塑料光纤传光原理

质是光密介质，折射率小的传输介质是光疏介质，对于POF而言，POF芯材为光密介质，POF皮材为光疏介质，由于光在光密媒介－芯材中的传播速度会降低，故光在芯材中的传输速度慢于皮材中的传输速度;在空气中，由于n≈1，光波的传播速度接近于真空中的传播速度C；纯PMMA的折射率为1.49,故光在其中的传输速度约为2.01×108m/s。
　 光在均匀媒质或不均匀媒质中传输时，满足费玛(Fermat) 原理，即光从空间一点到另一点是沿着时间为极值的路程而传播的，即光沿着光程为最小或最大或恒量的路径传播。

3． 几何光学理论

　 要了解POF传光原理，必须了解一些几何光学的知识。
　 首先光学分为几何光学和物理光学，几何光学是研究光在均匀介质中的传播特性，通常采用直线来描述，它是研究光在介质中传播的基础光学理论。物理光学又分为波动光学和量子光学,波动光学认为光是一种电磁波，但它不能解释光的微观现象;量子理论认为光的能量不是连续分布的，光是一粒粒运动着的光子组成，每个光子具有确定的能量。几何光学理论的四大基本定律为：
3.1 光的直线传播定律：在各向同性的均匀介质中，光是沿直线传播的。
3.2 光的独立传播定律：不同光源发出的光线从不同方向通过某点时，彼此不影响，各光线的传播不受其它光线影响。
3.3 光的反射定律：当一束光投射到某一介质光滑表面时，保存一部分光反射回原来的介质，这一光线称为反射光线，反射光线、入射光线和法线位由于同一平面内，入射线同法线组成的角称为入射角，反射光线同法线组成的角称为反射角，反射角等于入射角，即θ1=θ3, 其绝对值相等，这就是反射定律。

3.4 光的折射定律：当一束光投射到某一介质光滑表面时除了有一部分光发生反射外，还有一部分光通过介质分界面入射进第二传输介质中，这一部分光线称为折射光线，折射光线和入射光线分别位于法线的两侧，折射光线位于入射光线和法线所决定的平面内。折射光线同法线组成的角称为折射角，入射角的正弦值同折射角正弦值的比值为一恒定值，这就是折射定律。需要指出的是采用几何光学分析光在某一研究对象中的传输特性时，这一研究对象的几何尺寸必须远远大于所传输的光波长，这样才能忽略波长的长度，否则就必须采用物理光学分析光在研究对象中的传输特性。也即是光纤纤芯直径是所传播光波长的几十倍或几百倍时，其传播现象就可用几何光学而不用波动光学来研究。

4． 子午光线在阶跃型POF中的传输
　? 阶跃型POF是一种具有芯皮结构的光纤。
　 子午平面指的是包含有光纤轴的平面，所谓子午线，就是光线的传播路径始终在同一平面内，子午光线总是和光纤轴相交的，光在一种均匀介质传播时是一种直线式传播：当光从一种介质传至另一介质表面时，一般同时发生反射和折射；如果光从折射率小的光疏介质射入折射率大的光密介质时，则折射角小于入射角；而当光从光密介质射入光疏介质时折射角将大于入射角，因而当光从光密介质射入光疏介质时就有可能出现只有反射而无折射的现象，这就是全反射，全反射是光折射的一种边界效应，即光从一种透明介质进入到另一种介质里而发生弯曲的现象。POF就是通过全反射原理进行光传输的。

? 由折射定律公式可得出：
n1sinθ1=n2sinθ2 (4)
这里n1、n2分为芯皮折射率，θ1、θ2分为入射角和折射角，设发生全反射的临界角为θm，此时θ2=90°，故而
当入射角θ1>θm时，则光在芯皮界面上发生全反射，而当入射角θ1<θm时，则光在芯皮表面上出现折射，有一部分光从芯材泄漏至皮层外。由全反射临界角同样可推出光纤截面临界入射光纤角θ0，在空气和光纤截面界面上，同样有：
n0sinθ0 = n1sin (90°—θm)
= n1cosθm
　 其中，n0为空气折射率，设定其值同于真空折射率值1.0 即 n0=1.0，因而
　? 即外界光入射角θ小于θ0时，光线才能在光纤中以全反射的形式向前传播，从光纤一端传至光纤另一端，所以，光纤临界接受角为：
故光在SI POF光纤的传输方式为全反射式锯齿型。
　 光纤数值孔径是光纤一个重要指标之一，NA值越大，则θ0越大，光纤临界入射角越大，则光纤端面接受光或发射光角度越大，光纤的集光能力愈强，愈便于光纤同光纤连接或同光源耦合。常规POF的光纤数值孔径参见如下表。
　　　? 表 常规POF的光纤数值孔径参
　　　　　 ? POF　　　 PS芯POF PMMA芯POF PC芯POF（ESK-PH） 侧面发光POF
　　　　　 芯材折射率 1.59　　 1.495　　　 ? 1.59　　　　　?1.475
　　　　　 皮材折射率 1.49　　 1.402　　　　 1.31　　　　　 1.34
　　　　　? 数值孔径NA 0.55　　 0.5　　　　　 0.9　　　　　? 0.65
最大入射角或发射光角度/度 67　 60　　　　　? 128　　　　　　 75

5． 子午线在阶跃型光纤中的几何行程和反射次数
　 由于子午光线入射光纤中并不是同一角度，故而其在光纤中的几何行程也不相同。无论是子午线在光线中的行程计算公式还是反射次数计算公式，都是假定光纤是处于非常理想状态下：光纤非常直，光纤直径均匀，光纤内部无缺陷和光纤入射端面平直等，倘若光纤不在这一理想条件下，则入

上一页  [1] [2] [3] [4]  下一页