Способ ввода некогерентного излучения в световод и устройство для его реализации
Владельцы патента RU 2666972:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Оренбургский государственный университет" (RU)
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. Сущность заявленного решения заключается в том, что в известном способе ввода излучения в световод, по которому из испускаемого источником излучения формируют несколько квазипаралльных пучков, из каждого пучка вычленяют пучки с заранее заданной спектральной областью, далее из каждого из них формируют пучки, имеющие максимальную интенсивность в центре с плавным ее снижением до нуля на краях, увеличивают их яркость и уменьшают их диаметр за счет эффекта самофокусировки, далее излучение этих пучков вводится в промежуточные световоды, которые далее объединяются в один световод. Также заявленное устройство включает последовательно установленные на одной оптической оси и оптически связанные системы из зеркал и линз, с помощью которых формируются два квазипараллельных пучка с необходимой спектральной областью, далее увеличивается их яркость и уменьшается диаметр за счет самофокусировки в стеклянные пластинки со значительной зависимостью показателя преломления от температуры, и далее через градиентные стержневые линзы поступает в промежуточные световоды, которые затем объединятся в один. Техническим результатом изобретения является 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, в котором используется линза и сферическое зеркало, расположенные на одной оптической оси с источником некогерентного излучения и световодом. Линза и сферическое зеркало располагаются по разные стороны от источника некогерентного излучения. За линзой располагается световод, и в световод поступает не только излучение, идущее от источника некогерентного излучения проходящее через линзу, но и излучение которое направлено в сторону зеркала, за счет его отражении зеркалом (Миронов П.И., Кеткович А.А., Сатаров Д.В. Волоконно-оптическая интероскопия. - Л.: Машиностроение. - 1987. - 286 с.).
Этот способ ввода излучения в световод обладает низкой эффективностью ввода излучения из-за широкой диаграммы направленности источника некогерентного излучения, его низкой яркости и ограниченной числовой апертуры световода, не позволяет вводить в световод излучение только части излучения некогерентного источника излучения с заданной спектральной областью.
Известно устройство для реализации этого способа, включающее последовательно установленные на одной оптической оси и оптически связанные зеркало, источник некогерентного оптического излучения, линзу и световод. Линза и сферическое зеркало располагаются по разные стороны от источника некогерентного излучения. За линзой располагается световод, в который поступает не только излучение, идущее от источника некогерентного излучения проходящее через линзу, но и излучение которое направлено в сторону зеркала, за счет его отражении зеркалом (Миронов П.И., Кеткович А.А., Сатаров Д.В. Волоконно-оптическая интероскопия. - Л.: Машиностроение. - 1987. - 286 с.).
Это устройство обладает низкой эффективностью ввода излучения в световод из-за того, что в световод поступает только часть излучения источника некогерентного излучения соответствующая числовой апертуре световода, распространяющегося как в направлении световода, так в противоположном направлении за счет отражения от зеркала. 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 от некогерентного источника с заданной спектральной область в световод.
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 и вводят в световод, из излучения, испускаемого источником излучения, формируются квазипаралльные пучки, из каждого пучка вычленяют пучки с заранее заданной спектральной областью, далее из каждого из них формируют пучки, имеющие максимальную интенсивность в центре с плавным ее снижением до нуля на краях, увеличивают их яркость и уменьшают их диаметр за счет эффекта самофокусировки, далее излучение этих пучков вводится в промежуточные световоды, которые далее объединяются в один световод.
Также задача решается устройством для реализации способа, включающим последовательно установленные на одной оптической оси и оптически связанные зеркало, источник некогерентного оптического излучения, линзу и световод, которое содержит дополнительное зеркало и еще одну первую линзу, две вторые линзы, две стеклянные пластинки со значительной зависимостью показателя преломления от температуры для обеспечения самофусировки пучка света, две градиентные стержневые линзы, два промежуточных световода, два светофильтра, две диафрагмы пропускание которой максимально в центре и плавно спадает до нуля к краям, источник некогерентного излучения расположен в центре квадрата стороны которого образованны двумя оптическими системами каждая из которых состоит из расположенных на одной оптической оси и оптически связанных зеркала, источника некогерентного излучения и линзой, в каждой оптической системе источник некогерентного излучения расположен между зеркалом и первой линзой так, что излучение от некогерентного источника оптического излучение выходит из первой линзы в виде квазипараллельного пучка, светофильтры, диафрагмы установлены после первых линз с последовательно друг за другом перед второй линзой пройдя вторые линзы, некогерентное излучение поступает на стеклянные пластинки, далее проходит через градиентную стержневую линзу и промежуточные световоды объединенные далее в один, причем стеклянные пластинки, градиентные стерженевые линзы расположены вплотную друг к другу, все линзы сферические.
Предлагаемый способ позволяет повысить эффективность ввода в световод и вводить в него только часть излучения в пучке с заданной спектральной областью.
На чертеже приведена структурная схема устройства.
Устройство содержит источник некогерентного оптического излучения 1, два сферические зеркала 2, две линзы 3, два светофильтра 4, две диафрагмы пропускание которой максимально в центре и плавно спадает до нуля к краям 5, две вторые линзы 6, стеклянные пластинки со значительной зависимостью показателя преломления от температуры для обеспечения самофусировки пучка света 7, градиентные стержневые линзы 8, два промежуточных световода 9, световод 10,
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, расчленяется на два пучка, каждый из пучков сформирован одним из сферических зеркал 2 и линзой с эллиптической поверхностью 3, которые расположены на одной оптической оси по разные стороны от источника некогерентного излучения и выходит из линзы 3 в виде квазипараллельного пучка, далее излучение попадает на светофильтр 4, который пропускает только ту часть излучения, которая определяется полосой его пропускания. Затем излучение проходит через диафрагму 5, пропускание которой максимально в центре и плавно спадает до нуля к краям. Пройдя эту диафрагму 5, поперечное сечение пучка имеет максимальную интенсивность в его центре и плавно спадает до нуля к краям. Затем излучение сконцентрированное линзой 6 попадает на стеклянную пластинку 7. В стеклянной пластинке 7, за счет эффекта самофокусировки пучок света сжимается в пучок диаметром, равным диаметру градиентной стержневой линзы 8 и далее уже в градиентной стержневой линзе 8, этот пучок фокусируется в пятно, диаметр которого равен диаметру промежуточного световода 9. Далее промежуточные световоды 9 объединяются в один световод 10.
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, N 4, с. 832-835).
Для стекла ТФ-105 для μ=0,5 и РКР=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 промежуточный световод 9 может достигать ~90%, так как потери энергии некогерентного излучения обусловлены только поглощением в оптических элементах, в том числе в стеклянной пластинке, где происходит самофокусировка.
Соответственно в световод может быть введено ~60% излучения некогерентного излучения источника.
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 и вводят в световод, отличающийся тем, что из излучения, испускаемого источником излучения, формируются квазипаралльные пучки, из каждого пучка вычленяют пучки с заранее заданной спектральной областью, далее из каждого из них формируют пучки, имеющие максимальную интенсивность в центре с плавным ее снижением до нуля на краях, увеличивают их яркость и уменьшают их диаметр за счет эффекта самофокусировки, далее излучение этих пучков вводится в промежуточные световоды, которые далее объединяются в один световод.
2. Устройство для реализации способа по п. 1, включающее последовательно установленные на одной оптической оси и оптически связанные зеркало, источник некогерентного оптического излучения, линзу и световод, отличающееся тем, что устройство содержит дополнительное зеркало и еще одну первую линзу, две вторые линзы, две стеклянные пластинки со значительной зависимостью показателя преломления от температуры для обеспечения самофокусировки пучка света, две градиентные стержневые линзы, два промежуточных световода, два светофильтра, две диафрагмы пропускание которых максимально в центре и плавно спадает до нуля к краям, источник некогерентного излучения расположен в центре квадрата, стороны которого образованны двумя оптическими системами, каждая из которых состоит из расположенных на одной оптической оси и оптически связанных зеркала, источника некогерентного излучения и линзой, в каждой оптической системе источник некогерентного излучения расположен между зеркалом и первой линзой так, что излучение от некогерентного источника оптического излучение выходит из первой линзы в виде квазипараллельного пучка, светофильтры, диафрагмы установлены после первых линз с последовательно друг за другом перед второй линзой, пройдя вторые линзы, некогерентное излучение поступает на стеклянные пластинки, далее проходит через градиентную стержневую линзу и промежуточные световоды, объединенные далее в один, причем стеклянные пластинки, градиентные стержневые линзы расположены вплотную друг к другу.
