Bài thuyết trình Sợi quang học (Fiber Optics) giới thiệu sợi quang, cấu tạo sợi quang, phân loại sợi quang, nguyên tắc hoạt động sợi quang, độ tán sắc, ứng dụng của sợi quang, ưu - nhược điểm của sợi quang.
ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA VẬT LÝ BỘ MÔN VẬT LÝ ỨNG DỤNG SỢI QUANG HỌC (FIBER OPTICS) SEMINAR: I - GIỚI THIỆU SỢI QUANG I I - CẤU TẠO SỢI QUANG III - PHÂN LOẠI SỢI QUANG IV - NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG V - ĐỘ TÁN SẮC VI - ỨNG DỤNG CỦA SỢI QUANG VII - ƯU – NHƯỢC ĐIỂM CỦA SỢI QUANG I – GIỚI THIỆU Ngày biết sợi quang tên gọi dây làm thủy tinh sử dụng tượng phản xạ tồn phần để truyền thơng tin với tốc độ ánh sáng Có ý kiến cho rằng, ánh sáng truyền theo dây thủy tinh thực có từ năm 1840 hai nhà vật lý Collodon Babinet trình diễn thí nghiệm sử dụng tượng phản xạ toàn phần để truyền tia sáng theo tia nước cong phun từ suối nước phun Người trình diễn thí nghiệm gửi hình ảnh theo bó sợi quang học sinh viên y khoa người Đức tên Lamm anh dùng sợi quang học để chiếu rọi hình ảnh bóng đèn điện thắp sáng lên ảnh Trong nghiên cứu Lamm ưu tiên dùng sợi quang để quan sát kiểm tra phận bên thể người bệnh mà mà không cần phải mổ rạch da thịt người Sau khoa học khám phá Laser, nhà nghiên cứu sợi quang xúc tiến mạnh mẽ công nghệ sợi quang ngày trở thành lĩnh vực công nghệ đại quan trọng, gắn liền với ngành công nghệ khác Sợi quang dây nhỏ dẻo truyền ánh sáng nhìn thấy đuợc tia hồng ngoại II- CẤU TẠO SỢI yQUANG y Cladding Core r x Fiber axis n1 Sợi quang gồm phần: phần lõi (core) có chiết suất n1 phần vỏ (cladding) có chiết suất n2 < n1 n2 n Sợi quang có lõi phần bao bọc xung quanh lõi Để ánh sáng phản xạ cách hồn tồn lõi chiết suất lõi phải lớn chiết suất áo chút Vỏ bao bọc bên áo bảo vệ sợi quang khỏi bị ẩm ướt ăn mòn, đồng thời chống xuyên âm với loại sợi bên cạnh làm cho sợi quang dễ xử lý Lõi áo đựơc làm thủy tinh hay chất dẻo Silica, kim loại, fluor, sợi quang kết tinh Chiết suất lớp lõi có hai dạng: dạng khơng đổi dạng có phân bố giảm dần từ Fiber axis 5 Chiết suất phân bố giảm dần từ III – PHÂN LOẠI Sợi quang phân loại theo cấu tạo nghĩa theo phân bố chiết suất quang học lõi chiết suất quang học lớp vỏ Ta gọi sợi quang có chiết suất không đổi sợi quang chiết suất bậc (step – index), dạng có chiết suất thay đổi giảm dần từ sợi quang chiết suất liên tục (graded index) Tùy vào kích thước lõi, sợi quang chiết suất bậc dẫn truyền mode gọi sợi quang đơn mode Còn truyền nhiều mode, đường kính lõi lớn ta gọi sợi quang chiết suất bậc đa mode n2 n1 o n Sợi quang chiết suất bậc đa mode Đối với sợi quang chiết suất liên tục, thường dẫn truyền nhiều mode gọi sợi quang chiết suất liên tục đa mode n2 O O’ O’’ Sợi quang liên tục đa mode 2 n1 n a) Độ tán sắc mode (Modal dispersion) Ánh sáng có nhiều mode, mode khác phản xạ góc khác nhau, mode truyền phức tạp thời gian lâu đòi hỏi đường truyền rộng mode đơn giản (mode bản) Bán kính lõi lớn mode truyền khác nhiều hiệu ứng modal dispersion thể rõ, giải pháp sợi quang đơn mode Nguồn gốc tượng tán sắc mode sợi quang chiết suất bậc việc lượng xung quang (trong tín hiệu nhị phân) mang nhiều mode sóng lan truyền theo quang lộ zig – zag có chiều dài khác có vận tốc Để khắc phục ta sử dụng lõi có bán kính đủ nhỏ để khóa tất trừ mode bản, gọi sợi quang đơn mode, loại trừ mở rộng xung hiệu ứng modal dispersion độ rộng dải thông cao nhiều so với sợi đa mode nghóa xung có thời gian truyền gần nhiều chồng lấp lên Trong sợi quang đa mode, chiết suất bậc, tán sắc chủ yếu tán sắc mode, ánh sáng truyền khoảng cách L sợi quang có thời gian trễ trải rộng khoảng thời gian = T L (1 - ) c1 L c1 (1) Kết có xung với độ rộng là: T L 2c1 (2) Hiện tượng tán sắc mode sợi quang đa mode chiết suất liên tục nhỏ mode sóng có quang lộ dài chuyển động với vận tốc cao mode có quang lộ ngắn T L c1 Độ rộng dải thông: f 1 T (3) (4) Độ rộng dải thông đo lường khả mang liệu sợi quang ( ví dụ sợi quang có độ rộng dải thông 400 MHz – km truyền 400 MHz khoảng cách 1km truyền 20 MHz khoảng cách 20 km) Do mở rộng tín hiệu xung mà làm cho xung chập nhau, phải làm rộng khoảng cách xung, nghóa tốc độ truyền phải giảm xuống, có nghóa độ rộng dải thông giảm xuống Muốn tăng phải giảm , làm giảm độ số sợi quang việc giảm f công nghệ Để giảm tán sắc xuống 1% khó khăn mode, nâng cao độ rộng dải thông chế tạo sợi quang liên tục đa mode b) Độ tán sắc truyền sóng ( Waveguide dispersion ) độ tán sắc vật liệu ( Material dispersion) Sự mở rộng xung xuất xung nguồn (xung đầu tiên) có độ rộng phổ xác định vận tốc nhóm phụ thuộc vào bước sóng, hiệu ứng gọi Waveguide dispersion Material dispersion, hiệu ứng Material dispersion thường lớn Waveguide dispersion - Độ tán sắc truyền sóng: bước sóng khác truyền với vận tốc khác nhau, giải pháp sử dụng nguồn sáng LED Laser để tất tia sáng truyền sợi có bước sóng gần T = D L (5) D hệ số khuếch tán với độ rộng phổ nguồn d2n2 D = - c d (6) Tại bước sóng o= 1.312 m , D = tán sắc biến 40 Dispersion coefficien D (ps/km – nm) -40 D1 -80 -120 -160 -200 0.6 0.7 0.8 0.9 Wavelength 1.0 o 1.1 ( m ) 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 Độ tán sắc vật liệu : kết phụ thuộc vận tốc nhóm mode với tỉ số bán kính lõi bước sóng T Dw Dw L = -W d dw = -( )V2 d2 (8) (v ) dV2 2 co = 0 (7) VI - ỨNG DỤNG Lĩnh vực ứng dụng sợi quang y học nói chúng đặt vào tay bác sĩ y khoa cơng cụ có tính chất cách mạng để hiển thị hình ảnh, chẩn đốn chữa bệnh Những sợi quang mềm mại nhỏ bé luồn sâu vào nhiều phận bên thể người mà bác sĩ thâm nhập phương pháp khác Các bác sĩ hướng nguồn sáng tới bó sợi quang quan sát ánh sáng phản xạ từ quan nội tạng, mạch máu người bệnh để tìm hiểu chi tiết nhỏ Bằng cách phối hợp với kĩ thuật chẩn đoán khác , sợi quang giúp phân tích thành phần máu, đo tốc độ lưu chuyển máu, tính áp suất máu áp suất thẩm thấu màng tế bào, kiểm tra nồng độ tồn độc tố, hormon loại thuốc chữa bệnh bên thể nguời Sợi quang dùng phẫu thuật chữa bệnh laser Ngành thơng tin liên lạc có lẽ ứng dụng nhiều Các hệ thống bên mạng máy tính sử dụng sợi cáp quang để tăng nhanh thời gian chuyển thông tin dùng cho việc vận hành xếp tệp tin Ánh sáng truyền sợi cáp quang vượt qua hàng trăm km trước điện áp bổ sung cần thiết phải đưa vào tín hiệu, cải thiện vượt trội có ý nghĩa so với hệ thống quy ước truyền tin nhờ dòng điện Truyền thông tin nhờ ánh sáng theo cáp quang không tổn hao tổn hao nhiệt so với dùng mạch điện, khơng cần đến hệ thống làm nguội cồng kềnh Dùng ánh sáng khơng bị tương giao thoa sóng điện làm méo tín hiệu thường xảy chuyển thơng tin điện Sợi cáp quang mềm, dễ uốn cong dây đồng tăng điện trở bị uốn Ngồi cáp sợ quang có giá thành rẻ dây đồng nhiều lần Quan trọng sợi quang mang nhiều thơng tin dây đồng Một sợi cáp quang kèm theo giúp đỡ laser điều biến chuyển gọi điện thoại chương trình truyền hình Trong cáp sợi quang thông tin đuợc chuyển thành xung ánh sáng, xung đuợc truyền đến khoảng cách nhờ sợi quang, sau đuợc chuyển thành thơng tin Một số hình ảnh việc sử dụng sợi quang VII - ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM ƯU ĐIỂM An toàn truyền tin Tránh nghe trộm Tổn hao nhỏ Dải thông rộng Khả phức hợp cao Kích thước nhỏ trọng lượng nhẹ Giá vật liệu chế tạo sợi quang rẻ NHƯỢC ĐIỂM Tổn hao cấu bao gồm - Do uốn cong sợi quang - Do khớp nối - Do hàn nối Tổn hao vật liệu: - Hấp thụ xạ hồng ngoại -Tán xạ xạ điện từ: tán xạ tuyến tính phi tuyến THANK YOU FOR ATTENTION ! ... GIỚI THIỆU SỢI QUANG I I - CẤU TẠO SỢI QUANG III - PHÂN LOẠI SỢI QUANG IV - NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG V - ĐỘ TÁN SẮC VI - ỨNG DỤNG CỦA SỢI QUANG VII - ƯU – NHƯỢC ĐIỂM CỦA SỢI QUANG I –... dần từ III – PHÂN LOẠI Sợi quang phân loại theo cấu tạo nghĩa theo phân bố chiết suất quang học lõi chiết suất quang học lớp vỏ Ta gọi sợi quang có chiết suất khơng đổi sợi quang chiết suất bậc... từ sợi quang chiết suất liên tục (graded index) Tùy vào kích thước lõi, sợi quang chiết suất bậc dẫn truyền mode gọi sợi quang đơn mode Còn truyền nhiều mode, đường kính lõi lớn ta gọi sợi quang