Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Волоконно-оптичні світловоди знаходять широке застосування для передачі випро­мінювання і зображень в різних напрямах приладобудування, в тому числі геодезичного. Так, наприклад, лазерні насадки до нівелірів конструктивно виконують у вигляді пристроїв до зорової труби, які дозволяють вводити випромінювання лазера в оптичну схему прила­ду за допомогою,, призм та волоконно-оптичних елементів. Що таке оптичне волокно? Це тонка нитка із^ прозорого діелектрика, наприклад, із кварцового скла. Особливо тонкі во­локна мають діаметр порядку 1 мкм, хоча і у товстих волокон діаметр не дуже великий — порядку 100 мкм. Волокна діаметром менше 1 мкм приводять до розсіювання променя в волокні, яке обумовлюється дифракцією світла. Будучи тонкими, волокна із скла легко зги­наються. Світло розповсюджується по волокну, покірно проходячи всі повороти. Волокно є чудовим світловодом — випромінювання лазера стає майже повністю “замкненим” всере­дині його. У випадку товстих волокон це пояснюється дуже просто: світлові промені, що падають під досить великими кутами всередині волокна на його поверхню, досягають пов­
ного внутрішнього відбиття і в результаті залишаються всередині волокна. Для більш на­дійного затримання світла в середині волокна приймають спеціальні міри: роблять так, щоб показник заломлення волокна був максимальний на осі волокна і повільно зменшу­вався по напрямку до поверхні волокна. Такі волокна називають градієнтними. В звичному товстому волокні світлові промені розповсюджуються по ломаній траєкторії 1 (рис. 4.29), а в градієнтному волокні — по плавно скривлюваній траєкторії 2.

Знаючи закон заломлення, згідно якому nsin і = n’sin і’ можна розрахувати значен­ня кута падіння променя на внутрішню поверхню волокна

/зр = arc sin п’/п, (4.7)

де: п і п’ — показники заломлення відповідно матеріалу волокна і зовнішнього сере­довища.

Наприклад, якщо волокно з п = 1,5 знаходиться в повітрі де п’ = 1, то ігр = 41°48′. Величина іер визначає найбільший кутовий розмір або кутову апертуру променів, які мо­жуть пройти волокно з повним внутрішнім відбиттям. Значення цього кута визначає сту­пінь допустимого вигину волокна без порушень повного внутрішнього відбиття.

Із оптичних волокон компонують волоконні джгути 3, по яких можуть передаватись зображення. Принцип передачі зображення по джгуту волокон досить простий. Світлові промені, відбиті або випромінювані тим чи іншим елементом зображення, уловлюються відповідними волокнами джгута, проходять по всій його довжині і на виході відтворюють різні елементи зображення. В даному випадку важливо, щоб взаємне розміщення волокон на виході джгута було таким же, як і на його вході. В застосовуваних на практиці джгутах кількість волокон може доходити до мільйона.

Однією з основних характеристик волоконної оптики є коефіцієнт пропускання волок­на, тобто величина втрати випромінювання у волокні, віднесена до одиниці довжини во­локна. Втрати вимірюють в одиницях, що називаються децибелами на кілометр (дб/ км). Уявимо собі кілометровий відрізок волокна. Нехай на його вхід надходить світ­ло інтенсивністю /f, а «а виході реєструється інтенсивність /2. Втрати у волокні вимірю­ються кількістю N децибел, яка визначається за формулою:

f = 10""°. (4.8)

‘2

Якщо, наприклад, говорять, що втрати складають (10дб/км), тобто N = 10, то це значить, що в результаті проходження кілометрового відрізку волокна інтенсивність світла падає в ю10/1°, тобто в 10разів. Хоча в геодезичних приладах довжина оптичного во­локна для введення випромінювання в оптичну схему є значно меншою, однаково волокна з великими втратами світла є недоцільними, так як це значно скорочує дальність дії ла­зерних приладів.

Як приклад на рис. 4.30 показана крива поглинання світла волокнами в залежності від довжини.

В нинішній час є волокна з втратами всього (0,2 дб / км) в таких волокнах /, /12 =1,05. Ці волокна виготовляються з кварцового, лантанового, барієвого та інших

типів скла з добавками германія або бора. Крім малих втрат пропускання світла до пере­ваги волоконної оптики слід віднести можливість передачі промодульованого лазерного випромінювання та передачу світла як у видимій частині спектра, так і інфрачервоній і ультрафіолетовій областях.

Найбільш перспективним шляхом передачі лазерного випромінювання по непрямолі — нійному напряму є використання гнучких моноволоконних світловодів [118]. Вони мають велике (до 80%) пропускання світлової енергії в широкому спектральному діапазоні від Л = 1 мкм до ультрафіолетової області і є механічно міцні на вигин [115].

Використання моноволоконних світловодів для передачі лазерного випромінювання потребує вирішення певних технічних задач. Так, наприклад, пристрій введення лазерного випромінювання в світловод повинен виконувати дві основні функції: зменшувати діаметр пучка лазерного випромінювання до значення, яке в 1,5-2 рази менше діаметра світло — вода, і сполучати вісь пучка випромінювання з віссю вхідного торця волокна.

Перша з цих задач виконується фокусуванням лазерного пучка за допомогою лінзи з деякою фокусною відстанню Г, значення якої повинно задовольняти дві умови. По-пер­ше, фокусна відстань лінзи повинна бути достатньо малою, щоб сфокусувати лазерний пучок в пляму досить малого діаметра d

✓ ‘ ■ • •

Ґ <-, (4.9)

г

де у — розбіжність лазерного випромінювання.

Для типових значень d = 0,2 мм; у = 2,9 • 10~3 град фокусна відстань повинна бути не більша 69 мм. З другого боку, значення Г повинно бути досить великим, щоб кут
збіжності пучка випромінювання після лінзи вм був у 1,5-2 рази менший максимального

кута падіння на вхідний торець світловода, при якому в ньому ще виконується умова пов­ного внутрішнього відбиття [122]

(4.10)

де О — діаметр пучка лазерного випромінювання, що падає на лінзу.

Наприклад, при 9и = 0,25 рад D = 4 мм фокусна відстань V повинна бути не менше 8 мм. Таким чином, для введення випромінювання лазера в моноволоконний світ — ловод оптимальною для даного прикладу є лінза з фокусною відстанню біля ЗО -40 мм.

Задача просторового сполучення фокусованого лазерного пучка з вхідним торцем вирішується поперечним зміщенням фокусуючої лінзи і вхідного торця світловода. При цьому похибка взаємного зміщення осі лазерного пучка і осі світловода не повинна пере­вищувати 10% діаметра самого волокна, тобто 0,02-0,04 мм, що є досить складною задачею.

Технологічні проблеми вирішення втрат випромінювання на торцях світловоду, об­умовлені відбиттям частини випромінювання від межі середовищ повітря — кварц при вході і виході лазерного променя, розглянуті в [115]. Теоретично мінімальне значення втрат на кожному. торці складає біля 5% при ідеально відполірованій площині торця.

Комментарии запрещены.