Multimode Glasvezeloptiek: Belangrijkste Principes en Prestatiegrenzen

Glasvezel, als cruciale optische golfgeleidercomponenten, worden steeds vaker gebruikt in telecommunicatie, spectroscopie, verlichting en sensortoepassingen. Het begrijpen van hun operationele principes en technieken voor prestatie-optimalisatie is essentieel om hun potentieel in praktische implementaties te maximaliseren.

Optische vezels functioneren als golfgeleiders door gebruik te maken van totale interne reflectie (TIR) om licht binnen vaste of vloeibare structuren te beperken en te richten. Het meest voorkomende vezeltype - de stapindexvezel - bestaat uit een kern met een hogere brekingsindex, omgeven door bekleding. Wanneer licht de kern-bekledingsinterface raakt onder een hoek die groter is dan de kritische hoek, treedt TIR op, waardoor licht binnen de kern wordt gevangen.

De acceptatiehoek (θ ^acc ) bepaalt de maximale invalshoek voor TIR en wordt berekend met behulp van de wet van Snellius:

θ ^acc = arcsin(√(n ^kern ² - n ^bekleding ²) / n)

waarbij n ^kern en n ^bekleding respectievelijk de brekingsindices van de kern en de bekleding voorstellen, en n de brekingsindex van het externe medium aangeeft. Fabrikanten karakteriseren de lichtverzamelcapaciteit doorgaans via de numerieke apertuur (NA):

NA = √(n ^kern ² - n ^bekleding ²)

Voor multimode vezels met een grote kern biedt deze formule precieze NA-waarden. Experimentele bepaling via meting van het ver-veld-straalprofiel (het identificeren van de hoek waarbij de intensiteit daalt tot 5% van het maximum) biedt alternatieve verificatie.

Elk potentieel lichtpad door een vezel vormt een geleide modus. De geometrie en materiaaleigenschappen van de vezel bepalen het aantal modi, variërend van single-mode tot duizenden modi. De genormaliseerde frequentie (V-getal) schat de ondersteunde modi:

V = (2πa/λ) × NA

waarbij a de kernradius is en λ de golflengte in de vrije ruimte. Multimode vezels vertonen V-waarden >>1 (bijv. V≈40,8 voor een 50µm/0,39NA vezel bij 1,5µm), die ongeveer V²/2 modi ondersteunen. Single-mode vezels behouden V<2.405 door kleinere kernen en een lagere NA.

• Intrinsieke fononinteracties in gesmolten silica domineren voorbij 2000 nm
• Verontreinigingen zoals OH⁻-ionen creëren absorptiepieken bij 1300 nm en 2,94µm
• Dopant engineering maakt aangepaste transmissievensters mogelijk

• Rayleigh-verstrooiing (∝1/λ⁴) overheerst bij kortere golflengten
• Onvolkomenheden van fabricage of hantering verhogen de extrinsieke verstrooiing

• Straaldiameter <70% kerngrootte
• Geeft de voorkeur aan modi van lage orde
• Verminderde buiggevoeligheid
• Hogere kernvermogensdichtheid

• Straal overschrijdt kerndimensies
• Activeert alle modi gelijkelijk
• Hogere initiële vermogensdoorvoer
• Snelle demping van hoge modi over afstand

• Door buiging veroorzaakt: Gelokaliseerde verwarming bij strakke bochten
• Fotoverduistering: Door UV/korte golflengte geïnduceerde demping

1. Inspecteer en reinig alle vezelinterfaces vóór installatie
2. Controleer de lassen bij laag vermogen vóór werking met hoog vermogen
3. Verhoog het vermogen geleidelijk terwijl de prestaties worden bewaakt
4. Selecteer geschikte vezeltypen voor specifieke toepassingen
5. Implementeer de juiste technieken voor het oprollen en ontlasten van spanning