1.3.1. Визначення числового значення коефіцієнта n.

Необхідно задатися величиною числа n, яке входить до складу виразу (1) і характери­зує діаграму спрямованості ДС. Для СВД приймаємо n = 1; для напівпровідникового лазе­ра величину n приймаємо рівною одному з можливих його значень, що лежать в діапазоні від 5 до 15 (конкретне значення числа n для лазерного ДС задає для кожної бригади керів­ник лабораторних робіт).

1.3.2. Визначення числової апертури вс.

З курсу лекцій відомо, що числова апертура NA ВС визначається синусом найбільшо­го кута падіння свтлового променя на торець світловедучого осердя ВС, за якого він, по­трапивши в об’єм світловедучого осердя, ще буде каналюватися ним. Виходячи із цього, для визначення NA слід було б зформувати тонкий світловий промінь з плоским хвильо­вим фронтом, спрямувати його на торець світловедучого осердя ВС і поступово збільшу­ючи кут його падіння на поверхню торця ВС визначити, за якої величини цього кута ін­тенсивність світлового потоку, що виходить з вихідного кінця ВС почне швидко зменшу­ватися. Визначений таким чином кут і буде визначати апертуру ВС. Одначе, визначення NA таким способом в лабораторних умовах, співпряжене з серйозними апаратурними труднощами.

Значно простішим, в сенсі його практичної реалізації, є метод визначення апертурного кута ВС, який грунтується на відомому з оптики принципі зворотності ходу оптичних про­менів. Суть цього методу полягає в тому, що оптичний потік вводиться в ВС таким спосо­бом, щоб у його світловедучому осерді збуджувалися всі можливі моди (типи коливань). Практично це можна реалізувати, вводячи в ВС оптичний потік, наприклад, від лазера за допомогою короткофокусної лінзи. В такому разі випромінювання з ВС буде виходити та­кож під всіма можливими кутами нахилу до його осі, при цьому максимальний вихідний кут випромінювання і буде апертурним кутом для даного ВС. Розташувавши вихідний то­

р ець ВС на певній висоті Н над деяким екраном, що дифузно розсіюює світло (наприклад, над бі­лим аркушем паперу), отримаємо на ньому світну пляму певного діаметра D. Схема проведення цьо­го досліду зрозуміла з мал. 3. Визначивши експе­риментально величини Н і D за допомогою, на­приклад, звичайної учнівської лінійки, числову апертуру ВС NA можна розрахувати за виразом:

(2)

При визначенні числової апертури таким способом, слід використовувати лазер, який генерує оптичний потік у видимому діапазоні довжин хвиль, що значно полегшує прове­дення цього експерименту. В якості такого лазера можна використати, наприклад, будь-який із широко розповсюджених типів Не-Ne лазерів, які генерують червоне світло з дов­жиною хвилі 628,3 нм.

В даній лабораторній роботі для експериментального визначення NA використовується Не-Ne лазер типу ЛГН-105, змонтований на одній оптичній лаві з короткофокусною мік­ролінзою (F = 5 мм) та трикоординатним мікропозиціонером, що має затискач для закріп­лення в ньому кінця ВС. Для забезпечення якісного введення в ВС оптичного потоку (з максимально можливою потужністю), слід належним чином підготувати поверхню його вхідного торця: вона має бути рівною (плоскою), орієнтованою перпендикулярною до осі ВС, та чистою (вільною від будь-яких сторонніх часток). Це досягається механічним ско­лом кінця ВС після попереднього нанесення на його бічну поверхню подряпини, перпен­дикулярної до осі ВС, гострим твердотільним інструментом. В якості такого інструменту можна використовувати алмазну вставку різака для різання скла, гострий скол твердого кристалу, наприклад рубіну, загострений твердосплавний різець, тощо. Слід зауважити, що отримання якісного сколу кінця ВС потребує певних навичок і якщо з першої спроби не вдалося отримати належної якості сколу, то ці спроби слід повторювати до отримання бажаного результату. Критерієм якості сколу вхідного торця ВС є реалізація введення в ВС оптичного потоку, достатнього для проведення експерименту рівня потужності, що оцінюється візуально по рівню яскравості світної плями на поверхні екрану за вихідним торцем ВС. У випадку БМ ВС ця пляма має бути чіткої круглої форми, що утворюється із великої кількості дібних світлих плямин, кожна з яких є світним слідом окремої світлової моди, які всі разом формуються і розповсюджуються в осерді ВС. Щонайменша деформа­ція ВС приводить до зміни умов формування мод та перерозподілу енергії між ними, що візуально сприймається як хаотичний рух згаданих дібних світлих плямин (як їх хаотичне перемішування) в межах спільної для них великої світної плями.

Якщо ж вихідна пляма на екрані має спотворену (не круглу) форму  це свідчить про те, що вихідний торець ВС не має належної якості сколу (він, наприклад, може бути чи­мось забрудненим) і для успішного проведення експерименту цю якість слід забезпечити таким же способом, як це проводилося при формуванні якісного сколу на вхідному торці ВС. Додатковим критерієм якості вихідного торця ВС може слугувати ще й така ознака: якщо споглядаючи вихідний торець ВС збоку (під кутом, що значно перебільшує апертур­ний), ми бачимо, що він “світиться”, це однозначно свідчить про його погану якість  світ­ло через торець ВС, який має хорошу якість, виходить назовні тільки в межах порівняно вузького апертурного кута. Для того, щоб отримати хорошу якість торця, формування йо­го сколу слід повторювати доти, поки він не буде “світитися” при спостеріганні його за межами його апертурного кута. При цьому світна пляма на екрані, що утворюється випро­мінюванням, яке виходить з торця, також набуде форми чіткого круга.

При наступному проведенні цього ж експерименту по визначенню числової апертури для ОМ ВС слід бути готовим до того, що на екрані буде видно не одну світну плямину, як того слід було б очікувати для ОМ ВС, а кілька. Пояснюється це тим, що досліджувані ОМ ВС розраховані на використання їх для роботи у третьому вікні прозорості кварцу, що відповідає довжині хвилі  = 1,55 мкм, і за такої довжини хвилі ці ВС дійсно здатні кана­лювати лише одну, центральну, моду. При збудженні ж цього ВС світлом від Не-Ne лазе­ра, що генерує світло зі значно меншою довжиною хвилі ( = 0,633 мкм), в осерді ВС мо­же (і буде) формуватися більше ніж одна мода (реально їх може бути від 3 до 5). Очевид­но, що результат вимірювання числової апертури ВС “по одній” з таких мод, буде дуже заниженим. Вимірювання ж числової апертури “по всіх модах” хоча дасть трохи і завище­ний результат, та все ж він буде значно ближчим до його реальної величини. Для кращого проведення вимірювання на екрані діаметра світної плями від ОМ ВС, під час вимірюван­ня геометричних параметрів за мал.3, одному із членів бригади слід безперервно трохи де­формувати вільну частину ВС (досить просто “ворушити” її) для того, щоб відбувалася зміна умов формування мод та відбувався перерозподіл енергії між ними, щоб положення світних плям на екрані весь час змінювалося в межах загальної світної плями.