Efektywność sprzęgania światła do światłowodów

Efektywność sprzęgania światła do światłowodów
Efektywność sprzęgania światła do światłowodu
Efektywnośd sprzęgania promieniowania świetlnego do światłowodu definiujemy jako stosunek mocy
optycznej zmierzonej na wyjściu badanego odcinka światłowodu (Pwyj) do mocy optycznej zmierzonej
na jego wejściu (Pwej) (patrz Rys. 1.):
𝜂=
𝑃𝑤𝑦𝑗
∙ 100%
𝑃𝑤𝑒𝑗
Pwej – moc optyczna wprowadzana do światłowodu, zmierzona na wyjściu układu formującego wiązkę
świetlną (ekspander i wybrany obiektyw mikroskopowy)
Pwyj – moc optyczna zdetekowana na wyjściu badanego odcinka światłowodu, którego długośd
pozwala zaniedbad straty tej mocy wynikające z tłumienia światłowodu
Opis stanowiska pomiarowego i procedury pomiarowej
Układ pomiarowy przedstawiony na Rys. 1. składa się ze źródła światła, poszerzacza wiązki świetlnej
(ekspandera), zestawu obiektywów mikroskopowych, badanego światłowodu oraz detektora
i sprzężonego z nim miernika mocy optycznej. Zakres pomiarowy miernika mocy optycznej
rozszerzono przez zastosowanie woltomierza (multimetru).
Rys. 1. Schemat układu do pomiaru wyjściowej mocy optycznej
Źródłem koherentnego i monochromatycznego promieniowania świetlnego w omawianym układzie
jest laser He-Ne (λ = 632.8 nm). Wiązka świetlna propagowana jest w kierunku ekspandera, którego
funkcję pełni luneta Keplera, pracująca w trybie odwrotnego biegu promieni. Wychodząca
z ekspandera poszerzona wiązka promieni równoległych skupiana jest następnie przez obiektyw
mikroskopowy.
Pomiar Pwej
W celu określenia poziomu mocy optycznej wprowadzanej do światłowodu (Pwej), za obiektywem
mikroskopowym (o wybranym powiększeniu i aperturze numerycznej) umieszcza się detektor
(Rys. 2.) w taki sposób, aby ¾ jego powierzchni czynnej było oświetlone przez wiązkę światła.
Zapewnia to wyeliminowanie wpływu lokalnej czułości powierzchniowej detektora
(o dużej powierzchni czynnej, ø ≈ 12 mm) na dokładnośd pomiaru.
Strona 1 z 3
Pomiar Pwyj
W celu określenia jaka częśd mocy Pwej została wprowadzona do badanego światłowodu, detektor
umieszczony jest w pobliżu wyjściowej powierzchni czołowej badanego włókna (Rys. 1.).
Podkreślmy, iż detektor optyczny powinien byd ustawiony (podobnie jak poprzednio) w taki sposób,
aby zminimalizowany został wpływ jego lokalnej czułości na wynik pomiaru. Dla uzyskania
największej efektywności sprzęgania wiązki świetlnej do światłowodu, powierzchnię czołową włókna
należy umieścid w ognisku układu optycznego wybranego obiektywu (największa gęstośd mocy
optycznej).
Rys. 2. Schemat układu do pomiaru wejściowej mocy optycznej
Przesłona aperturowa obiektywu
Podstawowymi parametrami układów optycznych (obiektywów mikroskopowych), zastosowanymi
do formowania wiązki świetlnej, są powiększenie i apertura numeryczna (Px/NA). W dwiczeniu
posługiwad się będziemy obiektywami o następujących parametrach:
1.
2.
3.
4.
5x/0.1
10x/0.24
20x/0.4
40x/0.65
Zauważyd należy, iż efektywnośd sprzęgania światła do światłowodu zależy nie tylko
od pozycjonowania powierzchni czołowej światłowodu względem obiektywu, ale również od
dopasowania apertury numerycznej obiektywu mikroskopowego względem apertury światłowodu.
Wynika to z faktu, iż przesłona aperturowa ogranicza kątową rozwartośd wiązki promieni świetlnych
wchodzących lub wychodzących z obiektywu i decyduje o ilości światła wchodzącego do układu
optycznego (lub zeo wychodzącego), co ilustruje Rys. 2. Przesłona ta leży wewnątrz obiektywu
i jej rolę pełni zazwyczaj oprawka jednej z soczewek stanowiących obiektyw.
Zaobserwowanie wpływu apertury numerycznej obiektywu na efektywnośd sprzęgania możliwe jest,
jeśli jest on w całości oświetlony przez wiązkę świetlną. W tym celu należy poszerzyd wiązkę świetlną
o średnicy ø ≈ 1.5 mm (emitowaną przez laser) do wymiaru rzędu kilkunastu mm. Układem
realizującym to zadanie jest luneta astronomiczna pracująca w trybie odwróconego biegu promieni
świetlnych (ekspander – poszerzacz wiązki).
Strona 2 z 3
Ekspander – poszerzacz wiązki świetlnej
Luneta astronomiczna Keplera pełni w układach pomiarowych przedstawionych na Rys. 1.
oraz Rys. 2. funkcję ekspandera czyli przyrządu poszerzającego wiązkę świetlną. Składa się z dwóch
układów optycznych (obiektywu OB i okularu OK) ustawionych w takiej odległości względem siebie,
że ich ogniska pokrywają się (FOB = FOK). Podkreślid należy, iż w omawianym zastosowaniu luneta
pracuje w trybie odwrotnego biegu promieni, tzn. wiązka ze źródła (lasera) wpada do okularu lunety
a wychodzi po przejściu przez obiektyw lunety. Średnica wejściowa wiązki wpadającej do ekspandera
wynosi ø1 ≈ 1.5 mm, zaś średnica wyjściowa po przejściu przez ekspander - ø2 ≈ 12 mm. Zasadę
działania ekspandera przedstawia Rys. 3.
Rys. 3. Luneta Keplera jako poszerzacz wiązki świetlnej
Strona 3 z 3