Πείραμα - 4 Σύζευξη Οπτικών Ινών με Laser

Πείραμα - 4 Σύζευξη Οπτικών Ινών με Laser Σύζευξη Οπτικών Ινών με Laser 1

1.1 Αρχή της άσκησης Σκοπός αυτής της άσκησης είναι η εξοικείωση των φοιτητών με τις Οπτικές Ίνες (optical fibers) μέσω διαφόρων μετρήσεων συμπεριλαμβανόμενης και της απόδοσης της ζεύξη ακτίνας HeNe Laser (623.8 nm) σε μονότροπη/μονόρρυθμη (single mode) οπτική ίνα καθώς και της μέτρησης του αριθμητικού ανοίγματος της οπτικής ίνας. Βιβλιογραφία: Κεφάλαια: 1. Φώς 2. Φωτοανιχνευτές 8.Κυματοδηγοί οπτικών ινών 1.1.1 Επί μέρους σκοποί της άσκησης Κοπή Οπτικής Ίνας Μέτρηση της έντασης της εξερχόμενης δέσμης Μέτρηση της μεγιστοποίησης της απόδοσης της ζεύξης της ακτίνας HeNe Laser με μονότροπη οπτική ίνα. Μέτρηση του Αριθμητικού Ανοίγματος της οπτικής ίνας

1.2 Περιγραφή της συσκευής μέτρησης Η πειραματική διάταξη μέτρησης φαίνεται στο σχήμα 1: Σχήμα 1 - Σχηματική διάταξη των συσκευών του πειράματος Η πειραματική διάταξη αποτελείται από τις ακόλουθες συσκευές: Οπτικές Ίνες Οι οπτικές ίνες είναι πολύ λεπτές κυλινδρικές ίνες γυαλιού ή πλαστικού με διάμετρο μικρότερη των 8μm (δηλαδή πιο λεπτές από μία τρίχα). Είναι διαφανείς και εύκαμπτες. Με τη βοήθεια των οπτικών ινών μπορούμε να «αναγκάσουμε» μία φωτεινή δέσμη να ακολουθήσει όποια διαδρομή επιθυμούμε. Θα μπορούσαμε να πούμε ότι, όπως με ένα εύκαμπτο λάστιχο ποτίσματος μπορούμε να οδηγήσουμε το νερό από τη βρύση σε ένα σημείο του κήπου μας, έτσι και με τις οπτικές ίνες μπορούμε να «οδηγήσουμε» το φως από μία ακίνητη πηγή σε οποιοδήποτε σημείο θέλουμε κάθε οπτική ίνα αποτελείται από τρία μέρη: α. Την κεντρική γυάλινη κυλινδρική ίνα, που ονομάζεται πυρήνας και είναι το τμήμα στο οποίο διαδίδεται το φως. β. Την επικάλυψη (απλή ή πολλαπλή), που είναι ένας ομόκεντρος με τον πυρήνα κύλινδρος. Έχει μικρότερο δείκτη διάθλασης από τον πυρήνα, για να παθαίνει το φως συνεχείς ολικές ανακλάσεις. Η επικάλυψη αυτή ονομάζεται μανδύας. γ. Το περίβλημα, που είναι ένα αδιαφανές πλαστικό Το φως κατά το «ταξίδι» του σε μία οπτική ίνα εξασθενεί. Αυτό συμβαίνει συνήθως για τους παρακάτω λόγους: α. Λόγω απορρόφησης, που οφείλεται στις ξένες προσμείξεις που υπάρχουν στο γυαλί β. Λόγω σκέδασης το φως διεισδύει στο μανδύα και διασκορπίζεται. Το φαινόμενο αυτό παρατηρείται εντονότερα, αν στην οπτική ίνα υπάρχουν συνδέσεις. γ. Λόγω κακής κατασκευής υπάρχουν στη διάμετρο του πυρήνα, για παράδειγμα, μικροδιακυμάνσεις. δ. Λόγω μεγάλης καμπής της οπτικής ίνας. Αν ο πυρήνας ήταν κατασκευασμένος από κοινό γυαλί, όπως αυτό των τζαμιών των σπιτιών μας, τότε το φως θα «ταξίδευε» μέσα στην ίνα το πολύ ένα μέτρο. Για το λόγο αυτό το γυαλί που χρησιμοποιείται για την κατασκευή του πυρήνα είναι μεγάλης καθαρότητας. Έτσι το φως 3

μεταφέρεται σε απόσταση πολλών χιλιομέτρων με πολύ μικρές απώλειες. Η καθαρότητα του γυαλιού είναι τέτοια, ώστε, αν θέλαμε να αντικαταστήσουμε το κοινό τζάμι ενός παραθύρου με τζάμι κατασκευασμένο από υλικό ίδιο με αυτό των οπτικών ινών, τότε αυτό, για να έχει την ίδια απορρόφηση φωτός, θα έπρεπε να έχει πάχος 1km περίπου. Κόπτης Οπτικών Ινών - Fiber cleaver Απογυμνωτή οπτικών ινών - Fiber Buffer Stripping Tools Precision optical fiber couplers 4

Side Loading Fiber Chuck 1.3 Θεωρία και Οπτική Μηχανολογία Η οπτική ίνα είναι ένας γυάλινος κυματοδηγός κυλινδρικής διατομής. Η βασική της δομή περιλαμβάνει μια κεντρική κυλινδρική ράβδο που ονομάζεται πυρήνας (core) και έναν σωλήνα, που περιβάλλει τον πυρήνα και ονομάζεται μανδύας (cladding). Για λόγους προστασίας από εξωτερικούς παράγοντες, ο μανδύας καλύπτεται από επικάλυψη πλαστικού γνωστή ως πρωτεύουσα επικάλυψη ή εξωτερικό περίβλημα (coating). Τόσο ο πυρήνας, όσο και μανδύας είναι συνήθως κατασκευασμένα από συνθετικό γυαλί υψηλής καθαρότητας (SiO2 - με συντελεστή διάθλασης 1,46), ενώ ο πυρήνας περιλαμβάνει νοθεύσεις GeO2 (με συντελεστή διάθλασης 1,48) και άλλων προσμίξεων, που μεταβάλλουν τον συντελεστή διάθλασης του πυρήνα, επιτυγχάνοντας την διαφορά από το συντελεστή διάθλασης του μανδύα, Δn=0,01 που απαιτείται για την κυματοδήγηση. Τυπικές τιμές συντελεστών διάθλασης είναι για τον πυρήνα n1=1.47 ενώ για των μανδύα n2=1.46 Το οπτικό σήμα κυματοδηγείται στον πυρήνα της οπτικής ίνας μέσω του φαινομένου ολικών ανακλάσεων στη κοινή επιφάνεια πυρήνα μανδύα, όπως φαίνεται στο Σχήμα 1. Στο εσωτερικό του πυρήνα, μια ακτίνα φωτός, προσπίπτουσα στην κοινή επιφάνεια με γωνία μεγαλύτερη της κρίσιμης γωνίας, φc, ανακλάται ολικά και συνεχίζει την διαδρομή της εντός του πυρήνα, μέσω συνεχών ανακλάσεων. Αντίθετα αν η γωνία πρόσπτωσης είναι μικρότερη της κρίσιμης γωνίας, το φως διαθλάται μέσα από τον μανδύα και χάνεται μετά από κάποια απόσταση. Σχήμα 2: Κυματοδήγηση μέσω ολικής ανάκλασης σε οπτική ίνα H κρίσιμη γωνία πρόσπτωσης θα ή γωνία αποδοχής, η οποία επιτρέπει το φως να ανακλαστεί στο μανδύα, ορίζει το λεγόμενο κώνο αποδοχής της ίνας σε τρεις διαστάσεις. Μόνο οι ακτίνες, που προσπίπτουν στον πυρήνα της και ευρίσκονται μέσα στον κώνο αποδοχής διαδίδονται. Οι υπόλοιπες διαθλώνται στο μανδύα και εξασθενούν με γεωμετρική πρόοδο μετά από μερικές ανακλάσεις στη διαχωριστική επιφάνεια πυρήνα-μανδύα. Αριθμητικό Άνοιγμα Η παράμετρος Αριθμητικό Άνοιγμα (Numerical Aperture, NA) αποτελεί ένα μέτρο της οπτικής ισχύος που εισάγεται στην οπτική ίνα. Ορίζεται σαν το γινόμενο του δείκτη 5

διάθλαση του μέσου όπου διέρχεται η προσπίπτουσα ακτίνα (συνήθως αέρας no=1) και του ημιτόνου της κρίσιμης γωνίας, θα. Από το νόμο του Snell και βασικές γνώσεις τριγωνομετρίας, αν θεωρήσουμε ότι η οπτική ίνα περιβάλλεται από αέρα ( nο =1): NA n sin() 0 nc ng 2 2 1.4 Εκτέλεση του πειράματος Η πειραματική διάταξη μέτρησης φαίνεται στο σχήμα: 1) Κοπή Οπτικής Ίνας και μέτρηση της έντασης της εξερχόμενης δέσμης. Σε αυτό το μέρος αρχικά θα κοπεί η οπτική ίνα με τον ειδικό κόπτη και θα ακολούθως θα μετρήσετε την ένταση της ακτίνα του Laser που εξέρχεται από την οπτική ίνα. Διαδικασία κοπής οπτικής ίνας 1. Αρχικά πρέπει να αφαιρεθεί το εξωτερικό περίβλημα. 2. Χρησιμοποιώντας τον απογυμνωτή οπτικών ινών, καθαρίστε ένα κομμάτι οπτικής ίνας περίπου 5cm από το εξωτερικό περίβλημα. 3. Ανασηκώστε το μοχλό ανοίγματος κλεισίματος του Κόπτη Οπτικής ίνας και βεβαιωθείτε ότι η λεπίδα είναι απέναντι σας. 4. Τοποθετήστε την οπτική ίνα στο κέντρο του κόπτη. 5. Κατεβάστε τον μοχλό ανοίγματος/κλεισίματος (Παρατηρήστε το Νο. 1 που φαίνεται στο πάνω μέρος του μοχλού). 6

6. Περιστρέψατε τον μοχλό Νο.2 για να σταθεροποιηθεί ο μοχλός ανοίγματος/κλεισίματος. 7. Σπρώξτε προς τα κάτω και σύρετε τον μοχλό Νο.3 για να κοπεί η οπτική ίνα. 8. Ανοίξετε το μοχλό ανοίγματος/κλεισίματος και απομακρύνεται τη κομμένη οπτική ίνα. 9. ΠΑΡΤΕ ΤΟ ΚΟΜΜΑΤΙ ΤΗΣ ΟΠΤΙΚΗΣ ΙΝΑΣ ΠΟΥ ΑΠΕΜΕΙΝΕ ΜΕ ΚΟΛΛΗΤΙΚΗ ΤΑΙΝΙΑ ΚΑΙ ΤΟΠΟΘΕΤΗΣΤΕ ΤΟ ΣΕ ΕΙΔΙΚΟ ΚΑΔΟ ΑΠΟΡΡΙΜΜΑΤΩΝ Σύζευξη οπτικής ίνας με Laser 1. Τοποθετήστε τη οπτική ίνα στη ειδική υποδοχή (fiber chuck) 2. Κατευθύνετε την ακτίνα του Laser στην είσοδο της βάσης στήριξης (στο κέντρο του ανοίγματος). Δέσμη Laser 3. Τοποθετήστε τον αντικειμενικό φακό ( objective lens) στην βάση στήριξης. 4. Τοποθετήστε προσεκτικά το Fiber Chuck με την οπτική ίνα στη βάση στήριξης 5. Μετακινήστε προσεκτικά την οπτική ίνα μέχρι η ακτίνα του laser να εξέλθει από το άλλο άκρο. 7

6. Μετρήστε με το μετρητή έντασης (Power meter) του φωτός την ισχύ της εξερχόμενης δέσμης. 7. Συνεχίστε να βελτιώνετε τις ρυθμίσεις μέχρι να μετρήσετε τη μέγιστη ισχύ στην έξοδο της οπτικής ίνας. 8. Υπολογίστε τη απόδοση της οπτικής ίνας η: P P ή ί Laser Μέτρηση του Αριθμητικού Ανοίγματος (Numerical Aperture NA) Η πειραματική διάταξη μέτρησης του Αριθμητικού ανοίγματος φαίνεται στο πιο κάτω σχήμα: Βάση στήριξης οπτικής ίνας Περιστρεφόμενη βάση Μετρητής Ισχύος Πειραματική διάταξη για μέτρηση του Αριθμητικού ανοίγματος 1. Τοποθετήστε την περιστρεφόμενη βάση στην οπτική τράπεζα έτσι ώστε η ακτίνα του Laser να περνά από το κέντρο της βάσης αυτής. 2. Τοποθετήστε τη μια άκρη της οπτικής ίνας (μαζί με τη βάση στήριξης) στην περιστρεφόμενη βάση. 3. Ρυθμίστε τη άκρη της οπτικής ίνας έτσι ώστε να είναι στο κέντρο της περιστρεφόμενης βάσης. Αυτή η ρύθμιση είναι σημαντική για να υπολογιστεί με ακρίβεια η ΝΑ. 4. Επανεξετάσετε την ευθυγράμμιση της διάταξης, έτσι ώστε η άκρη της ίνας να παραμένει στο κέντρο της ακτίνας του Laser καθώς η βάση περιστρέφεται. 5. Η δέσμη του Laser θα πρέπει να εξέρχεται από την άλλη άκρη της οπτικής ίνας. Σε αντίθετη περίπτωση πρέπει να επανεξετάσετε τη ευθυγράμμιση σας. 6. Για μια προσεγγιστική μέτρηση της ΝΑ της οπτικής ίνας τοποθετήστε ένα πέτασμα σε μια απόσταση L από τη έξοδο της ίνας Σχήμα 3. Μετρήστε το πλάτος,w, της κηλίδας στο πέτασμα. Η ΝΑ τότε δίνεται από τον τύπο: 8

1 A w sin 2 L Σχήμα 3 Πειραματική διάταξη για προσεγγιστική μέτρηση του αριθμητικού ανοίγματος 7. Αναλυτική μέτρηση της ΝΑ: Τοποθετήστε το μετρητή ισχύος έτσι ώστε να μετρά την εξερχόμενη ακτίνα από την οπτική ίνα Σχήμα 1. Βάλτε ένα προστατευτικά κάλυμμα γύρω από τον ανιχνευτή για να μειώσετε το φως από το περιβάλλον. Διακόψετε τη δέσμη του Laser με ένα πέτασμα και μηδενίστε το μετρητή ισχύος. 8. Μετρήστε την ισχύ που προσπίπτει στην οπτική ίνα σαν συνάρτηση της προσπίπτουσας γωνίας της δέσμης του Laser, τόσο για θετικές όσο και για αρνητικές τιμές έτσι ώστε να αντισταθμιστούν τυχών σφάλματα στην ευθυγράμμιση Laser-ακτίνας. 9. Κάντε τη γραφική παράσταση της ισχύος σαν συνάρτηση του ημιτόνου της γωνίας προσπτώσεως (προτιμότερο σε ημιλογαριθμικό χαρτί). Μετρήστε το εύρος της καμπύλης στα σημεία όπου η ισχύς είναι 5% της μέγιστης ισχύος. Το μισό της πιο πάνω τιμής είναι η πειραματική τιμή του αριθμητικού ανοίγματος της οπτικής ίνας. Συγκρίνετε τα αποτέλεσμα αυτό με την τιμή που βρήκατε στο βήμα 7. 9