fiber

1.1 Построение модели волокна и типов соединений волокон.

Лабораторная работа № 1: «Построение модели оптоволоконной трубки» (пример выполнения).

Задание: Спроектировать модель оптоволоконной трубки.

Исходные данные: Моделируем отрезок оптоволокна длиной 30 мм с параметрами: Входная апертура 0.4; Длина волны 0.85 мкм; Диаметр поверхности 10мкм.

Построение системы (пример выполнения лабораторной работы):

Открываем программу. В окне редактора LDE находится таблица с тремя строчками. Это поверхности: OBJ - поверхность объекта, STO - поверхность апертурной диафрагмы системы, IMA - поверхность плоскости изображения, обозначенная. Наша система состоит из 5 поверхностей. Дополнительные поверхности необходимо ввести клавишей Insert. Параметры каждой поверхности заносятся в таблицу редактора LDE.

Таблица 1.1

Данные редактора LDE.

	Surf: Type		Radius	Thickness	Semi-Diameter	Par 1	Par 3
OBJ		Standard	Infinity	5.00000	0.91
1		Paraxial		5.00000	5.00000	3.00000
STO		NonSecComp	Infinity	-	0.00000		35.00000
3		Standard	Infinity	15.00000	10.00000
IMA		Standard	Infinity		10.00000

*Так как место ограничено, то показаны только столбцы, в которых вводятся основные параметры.

1 – полудиаметр этой поверхности указан приблизительный, так как тип величины выбран автоматический.

Типы поверхностей, используемые в данной системе:

∙TYPE STANDARD

Standard поверхность может быть плоской, сферической или иной квадратичной поверхностью, которая представляет собой однородный материал (такой как воздух, стекло или зеркало). Единственными параметрами, которые требуются, являются радиус (RADI), толщина (DISZ) и название стекла (GLAS).

∙TYPE PARAXIAL

Paraxial поверхность представляет собой идеально тонкую линзу. Параксиальная поверхность используется для анализа и оптимизации систем, которые на выходе имеют сфокусированный пучок. Форма параксиальной поверхности – плоскость. Первый параметр обозначает фокальное расстояние линзы.

Во третьей строке тип поверхности определили как Non-Sequential Components (непоследовательные элементы). Для определения параметров этих элементов необходимо в главном окне программы последовательно нажать Editors, Non-Sequential Components. Откроется окно с таблицей для ввода поверхностей непоследовательных элементов, а также их параметров. В этом окне находится одна строчка с Null Object (Нулевой объект). Для добавления других объектов необходимо так же, как и в редакторе LDE, нажать кнопку Insert. Тип объекта выбирается двойным нажатием левой кнопкой мыши в столбце Object Type. При этом открывается окно, в котором на вкладке Type в строке Object Type необходимо выбрать соответствующий тип объекта.

						Таблица 1.2
	Таблица редактора Non-Sequential Components.
	Object Type	Z Position	Material	Front R	Z Length	Back R
1	Null Object	0
2	Cylinder Volume	0.2	F_SILICA	0.5	29	0.5

3	Cylinder Volume	0		1	30	1
4	Null Object	0

*Так как место ограничено, то показаны только столбцы, в которых вводятся основные параметры.

Таким образом мы задали геометрические и конструктивные параметры системы: модель будет состоять из двух трубочек – внешней и внутренней. Внешняя трубочка будет выполнять роль оболочки. Теперь установим выбранную длину волны 0,85 мм, входную апертуру 0,4 и параметры полей. Y-координаты полей следующие: 0, 5, 20.

После того, как система спроектирована, посмотрим как она выглядит. Чтобы увидеть трехмерное сечение нашей оптической системы, выбираем из главного меню последовательно Analysis, Layout (схема), 3D Layout (трехмерная схема). (рис. 1.1)

Рис. 1.1 Трехмерное изображение схемы.

Посмотрим также объемную модель. Для этого последовательно выберем

Analysis\Layout\Shaded Model (анализ \ схема \ модель с тенями). Получим рис. 1.2.

Рис. 1.2 Твердотельная объемная модель с тенями.

Теперь проведем анализ системы. Построим диаграмму пятна рассеяния светового пучка. Для этого выберем Analysis\Spot Diagramm\ Full Field (рис. 1.3). Эта диаграмма показывает пятна рассеяния всех позиций полей в одном месте.

Рис. 1.3 Точечная диаграмма пятна рассеяния по всему полю.

Эта диаграмма качественно иллюстрирует распределение световой энергии. По ней видно, что распределение энергии неравномерное из-за дифракции световых лучей.

Построим модуляционную передаточную функцию. Для этого в главном окне необходимо последовательно выбрать Analysis\MTF\FFT MTF. Она вычисляет дифракционную модуляционную функцию для заданного поля с помощью алгоритма БПФ (рис. 1.4)

Рис. 1.4 Модуляционная передаточная функция.

Посмотрим геометрическое распределение концентрации энергии. Для этого выберем последовательно Analysis\Encircled Energy\Geometric (рис. 1.5)

Рис. 1.5 Геометрическое распределение энергии.

На рисунке 1.5 мы видим, как распределена энергия поля на различном расстоянии от центра и в зависимости от координат исходного поля. Этот график удобно рассматривать вместе с точечной диаграммой пятна рассеяния.

В программном пакете есть множество других функций и характеристик, которые описывают работу схемы, но в рамках данного проекта для иллюстрации работы схем ограничимся только характеристиками, приведенными выше. Эти графики показывают только один из возможных случаев распределения энергии в волоконной трубке. Изменяя параметры входного луча (апертуру, геометрическое положение лучей, количество волн и их длину) можно получить и другие распределения энергии в пределах данной модели.

Заключение.

В ходе проделанной работы на базе программного комплекса Zemax была построена модель оптоволокна в виде отрезка стеклянной трубочки. Изначально были созданы таблицы поверхностей и непоследовательных объектов, введены характеристики системы. Далее была построена сама система и рассмотрены основные характеристики, наиболее полно представляющие работу схемы, такие как трехмерное сечение системы, точечные диаграммы, геометрическое распределение энергии.

Лабораторная работа №2: «Построение модели оптоволокна с различными типами соединений» (пример выполнения).

Задание: Построить в программе Zemax модель различных типов соединений и посмотреть основные характеристики волокна при этих соединениях.

Исходные данные: Смоделируем различные типы соединений:

-зазор между волокнами;

-смещение волокон относительно друг друга;

-угловое рассогласование ориентации осей волокон и зазор между ними.

Зададимся числовыми параметрами: Входная апертура 0,2; Длина волны 0.85 мм, 0.55 мм; Y-координаты полей 0, 1, 4; Толщина и диаметр каждой поверхности произвольные.

Построение системы:

Параметры волокон в целом одинаковы, будут меняться только величины, характеризующие условия соединения волокон. По этому сначала построим одну систему,

посмотрим ее характеристики, а затем, изменив некоторые параметры, получим две другие системы и также посмотрим их характеристики.

Зазор между волокнами.

Открываем программу. В окне редактора LDE находится таблица с тремя строчками. Это поверхности: OBJ - поверхность объекта, STO - поверхность апертурной диафрагмы системы, IMA - поверхность плоскости изображения, обозначенная. Наша система состоит из 5 поверхностей. Дополнительные поверхности необходимо ввести клавишей Insert. Параметры каждой поверхности заносятся в таблицу редактора LDE.

Таблица 1.3

Исходная таблица данных редактора LDE.

	Surf: Type		Radius	Thickness	Semi-Diameter	Par 11	Par 31
OBJ		Standard	Infinity	5.00000	0.172
1		Paraxial		5.00000	5.00000	3.00000
STO		NonSecComp	Infinity	-	0.00000	0	23.20000
3		Standard	Infinity	5.00000	1.00000	5.00000
4		Paraxial		0	5.00000
IMA		Standard	Infinity		5.00000

*Так как место ограничено, то показаны только столбцы, в которых вводятся основные параметры.

1 – названия колонок указаны для поверхности Standard.

2 – полудиаметр этой поверхности указан приблизительный, так как тип величины выбран автоматический.

Типы поверхностей, используемые в данной системе:

∙TYPE STANDARD

Standard поверхность может быть плоской, сферической или иной квадратичной поверхностью, которая представляет собой однородный материал (такой как воздух, стекло или зеркало). Единственными параметрами, которые требуются, являются радиус (RADI), толщина (DISZ) и название стекла (GLAS).

∙TYPE PARAXIAL

Paraxial поверхность представляет собой идеально тонкую линзу. Параксиальная поверхность используется для анализа и оптимизации систем, которые на выходе имеют сфокусированный пучок. Форма параксиальной поверхности – плоскость. Первый параметр обозначает фокальное расстояние линзы.

Во третьей строке тип поверхности определили как Non-Sequential Components (непоследовательные элементы). Для определения параметров этих элементов необходимо в главном окне программы последовательно нажать Editors, Non-Sequential Components. Откроется окно с таблицей для ввода поверхностей непоследовательных элементов, а также их параметров. В этом окне находится одна строчка с Null Object (Нулевой объект). Для добавления других объектов необходимо так же, как и в редакторе LDE, нажать кнопку Insert. Тип объекта выбирается двойным нажатием левой кнопкой мыши в столбце Object Type. При этом открывается окно, в котором на вкладке Type в строке Object Type необходимо выбрать соответствующий тип объекта.

Таблица 1.4

Исходная таблица данных редактора Non-Sequential Components.

	Object Type	Z Position	Material	Front R	Z Length	Back R
1	Null Object	0
2	Cylinder Volume	0.2	F_SILICA	0.5	10	0.5
3	Cylinder Volume	13		0.5	10	0.5
4	Null Object	0

*Так как место ограничено, то показаны только столбцы, в которых вводятся основные параметры.

Таким образом мы задали геометрические и конструктивные параметры системы: модель будет состоять из двух трубочек, в месте их соединения смоделирован зазор. Теперь установим выбранные длины волн 0,85 мм и 0,55 мм, входную апертуру 0,2 и параметры полей. Y-координаты полей следующие: 0, 1, 4.

После того, как система спроектирована, посмотрим как она выглядит. Чтобы увидеть трехмерное сечение нашей оптической системы, выбираем из главного меню последовательно Analysis\Layout\3D Layout. (рис. 1.6)

Рис. 1.6 Трехмерное изображение схемы.

Посмотрим также объемную модель. Для этого последовательно выберем

Analysis\Layout\Shaded Model (анализ \ схема \ модель с тенями). Получим рис. 1.7.

Рис. 1.7 Твердотельная объемная модель с тенями. Теперь проанализируем систему.

Построим диаграмму пятна рассеяния светового пучка на выходе первого волокна (последовательно нажать Analysis\Spot Diagramm\Standard) и на входе второго волокна

(последовательно нажать Analysis\Spot Diagramm\ Full Field). (рис. 1.8, рис. 1.9).

Рис. 1.8 Диаграмма пятна рассеяния для трех позиций полей на выходе первого волокна.

Рис. 1.9 Точечная диаграмма пятна рассеяния по всем полям на входе второго волокна. Эта диаграмма качественно иллюстрирует распределение световой энергии. По ней видно, что распределение энергии равномерное на выходе первого волокна. Но при входе лучей во второе волокно энергия распределена неравномерно из-за дифракции и потерь в зазоре.

Рис. 1.10 Модуляционная передаточная функция.

Построим модуляционную передаточную функцию. Для этого в главном окне необходимо последовательно выбрать Analysis\MTF\FFT MTF. Она вычисляет дифракционную модуляционную функцию для заданного поля с помощью алгоритма БПФ (рис. 1.10)

Посмотрим геометрическое распределение концентрации энергии. Для этого выберем Analysis\Encircled Energy\Geometric (рис. 1.11)

Рис. 1.11 Геометрическое распределение энергии.

На рисунке 1.11 мы видим, как распределена энергия поля на различном расстоянии от центра и в зависимости от координат исходного поля на входе второго волокна. Этот график удобно рассматривать вместе с точечной диаграммой пятна рассеяния.

Смещение волокон друг относительно друга.

Так как систему мы уже построили, то для моделирования смещенных волокон изменим лишь некоторые параметры в исходной таблице данных, причем данные изменятся только в таблице Non-Sequential Components. Для того чтобы сместить волокна относительно друг друга достаточно поменять положение одного из волокон (в нашем случае это второе). То есть в столбце Y Position в строке с номером 3 вместо 0 напишем 1

Рис. 1.12 Трехмерное изображение схемы.

						Таблица 1.5
	Исходная таблица данных редактора Non-Sequential Components.
	Object Type	Y Position	Material	Front R	Z Length	Back R
1	Null Object	0
2	Cylinder Volume	0	F_SILICA	1	10	1
3	Cylinder Volume	1		1	10	1
4	Null Object	0

* В таблице отображены только те столбцы, в которых были произведены изменения. Построим те же графики и диаграммы что и для модели с зазором между волокнами и проанализируем систему.

Рис. 1.13 Стандартная диаграмма пятна рассеяния для трех позиций полей на входе второго волокна.

Рис. 1.14 Точечная диаграмма пятна рассеяния по всем полям на входе второго волокна.

Рис. 1.15 Модуляционная передаточная функция.

Рис. 1.16 Геометрическое распределение энергии.

Угловое рассогласование ориентации осей волокон и зазор между ними.

Чтобы смоделировать угловое рассогласование осей повернем одно из волокон на некоторый угол (в нашем случае мы поворачиваем второе волокно на 10 градусов вокруг оси Х). Как и в предыдущем случае часть параметров в таблицах остается неизменной.

Рис. 1.17 Трехмерное изображение схемы.

							Таблица 1.6
			Исходная таблица данных редактора LDE.
	Surf: Type		Radius	Thickness	Semi-	Par 11	Par 31	Par 41
					Diameter
OBJ		Standard	Infinity	5.00000	0.172
1		Paraxial		5.00000	5.00000	3.00000
STO		NonSecComp	Infinity	-	0.00000	0	23.20000	10
3		Standard	Infinity	5.00000	1.00000	5.00000
4		Paraxial		0	5.00000
IMA		Standard	Infinity		5.00000