Материал подготовлен Анастасией Джарты
Числовая апертура - синус максимального угла падения луча света для оптических приборов, или же синус максимального входного угла волновода или оптоволокна.
Есть два различных значения термина «числовая апертура» (ЧА), используемых в контекстах волоконной оптики и оптики изображений.
Числовая апертура оптического волокна или волновода
В лучевой (геометрической) оптике луч можно рассматривать как световой пучок, который распространяется в воздухе и попадает в сердцевину (перпендикулярно разрезу) волокна со ступенчатым профилем показателя преломления с большой площадью поперечной моды. Числовая апертура (ЧА) волокна - это синус максимального угла падения луча по отношению к оси волокна, при котором свет входит в сердцевину и далее распространяется по волокну. ЧА определяется как разница показателей преломления сердцевины и оболочки,
которое может быть определено также из условия, что луч вводится в волокно под углом полного внутреннего отражения. Здесь, n0 -показатель преломления среды вокруг волокна, который близок к 1-в случае воздух.
Аналогичным образом, ЧА также может быть определена и для других видов волноводов.
Для описания распространения света в волокнах с малой площадью сердцевины (например, для одномодового волокна) необходимо рассматривать волновую природу света. Геометрическая оптика не может быть использована для описания распространения света в таких волокнах. Однако приведенное выше уравнение все еще может быть использовано для расчета ЧА через показатели преломления. Сложнее расчет ЧА для непрямоугольного (неступенчатого) профиля показателя преломления.
Высокой числовой апертуре соответствует большая расходимость пучка на выходе из оптического волокна, но также эта расходимость излучения зависит от диаметра сердцевины. Для волокон с профилем показателя преломления, отличным от ступенчатого (то есть в таких, где сердцевина не имеет постоянного показателя преломления), эффективная числовая апертура может быть определена на основе эквивалентного ступенчатого профиля показателя преломления. Иначе, ЧА можно вычислить, зная максимальный показатель преломления в сердцевине.
Для одномодового волокна ЧА, как правило, порядка 0.1, но может варьироваться примерно от 0.05 до 0.4. Многомодовые волокна обычно имеют более высокую числовую апертуру, например, 0.3. Очень высокие значения возможны для фотоннокристаллических волокон.
Для волокон с большой ЧА:
- Для заданной площади моды, волокна с более высокой ЧА лучше проводят свет, т.к. они в целом поддерживают большее число мод.
- В одномодовых волокнах меньше диаметр сердцевины волокна. Соответствующая площадь моды меньше, а расхождение пучка на выходе из волокна больше. Нелинейные свойства волокна, соответственно, больше. С другой стороны, одномодовые волокна с большой площадью моды должны иметь низкую ЧА.
- Уменьшаются потери на изгибах волокна; волокно может быть более сильно согнуто прежде, чем потери изгиба становятся существенными.
- Уменьшается чувствительность свойств волокна к случайным колебаниям показателя преломления (для волокон с большой площадью моды с низкой ЧА это может быть проблемой).
- Более высокая концентрация примеси (например германия), как требуется для создания большой разницы показателей преломления, может увеличить потери за счет рассеяния.
