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    [分享]RP 系列 激光分析設(shè)計(jì)軟件 | 無(wú)源光纖( 第一部分) [復(fù)制鏈接]

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    只看樓主 倒序閱讀 樓主  發(fā)表于: 2022-08-05
    — 本帖被 cyqdesign 從 GLAD,LASCAD,ASLD 移動(dòng)到本區(qū)(2022-08-05) —

    教程包含以下部分:

    ① 玻璃光纖中的導(dǎo)光

    ② 光纖模式

    ③ 單模光纖

    ④ 多模光纖

    ⑤ 光纖末端

    ⑥ 光纖接頭

    ⑦ 傳播損耗

    ⑧ 光纖耦合器和分路器

    ⑨ 偏振問(wèn)題

    ⑩ 光纖的色散

    ⑪ 光纖的非線性

    ⑫ 光纖中的超短脈沖和信號(hào)

    ⑬ 附件和工具

    這是 Paschotta 博士無(wú)源光纖教程的第 1 部分

    第一部分:玻璃光纖中的導(dǎo)光

    任何光纖的基本功能是引導(dǎo)光,即充當(dāng)介電波導(dǎo):注入一端的光應(yīng)在光纖中保持引導(dǎo)。換言之,必須防止其丟失,例如通過(guò)到達(dá)外表面并從那里逃逸。我們這里針對(duì)玻璃光纖進(jìn)行說(shuō)明,但是塑料光纖的工作原理是一樣的。原則上,引導(dǎo)光的最簡(jiǎn)單解決方案是均勻的玻璃棒。(如果足夠薄,它也可以彎曲到一定程度。)外表面可以通過(guò)全內(nèi)反射反射光線。由于大的折射率對(duì)比,這適用于相當(dāng)大范圍的輸入光束角度,原則上不需要任何功率損失。

    圖 1: 全內(nèi)反射可用于在均勻光纖中引導(dǎo)光。

    請(qǐng)注意,只有部分反射發(fā)生在入射角較小的端面上。

    然而,這個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案有一些關(guān)鍵的缺點(diǎn):

    • 由于高折射率對(duì)比度,即使是外表面玻璃的微小劃痕也可能因散射而導(dǎo)致大量光學(xué)損失。因此,外表面必須具有高光學(xué)質(zhì)量,并能很好地防止損壞和污垢。這個(gè)問(wèn)題只能在一定程度上通過(guò)光纖周?chē)囊恍┖线m的緩沖涂層來(lái)緩解。這種涂層不是高度均勻的,幾乎不能提供非常低的光學(xué)損耗。

    • 即使光纖非常細(xì)(例如,直徑為 0.1 毫米),它也會(huì)支持大量模式(參見(jiàn)第 2 部分),這很糟糕,例如當(dāng)保持高光束質(zhì)量很重要時(shí)。

    然而,人們可以修改非常干凈的涂層的想法:使用另一個(gè)玻璃區(qū)域,其折射率比核心玻璃稍小,作為包層

    2: 具有包層的多模玻璃光纖,由折射率稍低的玻璃制成。玻璃/玻璃界面會(huì)發(fā)生全內(nèi)反射,但入射角需要更大。

    這給了我們幾個(gè)優(yōu)勢(shì):
    • 玻璃比塑料緩沖涂層更干凈、更均勻。這已經(jīng)減少了損失。

    • 由于反射點(diǎn)處的折射率對(duì)比度降低,界面的小不規(guī)則性不會(huì)像玻璃/空氣界面那樣造成嚴(yán)重的光學(xué)損失。外部界面的不規(guī)則不再重要,因?yàn)楣饩無(wú)法“看到”它們。

    • 如果需要,現(xiàn)在可以將引導(dǎo)區(qū)域(稱為光纖芯)做得比整個(gè)光纖小得多?梢哉{(diào)整核心尺寸,例如適應(yīng)一些小型光發(fā)射器的尺寸。

    • 結(jié)合小核心尺寸和弱指數(shù)對(duì)比度,甚至可以獲得單模制導(dǎo)(見(jiàn)下文)。

    但是請(qǐng)注意,較小的折射率對(duì)比度意味著較小的接受角:只有在入射角高于臨界角時(shí)才會(huì)發(fā)生全內(nèi)反射。光纖輸入面的最大入射角由數(shù)值孔徑 (NA) 確定:

    NA 是輸入面最大入射角的正弦值。式中,n 0為光纖周?chē)橘|(zhì)的折射率,在空氣中接近于1。

    考慮光的波動(dòng)性

    面的考慮是基于一個(gè)簡(jiǎn)單的幾何射線圖。特別是在小核心和弱折射率對(duì)比領(lǐng)域,這張簡(jiǎn)單的圖片不再代表光傳播的準(zhǔn)確模型,因?yàn)樗雎粤斯獾牟▌?dòng)性。所以現(xiàn)在讓我們考慮一下波浪的性質(zhì)。

    首先,我們想象均勻介質(zhì)(例如,一些玻璃)中的高斯光束。即使這樣的光束最初具有平坦的波前,在一個(gè)瑞利長(zhǎng)度內(nèi)它也會(huì)開(kāi)始顯著發(fā)散:

    3: 均質(zhì)玻璃中真空波長(zhǎng)為 1.5 μm 的高斯光束。
    它最初以幾乎平行的方式傳播,但最終會(huì)發(fā)散。

    發(fā)散與波前的曲率密切相關(guān)。顯然,光束軸上的波前在 z 方向上的前進(jìn)速度比在較高或較低位置的波前快。這個(gè)觀察可以引發(fā)一個(gè)想法:我們不能通過(guò)稍微減慢光束軸附近的光來(lái)對(duì)抗波前的彎曲嗎?這可以通過(guò)使用不均勻的結(jié)構(gòu)來(lái)完成,在中心區(qū)域的折射率有所增加。事實(shí)上,如果我們?cè)?3 μm 的半徑內(nèi)簡(jiǎn)單地將核心指數(shù)增加 0.014,這將非常有效:
    圖 4: 注入階躍折射率光纖結(jié)構(gòu)的高斯光束。兩條水平灰線表示纖芯/包層界面的位置。使用 RP Fiber Power 軟件 模擬了光束傳播。

    那么數(shù)值孔徑為0.3。注入的高斯光束的幾乎所有光都被引導(dǎo)。如果我們使初始光束半徑和核心區(qū)域更大,則甚至更低的折射率對(duì)比度就足夠了。請(qǐng)注意,即使光纖不是完全筆直,而是有些彎曲,光的引導(dǎo)也會(huì)起作用。如果彎曲不太強(qiáng),則彎曲損耗(即彎曲引起的功率損耗)小到可以忽略不計(jì)。下一期將介紹第二部分:光纖模式

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    只看該作者 1樓 發(fā)表于: 2022-08-08
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    離線譚健
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    只看該作者 2樓 發(fā)表于: 2022-12-04
    很好的知識(shí)分享