Способ ввода некогерентного излучения в световод и устройство для его реализации
Владельцы патента RU 2654938:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Оренбургский государственный университет" (RU)
Группа изобретений относится к волоконно-оптической технике и предназначено для использования в различных волоконно-оптических системах, использующих некогерентные источники излучения, в том числе в интроскопах, источниках дистанционного электропитания на базе световодов. Устройство для осуществления способа ввода некогеретного излучения в световод включает последовательно установленные на одной оптической оси и оптически связанные зеркало, источник некогерентного оптического излучения, линзу с эллиптической поверхностью, стеклянную пластинку со значительной зависимостью показателя преломления от температуры для обеспечения самофокусировки пучка света, градиентную стержневую линзу, световод, зеркало выполнено в виде полого шара с внутренним зеркальным покрытием, в боковое отверстие которого установлена линза с эллиптической поверхностью. Источник некогерентного оптического излучения расположен внутри полого шара так, что излучение источника некогерентного оптического излучения, сконцентрированное сферическим зеркалом и линзой с эллипсоидальной поверхностью, выходит из нее в виде квазипараллельного пучка, причем стеклянная пластинка, градиентная стержневая линза и световод расположены друг за другом, отличающееся тем, что оно содержит светофильтр и диафрагму, установленные после линзы с эллиптической поверхностью последовательно друг за другом, причем у диафрагмы пропускание максимально в центре и плавно спадает до нуля к краям. Технический результат - повышение эффективности ввода излучения от некогерентного источника с заданной спектральной областью в световод. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к волоконно-оптической технике и предназначено для использования в различных волоконно-оптических системах, использующих некогерентные источники излучения, в том числе в интроскопах, источниках дистанционного электропитания на базе световодов.
Известен способ ввода некогерентного излучения в световод, по которому из испускаемого источником излучения формируется квазипараллельный пучок, затем увеличивается его яркость за счет эффекта самофокусировки, затем уменьшается его диаметр и затем он вводится в световод. Этот способ реализован в устройстве, описанном в Патенте РФ N 2171485 от 27.07 2001 г.
В этом способе ввода излучения в световод нет возможности вводить в световод только части излучения в пучке с заданной спектральной областью. Кроме того, практическая реализация этого способа затруднена тем, что эффект самофокусировки предполагает пучки, у которых интенсивность максимальна в его центре и плавно спадает до нуля на краях. В противном случае единого квазипараллельного пучка не возникает, что, в конечном счете, снижает эффективность ввода некогерентного излучения световод.
Известно устройство ввода некогерентного оптического излучения в световод, для осуществления этого способа (Патент РФ N 2171485 от 27.07. 2001 года). Устройство содержит последовательно установленные на одной оптической оси и оптически связанные зеркало, источник некогерентного оптического излучения, стеклянную пластинку, выполненную из материала со значительной зависимостью показателя преломления от температуры для обеспечения самофокусировки пучка некогерентного оптического излучения, линзу с эллиптической поверхностью, градиентную стержневую линзу, световод, зеркало выполнено в виде полого шара с внутренним зеркальным покрытием, в боковом отверстии которого установлена линза с эллиптической поверхностью, а источник некогерентного оптического излучения расположен внутри полого шара так, что излучение источника некогерентного оптического излучения, сконцентрированное сферическим зеркалом и линзой с эллипсоидальной поверхностью, выходит из нее в виде квазипараллельного пучка, причем стеклянная пластинка, градиентная стержневая линза и световод расположены вплотную друг за другом.
Это устройство обладает низкой эффективностью ввода излучения в световод из-за того, что эффект самофокусировки предполагает пучки, у которых интенсивность максимальна в его центре и плавно спадает до нуля на краях. В противном случае благодаря эффекту самофокусировки вместо одного квазипараллельного пучка возникает несколько пучков, их число при флуктуации светового потока, окружающей температуры меняется, что, в конечном счете, приводит к снижению эффективности ввода излучения световод. Кроме того, в этом устройстве ввода излучения в световод нет возможности вводить в световод только части излучения в пучке с заданной спектральной областью.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности ввода излучения в световод от некогерентного источника с заданной спектральной областью.
Задача, на решение которой направлено техническое решение, достигается тем, что в известном способе ввода некогерентного излучения в световод, по которому из испускаемого источником излучения формируют квазипараллельный пучок, увеличивают его яркость за счет эффекта самофокусировки, уменьшают его диаметр и вводят в световод, перед увеличением яркости из квазипараллельного пучка, сформированного из излучения испускаемого источником излучения, вычленяют пучок с заранее заданной спектральной областью, после чего формируют пучок, имеющий максимальную интенсивностью в центре с плавным ее снижением до нуля на его краях.
Также задача решается устройством, реализующим способ, включающий в себя последовательно установленные на одной оптической оси и оптически связанные зеркало, источник некогерентного оптического излучения, линзу с эллиптической поверхностью, стеклянную пластинку со значительной зависимостью показателя преломления от температуры для обеспечения самофокусировки пучка света, градиентную стержневую линзу, световод, зеркало выполнено в виде полого шара с внутренним зеркальным покрытием, в боковое отверстие которого установлена линза с эллиптической поверхностью, а источник некогерентного оптического излучения расположен внутри полого шара так, что излучение источника некогерентного оптического излучения, сконцентрированное сферическим зеркалом и линзой с эллипсоидальной поверхностью, выходит из нее в виде квазипараллельного пучка, причем стеклянная пластинка, градиентная стержневая линза и световод расположены друг за другом, которое содержит светофильтр и диафрагму, установленные после линзы с эллиптической поверхностью последовательно друг за другом, у диафрагмы пропускание максимально в центре и плавно спадает до нуля к краям.
Предлагаемый способ позволяет вводить в световод только часть излучения в пучке с заданной спектральной областью.
Кроме того, предлагаемый способ позволяет существенно упростить практическую реализацию устройств и повысить эффективность ввода излучения в световод. Это достигается тем, что формируется пучок, имеющий максимальную интенсивностью в центре с плавным ее снижением до нуля на его краях. В этом случае в процессе самофокусировки формируется единый квазипараллельный пучок без какой-то поперечной структуры.
На чертеже приведена структурная схема устройства.
Устройство содержит источник некогерентного оптического излучения 1, сферическое зеркало 2, линзу с эллипсоидальной поверхностью 3, стеклянную пластинку 4, градиентную стержневую линзу 5, сочленяемую со световодом 6, светофильтр 7, диафрагму 8, пропускание которой максимально в центре и плавно спадает до нуля к краям.
Стрелками показан ход световых лучей.
Способ осуществляется следующим образом.
При отсутствии напряжения на источнике некогерентного оптического излучения 1 оптическое излучение в световоде отсутствует.
При поступлении напряжения на источник некогерентного оптического излучения 1, его излучение, сконцентрированное сферическим зеркалом 2 и линзой с эллиптической поверхностью 3, выходит из нее в виде квазипараллельного пучка и попадает на светофильтр 7, который пропускает только ту часть излучения, которая определяется полосой его пропускания. Затем излучение проходит через диафрагму 8, пропускание которой максимально в центре и плавно спадает до нуля к краям. Пройдя эту диафрагму 8, поперечное сечение пучка имеет максимальную интенсивность в его центре и плавно спадает до нуля к краям. Затем излучение попадает на стеклянную пластинку 4. В стеклянной пластинке 4, за счет эффекта самофокусировки пучок света сжимается в квазипараллельный пучок диаметром, равным диаметру градиентной стержневой линзы 4 и далее уже в градиентной стержневой линзе 4, этот пучок фокусируется в пятно, диаметр которого равен диаметру световода 6.
При практической реализации предлагаемого способа стеклянная пластинка может быть выполнена, например, из стекла ТФ-105, у которого
Соответственно критическая мощность некогерентного излучения, при которой возникает самофокусировка
где h - толщина стеклянной пластинки, μ - ее коэффициент поглощения, n, τ - показатель преломления и теплоемкость материала стеклянной пластины, Θ0 - угловой размер источника для точек на выходной апертуре формирующей системы (Сигал Г.Б., Сорокин Ю.М. Нелинейная рефракция в поле нелазерных источников. Журнал технической физики. 1980: т. 50, N4, с. 832-835).
Для стекла ТФ-105 для μ=0,5 и РKP=10 Вт. Этот уровень мощности легко достигается при использовании в качестве источника некогерентного излучения галогенной лампы, например, типа КГМ 6-25+25-2, мощностью 25 Вт, или КГМ - 15-100 мощностью 100 Вт с помощью системы сферическое зеркало - линза, если использовать в составе устройства реализующего предлагаемый способ зеркало со сферической формой и линзу с эллипсоидальной поверхностью.
Изменением толщины стеклянной пластинки в предлагаемой конструкции можно регулировать величину угла светового пучка на выходе из пластинки и соответственно обеспечивать такую апертуру светового пучка, которая соответствует данному световоду.
В предлагаемом способе эффективность ввода некогерентного излучения в световод может достигать ~95%, так как потери энергии некогерентного излучения обусловлены только поглощением в оптических элементах, в том числе в стеклянной пластинке, где происходит самофокусировка.
Предлагаемый способ ввода некогерентного оптического излучения в световод и устройство для его осуществления позволяет существенно снизить габариты осветительных системы и сделать их более экономичным за счет повышения эффективности ввода некогерентного излучения в световод.
1. Способ ввода некогерентного излучения в световод, по которому из испускаемого источником излучения формируют квазипараллельный пучок, увеличивают его яркость за счет эффекта самофокусировки, уменьшают его диаметр и вводят в световод, отличающийся тем, что перед увеличением яркости из квазипараллельного пучка, сформированного из излучения испускаемого источником излучения, вычленяют пучок с заранее заданной спектральной областью, после чего формируют пучок, имеющий максимальную интенсивность в центре с плавным ее снижением до нуля на его краях.
2. Устройство для осуществления способа по п. 1, включающее последовательно установленные на одной оптической оси и оптически связанные зеркало, источник некогерентного оптического излучения, линзу с эллиптической поверхностью, стеклянную пластинку со значительной зависимостью показателя преломления от температуры для обеспечения самофокусировки пучка света, градиентную стержневую линзу, световод, зеркало выполнено в виде полого шара с внутренним зеркальным покрытием, в боковое отверстие которого установлена линза с эллиптической поверхностью, а источник некогерентного оптического излучения расположен внутри полого шара так, что излучение источника некогерентного оптического излучения, сконцентрированное сферическим зеркалом и линзой с эллипсоидальной поверхностью, выходит из нее в виде квазипараллельного пучка, причем стеклянная пластинка, градиентная стержневая линза и световод расположены друг за другом, отличающееся тем, что оно содержит светофильтр и диафрагму, установленные после линзы с эллиптической поверхностью последовательно друг за другом, причем у диафрагмы пропускание максимально в центре и плавно спадает до нуля к краям.
