Реферат: Оптикоэлектроника

(10.1)

откуда

(10.2)

Рис. 10.5. К пояснению устройства световода:

в—преломление света на границе раздела двух сред (Si—угол падения; в; — угол пре­ломления); б — световой луч в волноводе (явление полного внутреннего отражения); < — распространение светового луча в двухслойном световоде

При условии n1 > n2, т. е. если свет переходит из среды, оп­тически более плотной, в среду, оптически менее плотную, то при изменении угла падения 6i наступает момент, когда sin Q2> 1, что невозможно, так как максимальное значение sin 62 == 1. В этом случае луч не преломляется, а полностью отражается от поверхно­сти раздела сред. В световом волноводе используется именно это явление: луч, последовательно отражаясь от стенок волновода, распространяется в заданном направлении (рис. 10.5, б). .

В волоконно-оптических световодах используется двухслойное волокно. Оно состоит из «сердцевины» (внутренней жилы) с пока­зателем преломления n1 и оболочки с показателем преломления n2.

Поскольку внутренняя жила оптически более плотная, чем оболочка (n1 >n2), то для лучей, входящих в световод под ма­лыми углами по отношению к оси световода, выполняется условие полного внутреннего отражения: при падении световой волны на границу с оболочкой вся ее энергия отражается внутрь «сердце­вины». То же самое происходит и при всех последующих отраже­ниях. Таким образом, свет распространяется вдоль оси световода, не выходя через оболочку '(рис. 10.5, в).

Обычно внутренняя (световедущая) жила изготавливается из чистого кварца, а светоотражающая оболочка, имеющая меньший показатель преломления, из кварца, легированного бором. Диа­метр внутренней жилы световода обычно не превышает десятков мкм, диаметр оболочки — 100 мкм. Как показывают эксперимен­тальные исследования, такие световоды отличаются высокой проч­ностью и в то же время устойчивы к изгибам и скручиванию.

Двухслойные световоды могут объединяться в кабели, содержа­щие до нескольких сот двухслойных волокон (рис. 10.6). Типовые технические данные оптических кабелей следующие: наружный диаметр 2...20 мм; прочность на разрыв—от десятков до сотен

ньютонов, масса—2...200 г/м (минимальные зна­чения порядка 0,3 г/м), допустимый радиус изгиба 5...50 см.

Весьма сложную задачу представляет собой ввод излучения в световод. Наилучшее сопря­жение достигается при использовании в качест­ве излучателя твердотельного лазера, создаю­щего когерентное излучение. Более сложно об" стоит дело при соединении световодов со светоизлучающими диодами, имеющими широкую диаграмму направленности. В этом случае световедущая сердце­вина волокна размещается непосредственно над активной областью светодиода (рис. 10.7, и). Эффективность ввода может быть повы­шена с помощью специальных фокусирующих линзовых систем (рис. 10.7, б), однако это существенно усложняет конструкцию устройства ввода.

Оптоэлектронные устройства находят все более широкое приме­нение в вычислительной технике. Наиболее перспективными в на­стоящее время считаются так называемые голографические устрой­ства памяти ЭВМ, основанные на принципах голографии — нового, быстро развивающегося направления оптоэлектроники.

Прежде чем познакомиться с работой оптического запоминающего устройства (ЗУ), необходимо хотя бы в общих чертах рассмотреть сущность голографического отображения информации.

В 1947 г. английский ученый Д. Габор разработал метод записи и вос­становления пространственной структуры световой волны (волнового фрон­та), который получил название голографии.

Известно, что обычное фотографическое изображение того или иного объекта не дает представления о его объемных свойствах. Это происходит потому, что фотопластинка реагирует только на среднюю интенсивность света при экспонировании и не способна реагировать на фазу световой волны, ко­торая зависит от расстояния между объектом и фотопластинкой. Д. Габор обратил внимание на то, что при фотографировании всегда приходится осу­ществлять наводку на резкость, иначе изображение будет нечетким. Между тем, независимо от наводки на резкость, с лучами света, образующими изоб­ражение на фотопластинке, никаких изменений на участке между объектом и фотопластинкой не происходит. В связи с этим Д. Габор предположил, что изображение объекта присутствует в скрытом от наблюдателя виде в любой

Рис. 10.7. Ввод излучения в световод:

а—безлинзовая система (1—кристалл световода; активная излучающая область; 3— световод: 4— оптический клей); б—с помощью фокусирующей линзы (1—излуча­тель; 2 — фокусирующий элемент; 3 - световод)

плоскости между объектом и фотопластинкой. Иначе говоря, изображение в том или ином виде содержится в самой структуре световой волны, распро­страняющейся от объекта к объективу фотоаппарата. Именно эта волна несет наиболее полную информацию об объекте, причем эта информация оказы­вается зашифрованной в амплитудных и фазовых изменениях волнового фрон­та. Таким образом, для получения необходимой информации об объекте, в том числе и о его объеме, достаточно зафиксировать (записать) пространственную структуру световой волны, а затем, используя эту запись, восстановить изоб­ражение объекта. Этот двухступенчатый процесс записи и восстановления волнового фронта, несущего информацию об объекте, и называется голографией, а зафиксированная пространственная структура световой волны — голограммой.

Каким же образом можно зафиксировать на фотопластинке ч амплитуду, и фазу световой волны? Д. Габор предложил использовать для записи голограммы явление интерференции двух когерентных световых лучей, а для восстановления изображения с голограммы — явление дифракции света.

Как известно, при интерференции волны от двух одинаковых источников света, расположенных на некотором расстоянии друг от друга, в любой точ­ке пространства будут накладываться друг на друга, причем в некоторых точках произойдет удвоение амплитуды, а в некоторых амплитуда колебаний окажется равной нулю. Это дает основание утверждать, что в интерференци­онной картине содержится определенная фазовая информация, позволяю­щая определить расстояние от какого-то места интерференционной картины до источника (или источников) изучения. Величина максимумов распреде­ления поля в интерференционной картине позволяет оценить интенсивность излучения, а соотношение между максимумами и минимумами — когерент­ность. Следовательно, в интерференционной картине (голограмме) записана вся возможная информация об излучении источников.

Когерентный луч света, который освещает объект и рассеивается им, на­зывают сигнальным; луч, создающий когерентный фон — опорным.