ОПТИЧЕСКОЕ ВОЛОКОННОЕ УСТРОЙСТВО С БОКОВЫМ ВВОДОМ-ВЫВОДОМ ИЗЛУЧЕНИЯ
OPTICAL FIBER DEVICE WITH SIDE INPUT-OUTPUT OF RADIATION

Изобретение относится к оптическим элементам, в частности к компактным элементам фокусировки и сбора лазерного излучения, и может быть использовано при разработке малогабаритных оптоволоконных датчиков методики гетеродин-интерферометра (PDV) для регистрации скорости ударника при проведении ударно-волновых экспериментов.
В некоторых экспериментальных схемах коллиматор методики PDV расположен под углом к оси движения ударника, а поскольку излучение в волокне распространяется вдоль оси волокна, требуются дополнительные средства для отклонения зондирующего излучения от этого направления. При этом немаловажное значение имеют геометрические размеры датчика. Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание оптических схем ввода-вывода излучения в оптическое волокно под углом 90°.
Из предшествующего уровня техники известно применение оптических схем, осуществляющих вывод излучения под углом к оптической оси волокна. Так, например, известна конструкция оптического устройства по патенту US 7366376 (опубл. 29.04.2008), включающая оптическое волокно, фокусирующий и отражающий элементы. Фокусирующий элемент - миниатюрная линза, объединенная с оптическим волокном с помощью оптического клея или оптической эпоксидной смолы. Посредством соответствующего выбора профиля показателя преломления в материале линзы и длины линзы контролируют фокусное расстояние линзы. В дополнение к линзе, для перенаправления света и фокусировки на поверхности, расположенной поперек относительно оси волокна, используется призма.
Недостатком устройства является сложность и дороговизна конструкции, а также относительно большие габариты. Кроме того, к конструкции предъявляются требования по центровке торца оптического волокна относительно линзы, что существенно осложняет изготовление.
Одним из способов отклонения излучения, например, на 90°, является шлифование и полировка кончика волокна под углом 45° с последующим покрытием плоской наклонной поверхности зеркалом, например, по патенту US 7680378, публик. 16.03.2010 (заявка US 2007292090 «Волоконный зонд с боковым выводом излучения и низким отражением»). Волоконный зонд включает отражающий элемент, сформированный на концевом участке оптического волокна путем полировки и придания торцу волокна наклона к оптической оси под углом 45°. к торцу прилегает зеркало, при этом концевой участок оптического волокна выполнен с расширением или сужением, для уменьшения, вплоть до исключения захвата сердцевиной волокна отраженного света. Данное изобретение направлено на минимизацию отражения в оптоволоконном зонде и применяется в биомедицине.
Для применения в методике PDV данная конструкция не подходит, поскольку не предназначена для обратного ввода света в волокно и, соответственно, имеет высокий уровень потерь.
В качестве ближайшего аналога заявляемому устройству может служить конструкция узла ввода-вывода светового импульса в системе связи на основе оптических волокон по патенту US 7162124 (опубл. 09.01.2007). Оптоволоконный узел с боковым вводом-выводом излучения включает отражающий элемент, сформированный на концевом участке оптического волокна датчика путем полировки или лазерного скалывания и придания торцу волокна наклона к оптической оси под углом менее чем 45°, при этом концевой участок оптического волокна выполнен постоянным сечением. Торец имеет плоскую поверхность, которая отражает свет путем полного внутреннего отражения. Свет также может распространяться через волокно в противоположном направлении после отражения от поверхности наклонного наконечника. Торец может быть металлизирован путем покрытия его металлом, таким как алюминий для формирования зеркала с лучшими отражающими характеристиками по сравнению с внутренним отражением, обеспечиваемым плоской наклонной поверхностью. Торец также может быть покрыт диэлектрическим слоем или пакетом диэлектрических слоев с показателем преломления, отличающимся от показателя преломления оптического волокна, чтобы не уменьшать общее внутреннее отражение, возникающее на наклонной плоской поверхности. Угол наклона выполняют менее 45°, чтобы минимизировать отражения обратно к наклонной поверхности от поверхности принимающей микросхемы.
Недостатком ближайшего аналога является высокий уровень потерь мощности излучения при вводе в волокно и невозможность изменения параметров фокусировки выходящего излучения.
Техническим результатом заявляемого изобретения является уменьшение в несколько раз потерь мощности излучения при вводе в волокно и возможность выставления необходимого фокусного расстояния для выходящего излучения.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в оптическом волоконном устройстве с боковым вводом-выводом излучения, включающем отражающий элемент, сформированный на концевом участке оптического волокна датчика путем полировки и придания торцу волокна наклона к оптической оси, а оболочке оптического волокна - функции собирающей линзы, новым является то, что концевой участок оптического волокна дополнительно включает фокусирующий элемент, сформированный путем придания наклонной поверхности сферической формы, диаметр которой превышает диаметр сердцевины оптического волокна в 40…1000 раз.
Формирование фокусирующего элемента из оптического волокна устройства при полировке наклонной поверхности позволяет, изменением радиуса сферического элемента и угла его наклона, увеличить сбор отраженного от зондируемой поверхности излучения и установить необходимое фокусное расстояние для выходящего излучения, что позволяет простыми средствами создать оптический волоконный датчик с боковым вводом-выводом излучения.
Оптимальное значение отношения диаметра сферической поверхности к диаметру сердцевины оптического волокна, позволяющее регулировать фокусное расстояние в направлении излучения и параметры фокусировки отраженного от зондируемой поверхности излучения при вводе в волокно, задается расчетно-экспериментальным путем с учетом расстояния до зондируемой поверхности.
На фиг. 1, 2 показаны продольное и поперечное сечения оптического волоконного устройства с боковым вводом-выводом излучения в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.
Пояснения к фиг. 1, 2:
1 - сердцевина волокна; 2 - оболочка волокна; 3 - сферическая форма наклонной поверхности на конце волокна; 5, 4 - пунктирами обозначены возможные сферические поверхности полировки при изменении радиуса сферы; 6 - зондирующее излучение; 7 - зондируемая поверхность объекта исследования; 8 - направление движения объекта исследования; 9 - отраженное излучение; 10 - нормаль к оптической оси волокна; 11 - нормаль к наклонной поверхности; 12 - пунктиром обозначена поверхность плоского сечения волокна; 13 - образующая цилиндрическая поверхность волокна; угол А - это угол, полировки волокна по оси сердцевины волокна; угол С - угол падения зондирующего излучения 6 относительно нормали 11; угол В является выходным углом отраженного излучения 9 относительно нормали 10.
Заявляемое устройство представляет собой предельно простой и дешевый в изготовлении волоконный оптический датчик, для изготовления которого могут быть использованы различные типы оптического волокна, и предпочтительным типом является одномодовое волокно (SMF), которое может иметь диаметр сердцевины 8-10 мкм и оболочки 125 мкм. Датчик включает отражающий и фокусирующий элементы, сформированные на концевом участке оптического волокна датчика путем полировки и придания торцу волокна наклона к оптической оси под углом А=43° (один из вариантов). Фокусирующий элемент сформирован путем придания наклонной поверхности сферической формы 3, с диаметром ~550 мкм (один из вариантов), которой превышает диаметр сердцевины оптического волокна в ~60 раз.
Сферическая наклонная поверхность 3 может быть металлизирована путем покрытия металлом, таким как алюминий, для образования зеркала. Зеркало на поверхности 3 может обеспечить лучшее отражение излучения 6 по сравнению с внутренним отражением, а также позволит изменять угол полировки А в более широком диапазоне вне зависимости от выполнения критерия полною внутреннего отражения. Образующая цилиндрическая поверхность волокна 13 может быть покрыта просветляющим покрытием с учетом длины волны зондирующего излучения для уменьшения внутреннего отражения.
Работа датчика осуществляется следующим образом. Зондирующее излучение 6, распространяющееся в оптоволокне по сердцевине 1, окруженной оболочкой 2, отражается от сферической поверхности 3 и в направлении 9 падает на зондируемую поверхность объекта 7, движущегося в направлении 8. Падающее излучение, диффузно отражаясь от зондируемой поверхности, частично возвращается обратно в волокно, при этом роль собирающей линзы играют цилиндрическая образующая поверхность волокна 13 и сферическая поверхность 3. Поверхность 3 отражает излучение 6 в направлении 9 из-за оптического эффекта полного внутреннего отражения на границе 3 кварц-воздух. Согласно закону Снеллиуса (Снелла), свет, падающий на диэлектрическою поверхность раздела сред со стороны с более высоким показателем преломления, полностью отражается, если угол падения С больше критического угла, как выражено в уравнении 1:
1
2
где n≈1.0 (для воздуха) n≈1.5 (для кварца)
Для достижения полного внутреннего отражения угол падения С волоконных мод должен быть больше критического угла, что достигается полировкой под углом А, связанных соотношением 2:
где D - поправка на числовую апертуру волокна.
Для типичного кварцевого SMF-волокна числовая апертура NA=0,1 и D можно найти с помощью уравнения 3:
Таким образом, для кварцевого волокна достижение полного внутреннего отражения достигается полировкой под углом менее 44° (А<44°).
Выходной угол В может быть вычислен с использованием уравнения 4:
Например, если угол полировки составляет 43 градуса, то выходной угол В будет равен 4 градусам.
Заявляемое устройство представляет собой предельно простой и дешевый в изготовлении малогабаритный волоконный оптический датчик, применение которого откроет новые методические возможности и обеспечит высокую экономическую эффективность проведения исследований.