Тема: Выбор оптоволокна для экспериментов

[donavi]

Хочу создать интерферометр Фабри-Перо на основе оптоволокна. То есть между отъюстированными зеркалами будет оптоволокно.
Схема примерно такая за исключениями что я  добавлю фокусирующие линзы. либо лучше как то на концы оптоволокна нанести зеркала.



Интересно это вообще реально сделать или нет?
Задача стоит в выборе подходящего оптоволокна под лазер на 632nm и диэлектрических зеркал которые уже имеются у меня под 650nm.
Какое оптоволокно лучше всего подойдет одномодовое или многомодовое ?
Есть у меня на примете дешевый Китай PMMA многомодовый.
Есть США одномодовый SMF-28 но там написано что рекомендуется для 1310nm.
Что это значит не совсем понял. Это как оптоволокно не будет пропускать 632nm, насколько я помню оптоволокно из кварцевого стекла делается а значит и UV должно пропускать а тут пишут 1310nm.

[Gall]

Нереально в кустарных условиях.

Во-первых, относительно оптоволокна, имеющегося в продаже. Все, что вообще продается - это оптоволокно для работы в ИК-диапазне 1.3 мкм. Делается оно из пластика или специальных сортов стекла. Если волокно называется "одномодовым", значит, оно имеет такую толщину и такие показатели преломления (волокно имеет градиент показателя преломления по радиусу), что в нем нормально распространяется только сигнал одномодового лазера "правильной" длины волны. Зато волна в нем идет строго вдоль оси. Многомодовое волокно имеет более широкий рабочий диапазон, но и сопутствующие этому проблемы - много переотражений по разным путям внутри самого волокна, что делает его ну совершенно бесполезным для задач вроде Фабри-Перо.

Поэтому:

• Если волокно используется тупо для доставки луча, например надо подключить оптоволокном, допустим, фотодиод к интерферометру, то подойдет многомодовое волокно на длину волны, не слишком сильно отличающуюся от длины волны лазера. В принципе может подойти и "какое попало" многомодовое, надо проверять.
• Если нужно сделать интерферометр на оптоволокне, годится только одномодовое волокно и только на "правильную" длину волны - такое оптоволокно не продается.

Есть и совсем экзотический случай - оптоволоконный лазер. В таком лазере волокно используется вместо стержня и делается из примерно того же материала, из которого делают лазерный стержень. Разумеется, не купить нигде и никак - только в составе готового лазера или как запчасть к такому лазеру.

По самой физике интерферометра на волокне. Волокно подразумевается "правильное" одномодовое. Примерная схема такова:

Здесь оптоволокно выступает в роли точечного источника света, совмещенного с приемником света. Зеркало - единственное. В этой схеме очень важно, чтобы торец волокна имел хорошую форму, не имел следов от грубого резания (почти недостижимо кустарно, но если есть хороший бинокулярный микроскоп, прямые руки и навык шлифования линз... можно попробовать).

Нанесение зеркал прямо на торцы волокна применяется только в волоконных лазерах и не имеет иного смысла вообще. Можно ли сделать кустарно? Ну... рекомендую сначала попытаться сделать обычное многослойное диэлектрическое зеркало на стекле. Я не утверждаю, что это невозможно, но в любом случае сначала придется освоить технологию шлифовки линз, работу с высоким вакуумом (диффузионный насос сделать и т.д.) - в общем, все прелести лаборатории 1930-х годов.

Что будет, если в волокно пустить "не ту" длину волны? Сам материал волокна, конечно, для видимого света прозрачен, но этого мало. Нужно еще, чтобы свет удерживался в оптоволокне, а не уходил "в стенку". На длине волны, отличной от номинальной, будут потери, и эти потери могут быть очень велики. Одномодовое волокно на "чужой" длине волны будет вести себя как многомодовое со всеми вытекающими последствиями.

[donavi]

Все же мне удалось найти оптоволоконо под 630nm.
http://www.thorlabs.de/thorcat/6800/630HP-SpecSheet.pdf
То есть в прицепе должен хотя бы паршивенький интерферометр выйти.
Меня больше интересует что будет происходить с фотонами когда они будут пробегать огромные расстояниями между двумя зеркалами интерферометра.
Если допустим подключить 2КМ оптоволокна между двумя зеркалами интерферометра.

[Gall]

Все же мне удалось найти оптоволоконо под 630nm.
http://www.thorlabs.de/thorcat/6800/630HP-SpecSheet.pdf
То есть в прицепе должен хотя бы паршивенький интерферометр выйти.

Волокно у Thorlabs хорошее - ЕСЛИ его удастся купить. На самом деле это и есть та самая мелкосерийка по спецзаказу, про которую я говорил - для лабораторий. У них бывают шокирующие цены вроде $1000 за одну линзочку. Оптоволокно они продают примерно за $20 за метр, но при этом непонятно, какие у них handling fee и что на самом деле есть в наличии.

Меня больше интересует что будет происходить с фотонами когда они будут пробегать огромные расстояниями между двумя зеркалами интерферометра.

Да ничего особенного - от Солнца фотоны дальше проходят.

Если допустим подключить 2КМ оптоволокна между двумя зеркалами интерферометра.

Интерферометр не будет работать. На самом деле проблемы начнутся уже на сантиметрах длины оптоволокна, а не на километрах. (А ничего, что это оптоволокна примерно на 40000 долларов? Может лучше маленький домик в Чехии купить?)

Здесь думать надо в терминах волн света, а не в терминах фотонов. Интерферометр работает, если между зеркалами укладывается определенное число волн света. Если зеркала кривые и стоят криво, т.е. между ними нет определенного расстояния, интерференции не будет. В оптоволокне свет идет по кривым путям ("отражаясь от стенок"), и пройденное светом расстояние оказывается весьма неопределенным. Интерференция будет зависеть не от длины волны света, а от случайных факторов, влияющих на конкретный (и очень запутанный) путь фотона в оптоволокне. Здесь нет разницы, применяется ли одно- или многомодовое волокно, потому что на входе в волокно все равно присутствует много пространственных мод, и любое волокно будет работать (в меру своих сил) в многомодовом режиме.

Интерферометры с использованием оптоволокна всегда создают интерференцию не внутри оптоволокна, а в воздухе. От оптоволокна в схеме играет только самый кончик - "точечный источник света". Остальная его часть в формировании интерференционной картины не участвует. "Растянуть" интерферометр Фабри-Перо с помощью длинного оптоволокна между зеркалами - невозможно. Эта схема просто не будет являться интерферометром, это будет совсем другой оптический прибор.

Попросту говоря: в интерферометре Фабри-Перо огромную роль играют диагональные лучи. В длинном оптоволокне существование таких лучей невозможно.

[Gall]

Вот еще поподробнее про физику явления.

Почему интерферометр Фабри-Перо вообще работает? Потому что у него зеркала достаточно большие. Пусть два фотона вошли в интерферометр. Пусть в какой-то момент эти фотоны оказались в одной точке. Если фотоны одинаковые, то с этого момента они будут отражаться от зеркал одинаково и выйдут вместе. Если фотоны разные, то они будут отражаться другим путем и выйдут порознь. Для каждого вида фотонов есть строго определенные места, где они со временем оказываются. Поэтому на выходе мы видим кольца. Каждому набору колец соответствует один сорт фотонов. Если сортов фотонов (мод) на входе два или три, то кольца будут двоиться или троиться.

Как оптоволокно работает? Вообще-то вот так:

Если два фотона вошли в оптоволокно одновременно, то они вполне могут выйти из него в разное время, потому что пройдут внутри разный путь. Заметим, что фотоны не могут войти в оптоволокно в разных местах, все фотоны входят строго через конец и выходят через конец. Если оптоволокно гарантирует, что одинаковые фотоны, войдя одновременно, выйдут тоже одновременно, оно называется одномодовым. Разные фотоны всегда выходят через разное время.

В общем-то уже видно, что эти два явления друг с другом не сочетаются. Оптоволокну надо, чтобы фотоны оказались в одном месте. Интерферометр пытается развести разные фотоны по разным местам. Поэтому волокно будет мешать интерферометру нормально работать.

Тем не менее, существует конструкция интерферометра с оптоволокном. В ней одно зеркало. Используется тот факт, что все фотоны из оптоволокна выходят через конец, то есть из одного и того же места. При правильном подборе расположения зеркала можно добиться, чтобы фотоны одного сорта отражались обратно в оптоволокно, а фотоны другого сорта уходили мимо. (Можно взять и два оптоволокна, из одного выпускать фотоны, а в другое направлять). Эта конструкция тоже называется интерферометром Фабри-Перо, поскольку ее принцип действия тот же. Длина оптоволокна в ней роли не играет, поскольку сам интерферометр образован в воздухе между концом волокна и зеркалом (использовать зеркало прямо на торце волокна в этой схеме нельзя).

Существует и конструкция с зеркалами прямо на концах волокна, но она используется для других целей и работает на другом принципе. В ней используется свойство одномодовых волокон разделять разные фотоны по времени. Практический смысл это имеет, если фотоны образуются в самом оптоволокне, сделанном из светящегося материала. На этом принципе построены волоконные лазеры.

[donavi]

В общем понятно благодарю за объяснение.

[Gall]

Не за что!

Мда, посмотрел ассортимент и цены на активное волокно - для изготовления лазеров. Ни то, ни другое не радует. Похоже, в любительской практике еще долго оптоволокно будет всего лишь способом доставки лазерного излучения в нужную точку.