CC BY
205
Сведения об авторах
— студент; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра теплофизики; E-mail: [email protected]
— ФГУП „НИИ промышленной и морской медицины", Санкт-Петербург, руководитель группы
— д-р техн. наук, профессор; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра электроники; E-mail: [email protected]
— канд. биол. наук; Институт физиологии им. И. П. Павлова РАН, Санкт-Петербург
Поступила в редакцию 07.12.09 г.
УДК 535.551
Е. М. Никущенко
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ОСВЕТИТЕЛЬ ДЛЯ СИСТЕМЫ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВОДЫ
Рассмотрены возможности применения волоконно-оптического осветителя с нарушенным полным внутренним отражением в устройствах обеззараживания воды. Представлены результаты экспериментального моделирования осветителя, выполненного в виде катушки многомодового оптоволокна. Обозначены практические проблемы создания волоконно-оптического осветителя.
Ключевые слова: светоизлучающий диод, волоконный световод, обеззараживание воды.
Введение. Проблема разработки компактных эффективных устройств обеззараживания питьевой воды, принцип действия которых основан на ее облучении ультрафиолетовым светом, приобрела в последние годы особую актуальность. Создание недорогих мощных лазерных и светоизлучающих диодов видимого и ультрафиолетового диапазонов волн обусловило возможность их практического использования в таких устройствах. Заслуживает внимания и применение в качестве осветителя волоконных световодов (ВС), в том числе многомодовых световодов с нарушенным полным внутренним отражением света. Это явление возникает вследствие изгиба или скручивания оптоволокна, выбор типа и размеров (геометрии) которого должен производиться в соответствии с наибольшей светоотдачей излучения из световода в окружающую среду (неочищенную воду).
В настоящей статье представлены результаты моделирования оптоволоконного осветителя, выполненного в виде катушки кварцевых волокон с различными диаметрами серцевины. Полученные в ходе экспериментов данные позволяют сделать вывод о перспективности развития работ в данном направлении и возможности применения специализированных оптических волокон, снабженных эффективной системой ввода в него УФ-излучения.
Физические основы метода. Применительно к геометрической оптике изгибы либо скручивание волоконного световода приводят к нарушению условия полного внутреннего отражения света на границе сердцевина — оболочка ВС и, как следствие, к дополнительным
Алексей Анатольевич Воронин
Игорь Алексеевич Дмитриев Геннадий Николаевич Лукьянов
Лариса Александровна Рыбина
Рекомендована кафедрой электроники СПбГУ ИТМО
радиационным потерям — передаче световой энергии от направляемых мод ВС к оболочеч-ным. Радиационные потери излучения в ВС ( а ) непосредственно зависят от радиуса Я изги-
ба оптоволокна:
а = А
ехр(-ВЯ)
4Я
где А, В — коэффициенты, зависящие от размеров сердцевины и оболочки ВС и их показателей преломления [1—3].
Критическое значение радиуса Я, при котором дополнительные радиационные потери в ВС резко возрастают, зависит от соотношения радиусов Я и а (где а — радиус сердцевины ВС), величины числовой апертуры Ыа оптоволокна и вида функции радиального распределения показателя преломления ВС — ступенчатой, треугольной или градиентной. Чем больше радиационные потери излучения в ВС, тем соответственно выше эффективность вывода излучения через боковую поверхность световода в окружающую среду.
При использовании многовитковой катушки оптоволокна возможен практически полный вывод излучения из сердцевины ВС во внешнюю среду, при этом локальная интенсивность излучения такого волоконного осветителя (Р) убывает по длине катушки в соответствии с законом Бугера — Ламберта — Бера:
Р = Роехр(-р z),
где в — интегральный коэффициент радиационных потерь в ВС, 2 — координата точки наблюдения вдоль оси катушки.
Коэффициент потерь в зависит от соотношения а /Я, величины числовой апертуры ВС и длины волны излучения (А,), которая, в свою очередь, зависит от величин показателей преломления сердцевины ( П1) и оболочки ( п2) ВС, а следовательно, от величины числовой апертуры Ыа световода, равной
ЫА = >/П12 - П22 .
Номенклатура современных волоконных световодов, как кварцевых, так и полимерных, весьма разнообразна. Выбор конкретного типа световодов, применяемых в осветителях установок для обеззараживания воды, должен производиться с учетом требуемых характеристик осветителя и является самостоятельной задачей.
Моделирование волоконно-оптического осветителя. Оптическая схема экспериментальной установки для моделирования волоконного осветителя показана на рис. 1. В качестве источников света 1 использовались гелий-неоновый лазер (А = 633 нм), твердотельный лазер (А = 532 нм) и светодиоды красного, оранжевого и ультрафиолетового диапазонов спектра.
Излучение вводилось в оптоволокно посредством микрообъектива 2 кратностью 20х, точная настройка ввода производилась с применением трехкоординатного микропозиционера 3. Визуальный контроль эффективности ввода излучения осуществлялся посредством отображения на экране 7, расположенном перед выходным концом 6 световода. Интенсивность излучения с боковой поверхности катушки оптоволокна 4 фиксировалась с помощью универсального люксметра 5 марки ТКА. Перед фотоприемным окном люксметра располагалась щелевая диафрагма шириной 2 мм, щель находилась на расстоянии 3 мм от поверхности
Рис. 1
катушки, сканирование рабочей поверхности осветителя производилось перемещением фотоприемника (люксметра) вдоль всей длины Ь намотки катушки.
Параметры исследованных световодов и размеры катушек (бобин) приведены в табл. 1, где г — диаметр катушки осветителя, 2а и 2Ь — диаметр сердцевины и оболочки ВС соответственно.
_Таблица 1
Номер катушки осветителя г, мм 2а, мкм 2Ь, мкм Ь, мм
1 22 185 400 16
2 32 185 400 7
3 6,8 70 135 46
4 17 30 110 22
5 8 70 135 38
6 10,5 100 200 50
7 5 45 125 58
При больших диаметрах катушки (г =
5.. .20 мм) излучение вдоль поверхности осветителя было сравнительно равномерным. При изменении условий ввода излучения в ВС посредством микропозиционера (при возбуждении разных групп мод световода) достигается неравномерное либо почти однородное распределение яркости поверхности осветителя. При малых (г = 5.7 мм) диаметрах катушки вследствие интенсивной светоотдачи излучения через боковую поверхность световода распределение яркости поверхности осветителя существенно изменяется вдоль длины катушки.
На рис. 2 изображена катушка осветителя № 1 (см. табл. 1), показано эффективное возбуждение оболочечных мод ВС зеленым светом.
На рис. 3 графически представлены примеры экспериментального распределения интенсивности излучения вдоль поверхности волоконного осветителя (катушка № 6), возбуждаемого красным (кривые 1, 2) и зеленым (кривые 3—5) светом при Л =633 нм и л =532 нм соответственно. (Нумерация Рис- 2 кривых соответствует номеру эксперимента.) Рас-
хождения в величинах максимумов кривых вызвано изменениями режимов возбуждения световодов (разными значениями эффективности ввода излучения в световоды). Р, о.е.
200
150
100
50
0
3
Ь, ммх4
4 5 6 Рис. 3
Оценка особенностей использования волоконного осветителя. При возбуждении рассмотренных образцов волоконных осветителей излучением УФ-светодиодов на длине волны 360 нм (использовался светодиод типа Е0360-К5^С015 мощностью около 0,5 мВт)
интенсивность излучения с боковой поверхности катушек оптоволокна была на уровне предела чувствительности люксметра (менее 1 мкВт). Этот результат естественен, принимая во внимание малую (менее 10 %) эффективность ввода УФ-излучения светодиодов в кварцевые световоды рассмотренных выше типов. Очевидно, что для создания волоконного осветителя необходимы источники УФ-излучения большей мощности и с улучшенными характеристиками расходимости излучения для его эффективного ввода в оптоволокно.
На основании результатов исследований волоконного осветителя в красном и зеленом свете были получены оценки его характеристик при использовании в ближней УФ-области спектра при А=350 нм. Результаты изменения интенсивности излучения вдоль поверхности волоконного осветителя № 6 приведены в табл. 2, где Р^ — снижение интенсивности, АР — относительная величина снижения интенсивности при шаге измерений 4 мм.
_Таблица 2
Номер эксперимента Р, о.е., при 2 = 8 мм Р, о.е., при 2 =12 мм АР
1 (633 нм) 13,4 10,4 0,78
2 (633 нм) 23,8 17,8 0,75
3 (532 нм) 93,9 74,5 0,79
4 (532 нм) 128,1 104,3 0,81
5 (532 нм) 180,3 150,5 0,83
При красном свете среднее значение Ар составляет 0,773, при зеленом — 0,82, т.е. уменьшение длины волны (от красного света к зеленому) в 1,19 раза привело к увеличению коэффициента спада яркости примерно в 1,06 раз. Число М мод ВС равно
2п2а\т 2 М ЫА .
А2
Интенсивность излучения, рассеянного в результате радиационных потерь на изгибах оптоволокна, приблизительно пропорциональна полному числу мод. Принимая это во внимание, можно допустить, что и относительная величина АР возрастает с уменьшением значения А по степенному закону с показателем, примерно равным 1,5—2,0 (следует учитывать, что числовая апертура Ыа кварцевого оптоволокна в УФ-диапазоне больше, чем в зеленой и красной областях спектра). В результате при А = 360 нм согласно приближенным оценкам расчетное значение Ар « 1,2...1,5. Следовательно, при заданных характеристиках осветителя (см. табл. 1) ожидаемый спад интенсивности УФ-излучения вдоль его поверхности будет существенно выше, чем при возбуждении зеленым и красным светом. Это указывает на необходимость не только тщательного расчета условий ввода УФ-излучения в световод волоконного осветителя, но и учета его общей геометрии (диаметров сердцевины оптоволокна и катушки, общего числа витков и др.).
Для получения равномерного светового потока вдоль осветителя достаточно большой (несколько десятков миллиметров) длины необходимо обеспечить оптимальное соотношение радиуса изгиба оптоволокна (диаметра катушки) и размера сердцевины световода. Количественная оценка такого соотношения может быть получена в результате теоретических и экспериментальных исследований.
Проблемы эффективного ввода излучения светодиодов в оптоволокно. Вопросы эффективного ввода излучения полупроводниковых лазеров и светодиодов в оптоволокно активно обсуждались еще в начале 70-х гг. прошлого века [1—3]. Основной результат теоретических и экспериментальных исследований по данной проблеме заключается в необходимости точного согласования линейных и угловых апертур волоконного световода и излучателя. При прямой стыковке оптоволокна с ламбертовским излучателем, который в хорошем приближении отражает свойства светоизлучающих диодов, показатель эффективности ввода излучения в ВС (отношение мощности излучения, введенного в сердцевину ВС, к мощности
излучателя) прямо пропорционален квадрату числовой апертуры оптоволокна. Распространенными методами также являются иммерсия и использование фокусирующих оптических элементов, например микролинз, граданов или стеклянных шариков диаметром порядка нескольких миллиметров [4]. При этом диапазон значений показателя эффективности ввода излучения весьма широк: от 5—50 % для светоизлучающих диодов до 30—90 % для лазерных излучателей.
Основная трудность при создании высокоэффективных устройств фокусировки излучения светодиодов в оптоволокно заключается в сравнительно больших размерах излучающей области диодов (десятки и сотни микрометров). Изображение излучающего тела свето-диода, сформированное оптической системой фокусировки на торце оптоволокна, по своим размерам часто превышает площадь сечения жилы световода, при этом угловой спектр вводимого излучения существенно превышает угол захвата излучения оптоволокном.
Наилучшим решением проблемы эффективного ввода излучения светодиода в оптоволокно является их прямая стыковка, осуществляемая в технологическом процессе изготовления модуля-излучателя, жестко связанного с оптоволокном (тип „пигтейл"). Затруднением при использовании в волоконных осветителях светоизлучающих диодов коммерческого типа является наличие в них коллиматоров и другой фокусирующей оптики, аберрации которой обычно слишком велики и не позволяют сфокусировать изображение светящегося тела таких светодиодов до размеров, близких к размерам световодной жилы оптоволокна. Это затруднение может быть преодолено созданием специализированных светоизлучающих и лазерных диодов для массового использования в приборах оптического обеззараживания воды.
Заключение. Результаты выполненных экспериментов показывают принципиальную возможность создания волоконно-оптического УФ-осветителя для установки по обеззараживанию питьевой воды, принцип действия которой основан на явлении нарушенного внутреннего отражения света в оптоволокне.
При использовании в волоконном осветителе обычных коммерческих кварцевых оптических волокон с диаметром световодной жилы порядка 100—200 мкм предельный радиус изгиба волокон составляет примерно 4—7 мм. Возможным способом создания эффективных волоконных осветителей с внешним диаметром катушки 5—10 мм является использование в них специализированного полимерного оптоволокна.
Для реализации экономичного волоконного осветителя весьма важным является успешное решение проблемы эффективного ввода излучения в оптоволокно с КПД не менее 50 %.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Основы волоконно-оптической связи / Пер. с англ.; Под ред. Е. М. Дианова. М.: Сов. радио, 1980.
2. Мурадян А. Г., Гольдфарб И. С., Иноземцев В. П. Оптические кабели многоканальных линий связи. М.: Радио и связь, 1987.
3. Гроднев И. И., Ларин Ю. Т., Теумин И. И. Оптические кабели. М.: Энергоатомиздат, 1991.
4. Сложные дифракционные преобразователи волновых полей (дифракционные элементы) // Методы компьютерной оптики / Под ред. В. А. Сойфера. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003.
Сведения об авторе
Евгений Михайлович Никущенко — Санкт-Петербургский государственный университет информационных
технологий, механики и оптики, кафедра твердотельной оптоэлектро-ники; зав. лабораторией; E-mail: [email protected]
Рекомендована кафедрой Поступила в редакцию
твердотельной оптоэлектроники 07.12.09 г.
