Световод многоволоконный

Рис.1,Распространение света в оптическом волокне

Многоволоконные световоды предназначенные для передачи изображения

Часть многоволоконного световода предназначенного для передачи изображения

Передача изображения приложенного к торцу многоволоконного световода

Передача изображения приложенного к торцу многоволоконного световода. Виден фрагмент (Две первые буквы названия месяца Октябрь)

Световод (оптический волновод) - закрытое пассивное устройство для направленной передачи света. В открытом пространстве передача света возможна только в пределах прямой видимости, при этом возникают потери вызванные исходной расходимостью излучения, а так-же поглощением и рассеянием в атмосфере. Световоды позволяют передавать свет по криволинейным трассам, а так-же существенно уменьшить потери энергии излучения при её передаче на расстояние.

Типы световодов

Существуют разнообразные типы световодов, основные среди них:

• Линзовые (зеркальные) световоды, представляющие собой систему заключённых в светонепроницаемый кожух и расположенных на определённых расстояниях линз (зеркал), полые металлические трубы различных сечений и прочие аналогичные конструкции (находят применение в системах дневного освещения внутренних площадей зданий). Они представляют собой систему заключённых в светонепроницаемый кожух и расположенных на определённых расстояниях линз или зеркал. На внешней стороне таких световодов (расположенной обычно на крыше здания) находится концентратор собирающий попадающий на него солнечный свет и направляющий его в световод. На внутренней стороне такого световода (внутри помещений) находится светорассеиватель равномерно распределяющий свет по всему помещению или концентрирующий его в определённом месте. Такие световоды позволяют заметно сократить расходы уходящие на освещение внутренних помещений.
• Гибкий диэлектрический волоконный световод с низкими оптическими потерями, позволяющий передавать оптическое излучение определённой длины волны на большие расстояния. Такое оптическое волокно применяется в настоящее время в связи, волоконно-оптических лазерах, волоконно-оптических усилителях и волоконно-оптических датчиках. Свет, попадающий на торец такого оптического волокна, может распространяться по нему на большие расстояния за счёт полного внутреннего отражения от боковых поверхностей. Использование световодов позволяет значительно уменьшить потери световой энергии при её передаче на расстояния, а также использовать криволинейные трассы. Используя различные легирующие примеси при изготовлении сердцевины оптического волокна создают активные оптические волокна, которые позволяют создавать оптические усилители излучения и волоконные лазеры Научно-техническое направление, занимающееся разработкой и применением оптических световодов, называется волоконной оптикой.
• Многоволоконные световоды состоящие из большого числа оптических волокон упорядоченно уложенных в пучки и сведённые с обоих сторон к единым торцам. Они позволяют передавать изображение без искажения при их изгибе по любому криволинейному профилю. Такие многоволоконные световоды используют при создании целого класса приборов обычно называемых эндоскопами. Достаточно высокая световая эффективность таких световодов позволяет использовать их и при создании осветительных систем для самих эндоскопов. При этом источник освещения располагается вне прибора, что позволяет исключить чрезмерный нагрев исследуемого объекта. Многоволоконные световоды предназначенные только для передачи световой энергии изготовляют из множества беспорядочно уложенных волокон.

Устройство волоконных световодов

В простейшем варианте световод представляет собой тонкую нить из оптически прозрачного материала, сердцевина которой имеет показатель преломления n1, а оболочка с имеет показатель преломления n2 (при этом n2 < n1). Лучи входящие в сердцевину под достаточно малыми углами к оси световода, испытывают полное внутреннее отражение на поверхности раздела сердцевины и оболочки и распространяются только по сердцевине световода.

История создания многоволоконных световодов

В 1854 году, Джон Тиндаль обнаружил, что свет может быть проведен посредством изогнутой струей воды, доказав, что свет можно передавать так-же и по не прямолинейным путям. Позже в 1930 году, немецкий студент-медик Генрих Lamm, стал первым человеком, который догадался собрать пучок оптических волокон в один плотный жгут для передачи изображения на расстояние.

Таким образом были созданы многоволоконные световоды состоящие из большого числа параллельно уложенных волоконных световодов собранных по краям в общие торцы.

Это открытие привело к изобретению эндоскопов и фиброскопов. В 1960-е годы появились эндоскопы использующие в качестве гибкого светопроводящего материала стеклянные волокна, что позволяло передавать свет, даже при изгибании световода. При этом, появлялась возможность в режиме реального времени наблюдать и фотографировать процессы происходящие в ранее недоступных местах.

Применение многоволоконных световодов

В 1964 году был изобретён фиброскоп, первое устройство используемое для исследования желудочной полости без операционного вмешательства. Это нововведение позволяло проводить более тщательное изучение, наблюдение и диагностику заболеваний внутренних органов человека.

Многоволоконные световоды находят широкое применение в науке, медицине а так-же и в приборостроении, для передачи изображения объектов, находящихся в труднодоступных местах, для последующего изучения и регистрации. При этом входной торец волоконного световода должен находиться в непосредственном контакте с поверхностью исследуемого объекта, либо изображение объекта должно быть спроецировано на входной торец жгута с помощью линзовой оптики (объектива). Каждое отдельное волокно такого жгута передаёт усредненный световой поток от точки поверхности входного торца, соответствующего сечению этого волокна. При этом изображение на выходной торец передается в виде мозаики. Такие многоволоконные световоды представляют собой пакет из параллельно уложенных тонких стеклянных светопроводящих нитей диаметром 10 — 20 мкм. Внешний слой этих нитей имеет толщину всего 1 — 3 мкм и изготовлен из стекла с показателем преломления меньшим, чем у сердцевины.

На основе многоволоконных световодов были созданы принципиально новые приборы для различного рода научных исследований. Так например использование световодов в оптической спектроскопии в ряде случаев устраняет необходимость отбора пробы и дает возможность реализовать процедуру промышленного анализа в режиме реального времени.

Многоволоконные световоды широко используются и в оптических методах контроля прозрачных объектов. С их помощью обнаруживают макро- и микродефекты, структурные неоднородности, внутренние напряжения (по вращению плоскости поляризации). Их использование резко расширило область применения оптических методов и повысило точность измерения.

С помощью многоволоконных световодов возможно производить оптическую дискретизацию исходного изображения и оценку размеров для чего на один из торцов жгута наносят измерительную шкалу.

Применение гибких волоконных световодов в пирометрах позволяет, например, осуществлять контроль воспламенения воздушно-топливной смеси в двигателях внутреннего сгорания в процессе их работы. Для этого входные торцы волоконнооптических жгутов устанавливаются в разных цилиндрах контролируемого объекта. Выходные торцы жгутов сформированы в виде одного кадра, что позволяет одновременно регистрировать процесс горения во всех контролируемых точках. При необходимости в том же кадре можно регистрировать излучение эталонного источника, поданное по отдельному жгуту.

Как привило, волокна для световода изготовляют из тяжелого стекла с оболочкой из более лёгкого стекла, диаметр волокна может составить несколько микрон, при толщине оболочки до одного микрона. Таким образом, разрешающая способность волоконных элементов может доходить до 100 линий на миллиметр, что хорошо согласуется с линейным разрешением обеспечиваемым приёмными устройствами большинства спектральных приборов, определяемыми зернистостью фотоэмульсии и шириной оптических щелей.

В настоящее время, широко доступны волоконные элементы изготовленные из стекла, что правда ограничивает их применение только видимой областью спектра. Использование волоконных световодов очень удобно для фотоэлектрического исследования близко расположенных участков спектра, например тесно расположенных спектральных линий, или контура спектральной линии. С помощью гибких волоконных световодов, каждый из участков спектра, легко вывести на отдельный фотоприёмник, что трудно сделать другими способами.

Волоконные световоды применяют и в тех случаях, когда источник освещения и регистрирующее устройство не могут быть достаточно удобно расположены относительно друг друга из-за сложной геометрии или например чрезмерных излучений источника освещения (тепловых или электромагнитных при использовании газоразрядных излучателей).

Стоит отметить, что изготовление волоконнооптических жгутов со строго паралельным и упорядоченным расположением волокон (для передачи изображения) связано со значительными технологическими трудностями.

См также

• Оптическое волокно
• Оптические волоконные кабели
• Волоконная оптика
• Многомодовое оптическое волокно
• Одномодовое оптическое волокно
• Оптическое волокно
• Сварка оптического волокна
• Сплайс-пластина
• Оптический кросс
• Оптическая муфта
• Оптический адаптер
• Оптический коннектор
• Оптический аттенюатор
• Оптический сплайс
• Оптический пигтейл
• Оптический патчкорд
• Оптический ответвитель
• Оптический WDM ответвитель
• Оптический кабель
• Оптический скалыватель
• Волоконно-оптическая связь
• Волоконно-оптический датчик

Литература

• Сборник статей под ред. К.И. Блох “Световоды для передачи изображения”, Мир, 1961
• Мидвинтер Дж., Волоконные световоды для передачи информации, пер. с англ., М., 1983
• Хансперджер Р., Интегральная оптика, пер. с англ., М., 1985
• Д и а н о в Е. М., Волоконная оптика: проблемы и перспективы, «Вестник АН СССР», 1989, № 10, с. 41