После выполнения замены или установки световода необходимо провести юстировочные операции, описанные в пунктах 3–11 данного раздела

1. После выполнения замены или установки световода необходимо провести юстировочные операции, описанные в пунктах 3–11 данного раздела.

2. Включить питание осциллографа. Его органы управления установлены в положение, при котором осциллограмма на его экране соответствует одной из строк видеосигнала, наблюдаемого на экране монитора.

3. Измерить степень когерентности следует по контрасту интерференционной картины, наблюдаемой на экране монитора. Она является результатом интерференции отдельных мод световода, каждая из которых попадает на торец, пройдя отличный от других путь. Следует помнить, что любая, даже самая незначительная деформация световода, приводит к изменению этого пути, что приводит к изменению результата интерференции. В результате интерференционная картина не остается стабильной. Поэтому при проведении измерений следует стремиться к исключению воздействий на исследуемый световод. Выполнить следующие операции.

3.1. Установить значение тока накачки лазерного диода равным 30 мА с помощью потенциометров регулировки тока накачки «грубо», «точно» на лицевой панели электронного блока «Источник оптического излучения». Контроль тока накачки осуществляется по стрелочному прибору на лицевой панели. При этом его излучение становится заведомо когерентным и на экране монитора должна наблюдаться спекл-картина.

3.2. На экране осциллографа при этом должна наблюдаться осциллограмма, примерный вид которой показан на рис. 7, а. Если наблюдается чрезмерный контраст изображения вид осциллограммы будет соответствовать рис. 7, б. В этом случае следует уменьшить долю оптической мощности источника излучения, которая вводится в исследуемый световод. Для этого необходимо сместить входной торец световода относительно ЛД2 (рис. 5). Смещение может производиться как с помощью микрометрических винтов УВ1, УГ1 (по углу ввода излучения в световод), так и с помощью микрометрических винтов ЛП1, ЛВ1 (линейное смещение торца световода относительно источника). Используя эти возможности добиться появления осциллограммы, соответствующей рис. 7, а.

Рис. 8. Осциллограммы

Аналогичного результата можно добиться уменьшая уровень оптической мощности с помощью вращения поляризатора на оправке ЛД (рис. 4).

3.3. Ручкой «VOLTS/DIV», находящейся на лицевой панели осциллографа, установить удобный для измерения вертикальный масштаб изображения. В дальнейших измерениях положение ручки не менять.

3.4. Ручкой «TIME/DIV», находящейся на лицевой панели осциллографа, установить удобный для измерения горизонтальный масштаб изображения.

3.5. Отметить на осциллограмме положение уровня «черного» (рис. 8, а) и отсчитать от него уровень, соответствующий минимальной Р_min и максимальной Р_max яркости изображения в пределах светящегося пятна на торце световода. Отсчет проводить в делениях, нанесенных на экран осциллографа. Данные измерений занести в таблицу 1.

Занести значение I_н в первую графу таблицы 1.

Таблица 1. Измерение степени когерентности лазерного диода

Iн (мА)	30 мА
Рmin (дел)
Рmах (дел)
γ

3.6. Изменять величину тока накачки в сторону уменьшения с шагом, указанным преподавателем. При каждом фиксированном значении I_н определять Р_min и Р_max. Отсчет проводить в делениях, нанесенных на экран осциллографа. Данные измерений занести в таблицу 1. При уменьшении тока накачки яркость изображения также уменьшается. При необходимости увеличить яркость изображения за счет увеличения мощности, вводимой в световод. Для этого следует выполнить операции по юстировке, описанные в пункте 14.4.

3.7. По данным измерений вычислить величину степени когерентности по формуле:

γ = (Р_max – Р_min)/ (Р_max + Р_min)

и построить зависимость γ(I_н).

 

 

3. Экспериментальное определение числовой апертуры волоконных световодов

Цель работы:

– произвести экспериментальное определение числовой апертуры одномодового и многомодового световода.

Предварительные замечания.

При измерении числовой апертуры световодов микрообъектив телекамеры должен быть обязательно снят.

 

Под числовой апертурой NA волоконного световода понимается синус угла φ, под которым луч света, падающий на его торец, испытывает полное внутреннее отражение на границе раздела сердечник – оболочка. Для ее экспериментального определения исследуется расходимость излучения из торца световода. На рис. 8 показан ход крайних лучей, выходящих из торца возбужденного световода. Угол φ, который они составляют с осью световода и определяет значение числовой апертуры NA.

Рис. 9. Схема светового конуса на выходе из световода (а) и осциллограмма (б)

Для измерения числовой апертуры анализируется излучение из торца возбужденного источником ЛД (рис. 1) световода. Выходной торец находится в поле зрения телекамеры и на экране монитора возникает его изображение. Выделение строки изображения с помощью телевизионного осциллографа (смотри описание к предыдущей лабораторной работе) позволяет анализировать распределение интенсивности в его поперечном сечении.

На рис. 9 показан торец световода С и образующие, ограничивающие световой конус, в котором концентрируется излучение, выходящее из него.

Лучи попадают на матрицу (М на рис. 9) телекамеры, с помощью которой формируется телевизионный сигнал. На рис. 9 отмечен диаметр светового пятна t, соответствующий излучению из торца световода на расстоянии F от его торца и горизонтальный размер матрицы T.

Изображение проекции светового конуса на матрицу М наблюдается на экране монитора в виде светлого пятна. С помощью осциллографа и блока выделения строки может быть выделена одна из строк телевизионного сигнала. Примерный вид осциллограммы, соответствующей строке, которая приходится на середину пятна, показан на рис. 9. Диаметру пятна на мониторе соответствует размер t, отмеченный на осциллограмме. Длительность t на осциллограмме производится на половине амплитуды импульса. Горизонтальному размеру матрицы D соответствует на осциллограмме расстояние между соседними строчными гасящими импульсами T. Размер D для используемой в макете телекамеры известен и составляет
D = 6,35 мм. Поэтому может быть определен реальный размер пятна D путем измерений по осциллограмме величин t и T:

Значение числовой апертуры вычисляется из элементарных тригонометрических соображений по измеренному значению расстояния:

 

Порядок выполнения работы

 

Внимание! Перед каждым использованием в измерениях волоконных шнуров необходимо снять защитные колпачки с их торцов. После окончания работы с волоконным шнуром обязательно установить на его торцы снятые защитные колпачки.

В данной лабораторной работе используются следующие элементы (рис. 1 [Общая характеристика установки]):

– электронный блок «Источник оптического излучения»;

– лазерный диод ЛД;

– юстировочные устройства ЮУ1 и ЮУ2;

– одномодовый световод (9/125 мкм) без защитной оболочки (желтый цвет буферного покрытия) с коннекторами типа FC – UPS;

– многомодовый световод (50/125 мкм) (оранжевый цвет защитной оболочки) с коннекторами типа FC – РС;

Внимание. Волокно с адаптером требует бережного обращения. Запрещается поднимать адаптер за волокно.

– телекамера без микрообъектива;

– черно-белый монитор;

– блок выделения строки;

– осциллограф.

Пункты 1 и 2 выполняются преподавателем

1. Закрепить входной торец многомодового (оранжевый цвет защитной оболочки) световода в узел юстировочного устройства ЮУ1, осуществляющий линейное перемещение (рис. 5). Для этого выполнить следующие операции.

1.1. С помощью микрометрического винта ЛПР1 переместить узел, осуществляющий линейное перемещение, в крайнее правое положение.

1.2. Отвернуть фиксирующий винт ФВ1 (рис. 5) и отсоединить съемную оправку 10.

1.3. Пропустить световод через отверстия в платах 2, 3 и цилиндре 9.

1.4. Закрепить коннектор FC световода в оправке 10, навернув фиксирующий винт коннектора.

1.5. Осторожно, не допуская резких изгибов световода, вставить оправку 10 на установочное место и закрепить ее фиксирующим винтом ФВ1.

2. Закрепить выходной торец световода в узел юстировочного устройства ЮУ2, осуществляющий угловое перемещение (рис. 5). Для этого выполнить следующие операции.

2.1. С помощью микрометрического винта ЛПР2 переместить узел, осуществляющий линейное перемещение, в крайнее правое положение.

2.2. Отвернуть фиксирующий винт ФВ2 (рис. 5) и отсоединить съемную оправку 12.

2.3. Пропустить световод через отверстия в кольцах 5,6,7 и цилиндре 11.

2.3. Закрепить коннектор FC световода в оправке 12, навернув фиксирующий винт коннектора.

2.5. Осторожно, не допуская резких изгибов световода, вставить оправку 12 на установочное место и закрепить ее фиксирующим винтом ФВ2.

3. Установить органы управления электронного блока «Источник оптического излучения» в исходное состояние.

3.1. Ручки потенциометров «Регулировка тока накачки грубо, точно» установить в крайнее положение против часовой стрелки;

3.2. Кнопочный переключатель «Пределы изменения I_н» установить в положение 60мА.

3.7. Включить тумблер «сеть» на лицевой панели блока «Источник оптического излучения». При этом загорается его подсветка.

4. Включить питание монитора М и телекамеры ТК (рис. 1), нажав кнопочный переключатель на лицевой панели монитора. При этом после его прогрева наблюдается слабое свечение экрана монитора.

5. С помощью потенциометров «Регулировка тока накачки грубо, точно» установить заданное значение тока накачки лазерного диода (для одномодового световода I_н= 30мА, для многомодового световода I_н= 40мА). Контроль тока накачки осуществляется по стрелочному прибору на лицевой панели.

6. Выходной торец световода расположен напротив телекамеры. Оба элемента закреплены во втором юстировочном устройстве ЮУ2 (рис. 5). Изменяя угловое положение торца световода относительно телекамеры с помощью микрометрических винтов УВ2 и УГ2 и перемещая телекамеру в двух поперечных направлениях с помощью микрометрических винтов ЛП2 и ЛВ2, добиться появления изображения торца световода на экране монитора.

7. Исследуемый в данном эксперименте лазерный диод расположен в узле юстировочного устройства ЮУ1, осуществляющем угловое перемещение (рис. 5). Необходимо добиться, чтобы его излучение попадало на входной торец волоконного световода, который расположен в этом же юстировочном устройстве (в узле, осуществляющем линейное перемещение). Изменяя угловое положение ЛД относительно торца световода с помощью микрометрических винтов УВ1 и УГ1 и перемещая оправку со входным торцом световода в двух поперечных направлениях относительно ЛД с помощью микрометрических винтов ЛП1 и ЛВ1, добиться появления на выходном торце световода светового пятна, которое наблюдается на экране монитора. Регулировку положения источника и входного торца световода производить методом последовательных приближений, добиваясь максимальной яркости наблюдаемого пятна.

При необходимости, если наблюдается чрезмерный контраст изображения на экране монитора, уменьшить уровень мощности, повернув поляризатор на ЛД.

8. Попытаться уменьшить размер пятна на экране монитора и соответствующего ему импульса на осциллограмме, изменяя угловое положение торца световода относительно телекамеры с помощью микрометрических винтов УВ2 и УГ2. Этим обеспечивается коррекция параллельности фокальной плоскости объектива и плоскости, в которой расположен торец световода. После этого скорректировать положение выделяемой строки, повторив действия, описанные в пункте 11.

9. Перемещая в поперечных направлениях телекамеру относительно торца световода с помощью микрометрических винтов ЛП2 и ЛВ2, обеспечить коррекцию положения торца световода относительно оптической оси ОО^/ (рис. 9).

10. Включить питание осциллографа. Его органы управления установлены в положение, при котором осциллограмма на его экране соответствует одной из строк видеосигнала, наблюдаемого на экране монитора.

9. Установить значение F₀ на микрометрическом винте ЛПР2 (рекомендуемое значение F₀=0 мм).

10. Используя органы управления режимом развертки осциллографа добиться появления на его экране осциллограммы, соответствующей рис. 9. Отметить положение переключателя ступенчато регулирующего длительность развертки (TIME/DIV) – R (рекомендуемое значение R=10 дел/мкс) и расстояние между строчными импульсами T (рис. 9). Данные измерений занести в заголовок табл. 2.

11. С помощью кнопок «↑», «↓» осуществляется передвижение выделяемой строки вверх или вниз по изображению на экране монитора добиться максимальной ширины импульса, соответствующего светящемуся пятну. Этим обеспечивается выделение строки, приходящейся на центр светового пятна.

12. Отметить ширину наблюдаемого на осциллограмме импульса t₀. Данные измерений занести табл. 2.

Таблица 2. Измерение числовой апертуры волоконного световода.

D = 6,35 мм; T =; R =.

ti(дел)	t0=	t1=		tn=
Fi(мм)	F0=	F1=		Fn=
di(мм)	d0=	d1=		dn=
NA	–	NA1=		NAn=
V

12. Повторить измерения, предусмотренные пунктами 11 – 12 для расстояний
F = F_1,2…n. Число измерений n и расстояния F_1,2…n указывается преподавателем (рекомендуемые значения: n = 3; F₁=1 мм, F₂=2 мм, F₃=3 мм). Данные измерений занести в табл. 2.

16. По данным табл. 2 определить размер светящегося пятна по формуле:

Вычисленные значения занести в табл. 2.

15. Вычислить значение числовой апертуры NA, считая отсчет расстояния F₀ исходным:

Измеренное значение числовой апертуры соответствует среднему значению:

.

16. Рассчитать нормированную частоту

и определить ориентировочное количество мод распространяющихся по световоду по формуле

Таблица 3. Значения корней p_nm

m	N			Тип Волны
	1	2	3
0 1 1 2 2	2,405 0,000 3,832 2,445 5,136	5,520 3,832 7,016 5,538 8,417	8,654 7,016 10,173 8,665 11,620	E0n, H0n HE1n EH1n HE2n EH2n

По табл. 3 определить типы волн, распространяющихся по одномодовому световоду.

16. Заменить световод и повторить измерения апературы.