rys. b. Nie koniecznie cały dostępny obszar<br />
w przestrzeni fazowej włókna szklanego musi być pobudzony.<br />
Na rys. c przedstawiono przypadek pobudzenia<br />
122 ELEKTRONIKA 11/<strong>2009</strong>
Change language