LASERY I ICH ZASTOSOWANIE

Transkrypt

1 LASERY I ICH ZASTOSOWANIE Laboratorium Instrukcja do ćwiczenia nr 6 Temat: Światłowodowy czujnik drań

2 6.Światłowodowy czujnik drań 6.. Ce ćwiczenia Ceem ćwiczenia jest zapoznanie się z czujnikiem światłowodowym wykorzystującym promieniowanie asera półprzewodnikoweo. 6.. Wiadomości oóne 6... Czujnik światłowodowy Transmisja fai świetnej w faowodzie optycznym poea na utrzymaniu strumienia światła w rdzeniu faowodu. Rdzeń faowodu stanowi ośrodek optycznie przeźroczysty o większym współczynniku załamania niż otoczenie rdzenia zwane płaszczem. Całkowite odbicie światła padająceo pod kątem mniejszym od raniczneo na powierzchnię rozdziału rdzenia i płaszcza, stanowi podstawowe prawo fizyczne optycznej transmisji faowej. W konstrukcji czujników światłowodowych używa się faowodów faowodów przekroju kołowym rdzenia, jak na rys.6.. Podstawowym materiałem światłowodów jest szkło, które mięknie ze wzrostem temperatury, utrzymując własności raczej ciała stałeo niż cieczy. Lepkość szkła jest łówną własnością umożiwiającą formowanie światłowodów. Czyste szkło kwarcowe otrzymuje się przez utenienie czterochorku krzemu w reakcji. Tor promienia światłą w rdzeniu włókna zaeży od współczynnika załamania w płaszczyźnie przekroju poprzeczneo włókna i kata padania promienia wzędem powierzchni styku rdzeń płaszcz. Rys.6.. W światłowodzie moą biec tyko te promienie, które padają pod okreśonym kątem do osi światłowodu. Krytycznej wartości kąta θ kr odpowiada kąt akceptacji światłowodu. Wartość funkcji sinus teo kąta okreśa apertura numeryczna AN światłowodu skokoweo. ( r) n AN sin θ kr n Wartości aperyury numerycznej światłowodu warunkuje efektywność sprzężenia światłowodu ze źródłem światła, a zwłaszcza diodą eektrouminescencyjną (DEL) i aserem półprzewodnikowym. Dioda eektrouminescencyjna promieniuje praktycznie w przedziae kata półpełneo. Aczkowiek maksimum promieniowania przypada w sąsiedztwie normanej do powierzchni, to jednak około połowy mocy zawiera się w stożku ±º (kąt rozwarcia~6º). Wynika stąd nieuchronność strat sprzężenia, spowodowana różnicą wartości stożka akceptacji światłowodu i kąta rozwarcia promieniowania diody. Natomiast kąty rozwarcia promieniowania aserów półprzewodnikowych są znacznie mniejsze i wynoszą od kiku do kiku dziesięciu stopni. Dateo skuteczność sprzężenia aserów z włóknem optycznym jest znacznie epsza, rys.6.4. Rys przedstawia przejście skoimowanej, równoełej wiązki światła przez soczewkę i skupienie jej w punkcie zwanym oniskiem soczewki. Onisko soczewki znajduje się w odełości f zwanej oniskową i eży w płaszczyźnie prostopadłej do osi soczewki R i R, ma średnicę D i współczynnik załamania n. Oniskową f obiczamy z zaeżności :

3 a) Faa załamana θ < θ kr α n n n > n Powierzchnia rozraniczania dwóch ośrodków θ θ Faa padająca Faa odbita b) c) n > n θ θ kr α9º n > n θ θ > kr n n n n θ kr θ θ θ kr d) n > n Szkło n Szkło n Rys.6.. Fizyczne podstawy prowadzenia fa świetnych; a) prawo załamania światła na ranicy dwóch ośrodków, b) kąt raniczny załamania światła, c) pełne odbicie światła od ranicy dwóch ośrodków, dy n >n d) prowadzenie tai świetnej w faowodzie włóknistym.

4 pokrycie ochronne płaszcz rdzeń Rys. 6.. Struktura wewnętrzna światłowodu. a) Profie Tory promieni n(r) b) r n(r) r c) r n(r) Rys. 6.. Rozkład współczynnika załamania (profie) i tory promieni optycznych w światłowodach: a) skokowy, b) radientów.

5 DEL Źródło Sprzężenie Kąt akceptacji Światłowody 6º 7% 4º -5º -4μm Powierzchnia emisja Moc promieniowania ~ - μw Laser Rozkład kątowy Natężenie promieniowania 4% º -4º 6º 6% NA,-,4 skokowy 5 μm Moc promieniowania ~ - mw % 4º NA, radientowy 5-9 μm NA, jednomodowy Rys.6.4. Typowe sprawności sprzężenia źródło światłowód Oś soczewki Włukno Rys.6.5. Oniskowane wiązki światła na płaszczyźnie wejściowej światłowodu

6 f ( n ) R + R Promienie padające na czoło światłowodu pod kątem większym niż kat akceptacji θ kr, nie są przenoszone przez światłowód, te wydostają się na zewnątrz rdzenia i są tłumione (rys. 6.6). Szczeónie ważnym, ze wzędu na powszechność występowania jest rozkład natężenia opisany funkcją aussa. Skupiając aussowską wiązkę światła za pomocą soczewki otrzymujemy również aussowski rozkład natężenia światła w płaszczyźnie oniskowej. Szerokość pamki w płaszczyźnie oniskowej {rys. 6.7) wynosi: ϖ λ f ϖ 6.. Laser półprzewodnikowy W układzie pomiarowym zastosowano aser półprzewodnikowy firmy Toshiba (λ67μm) mocy 5mW. Rys.6.8 iustruje masowo produkowaną diodę aserową w standardowej obudowie TO. W przeważającej większości diody aserowe zawierają fotodiody. Laserowa dioda emituje światło z dwóch stron przy czym pomocnicza wiązka aserowa steruje zasianiem asera i pada na powierzchnię światłoczuła fotodiody. Moc wyjściowa łównej wiązki aserowej jest stabiizowana po przez optyczne sprzężenie zwrotne. Do akcji aserowej są wykorzystywane przejścia eneretyczne między pasmem waencyjnym a przewodnictwa. Na ranicy obszarów o różnym typie przewodnictwa tworzy się rezonator, przy czym ścianki spełniają roę zwierciadeł. Na jedna ze ścianek nakłada się cienką warstwę dieektryczną w ceu uzyskania dużeo współczynnika odbicia, a druą zaś z uwai na duże wartości współczynnika załamania półprzewodnika (np. da arsenku au n,5) ma wystarczający współczynnik odbicia do uzyskania eneracji(ρ,). Przy zasianiu kierunku przewodzenia nośniki wstrzykiwane do warstwy rekombinacyjnej wywołują spontaniczna emisje fotonów. Niektóre z wstrzykujących nośników rekombinują w momentach wymuszonych przez przeatujące fotony. Rekombinacja wymuszona a zatem i emisja spójnych fotonów, nabiera znaczenia. W miarę zwiększania ęstości prądu w złączu, czyi wzrostu poziomu wstrzykiwania nośników. Wzmocnienie optyczne rośnie aż do przekroczenia wartości proowej natężenia prądu, przy której jest na tye duże, że równoważy straty promieniowania. Wtedy zaczyna się akcja aserowa. Cechami wyróżniającymi asery półprzewodnikowe są ich małe wymiary (duża trwałość mechaniczna, duża sprawność, łatwość zasiania i przenoszenia wysokich częstotiwości sterowanych zasianiem. 6..Przebie ćwiczenia Wiązka aserowa z asera półprzewodnikoweo wprowadzona jest do światłowodu poprzez soczewkę i po wyjściu ze światłowodu pada na powierzchnię drającą eementu mechaniczneo. Światło aserowe odbite od tej powierzchni pada na światłowód, który sprzężony z fotodetektorem (rys.6.).

7 Eement mechaniczny wprowadzony jest w drania zmiennym poem manetycznym wytworzonym przez cewkę. Cewka podłączona jest do eneratora synału zmienneo, któreo częstotiwość jest mierzona częstościomierzem. θ ΔN sinθ Rys.6.6. Akceptacja przez światłowód promieni światła wchodzących w stożek o kącie wierzchołkowym równym połowie kąta θ kr a) b) w w o f Rys.6.7. Wiązka aussowska: a)oniskowanie, b)wymiar pamki światła w płaszczyźnie oniska.

8 Rys.6.8. Konstrukcja asera półprzewodnikoweo: - wiązka, aserowa, - okienko szkane. - obudowa. 4 - chłodziarka, 5 - fotodioda, 6 - komórka aserowa, 7 - ściana tyna wiązki aserowej. x EJ y* F b Rys.6.5 Beka drająca. W czasie drań synał optyczny zmienia się i aa oscyoskopie odczytujemy ampitudę, częstotiwość zmian synału optyczneo. Maksymane wychyenie pręta da okreśonej częstotiwości daje nam informacje, ze drający przedmiot jest w rezonansie. a) Zmieniamy wartość częstotiwości f zmian poa manetyczneo i odczytujemy maksymaną ampitudę A synału optyczneo na oscyoskopie. Na podstawie wykresu wyznaczamy częstotiwość rezonansową.

9 Lp. f A [ ] [ ] b) Obiczamy wartość częstości drań eementu drająceo jeżei mamy następujące dane: - masa beki; m? - moduł sprężystości podłużnej: E, 5 MPa - wymiary eementu drająceo: x x b? r, mm Da przypadku oóneo na końcu jednostronnie utwierdzonej beki z materiału o ęstości ρ i przekroju jak na rys.6.9 jest zamocowane ciało o ciężarze. Wyznaczamy częstość kołową drań własnych beki przyjmując, że beki wynosi a sztywność na zinanie EI. Da anaizowaneo przypadku układu swobodneo nietłumioneo słuszna jest zaeżność E V okreśamy wyrażenia opisujące enerię kinetyczną E i potencjaną V układu. o oo dy y d y y dt dt E o o y + ρ F y dx V EI y y o dy dt Zinanie beki możemy opisać w następujący sposób: y (t,x)y(x)sinωt dzie ω- częstość kołowa drań beki. y(x) - funkcja odzwierciedająca odkształcenie beki powstałe od dowonej siły P, którą możemy przyłożyć do ciała o ciężarze i która spełnia raniczne warunki zadania czyi. da x y() y() a także da x y() otrzymujemy P x x y o ( x) EI Wyrażenie okreśające największą enerię kinetyczną przybierze postać:

10 5 P ρ Fω 4 x x ω + 9x dx 6 dx + 4 EI 4 P ω + ρ F EI 4 V ω EI P EI EI ρ F P EI rad s E -V 6 dx W naszym przypadku i otrzymujemy obiczamy z zaeżności: ω EI 4 ρ F Częstotiwość drań własnych, beki f ω π π EI 4 ρ F dzie I b Przy założeniu harmonicznych drań iętych pręta można napisać : y( t) y( x)sin ω t d y dx ( x) Równanie różniczkowe odkształconej osi wspornika EI dy dx x EI EI xdx y x EI x 6EI x ( 6EI x)

11 f EI E p - Eneria potencjana odkształcenia E p d y EI dx EI dx Po scałkowaniu E p EI EI ( x) dx dy dx x EI EI xdx Sztywność pochodząca od ciężaru m s K f EI 6 ms 9E I Sztywność da pręta K p q y dx q x 6EI ( x) dx q m p 6 5 q 6 m 6 p ( EI ) 6 5 ( EI ) K K p + K m 6 5 p 6 + m 6 m s s p ( EI ) 9E I 9 ( EI ) m E p ω Kω ω I 4 m s + m p 4

12 m s ω 4EI m p Literatura: K-Piszczek, J. Waczak- Drania w budowie maszyn PWN 97 LC.Paiais - Zarys teekomunikacji światłowodowej WKŁ Warszawa 99 M.Szustakowski - Eementy techniki światłowodowej WNT Warszawa 99

13 Rys.6. Schemat układu pomiaroweo : enerator drań, C częstościomierz, L aser półprzewodnikowy, F - fotodetektor