光纖傳光范文

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1．前言

光纖自身不能發(fā)光，但光纖可以傳光，用于照明；光纖照明所選用的光纖，按照光纖材質(zhì)的不同，通?？煞譃槭⒐饫w、多組分玻璃光纖和塑料光纖POF等，本文主要介紹POF的傳光原理，其它的光纖傳光原理同POF的傳光原理是一致的。

人們很早就觀察到光在透明柱體中通過多次全反射向前傳播的現(xiàn)象，他們就是古代的玻璃吹制藝人。而首次科學(xué)闡述這一現(xiàn)象的，卻是英國皇家學(xué)會的約翰·丁達爾向英國皇家學(xué)會演示了一個著名的實驗，他當時用一只盛滿水的器皿，讓水從器皿的側(cè)孔中流出，這時投射在水中的光也隨著水流傳導(dǎo)出來。

1880年，威廉·惠勒(WilliamWheeler)提出“管道照明”的設(shè)想，并獲得美國專利，這是有案可查的最早的“遙控照明”裝置，其基本原理是：用內(nèi)壁涂有反射層的管子把中心光源的光象自來水一樣引至若干個需要照明的地點,這實際上是光纖用于照明的雛形，光纖照明系統(tǒng)簡單地就可以看作是和上述的“管道系統(tǒng)”相類似的一個系統(tǒng)，在這個系統(tǒng)中，所傳輸?shù)慕橘|(zhì)是光，而用以傳輸光的“管道”就是光纖，光纖可以把光線從光源處傳輸至需要照明的特定區(qū)域。1954年，《自然》雜志發(fā)表了Hopkin''''s和Kapany成功地用一束10,000到20,000的纖維來傳輸圖像的文章,VanHeel發(fā)現(xiàn)低折射率光纖包層的作用，纖維的圖像傳輸?shù)某晒崿F(xiàn)和光纖包層的提出這兩個進步標志著光導(dǎo)纖維作為一個新興學(xué)科的誕生,1966年,英國標準電信研究所英籍華裔科學(xué)家高錕(K.C.Kao)博士和G.A.Hockham在詳細研究了玻璃的傳輸損耗后,撰寫的文章《用于光頻的介質(zhì)纖維表面波導(dǎo)》發(fā)表在倫敦電氣工程師協(xié)會（IEE）會刊上，他們從理論上指出:如果減少或消除光導(dǎo)纖維中的有害雜質(zhì)如過渡金屬離子，可大大降低光纖傳輸損耗,提高光纖的傳光能力，從而推動了光纖制造工藝的研究。美國杜邦DuPont公司亦在這一年向市場推出了世界上第一根POF[1]，POF就是光纖的一種,而光纖用于光纖照明的基本原理是利用光線在不同折射率介質(zhì)的界面發(fā)生全反射，實現(xiàn)光在光纖中的高效傳輸以及光纖與光源的充分耦合，并通過與各種光學(xué)元件的組合，達到需要的照明效果，為了解光在光纖中的傳輸方式,現(xiàn)介紹子午光線在POF中的傳輸特性。

2．光的基礎(chǔ)知識

光是通過光源內(nèi)大量的分子或原子振動而產(chǎn)生的輻射。1894年，麥克斯韋從理論上指出，光是一種電磁波，1905年愛因斯坦提出光是一粒一粒的粒子流，每個粒子可被稱為光子。也就是說光既具有粒子性，又具有波動性，光在傳播時表現(xiàn)為波動性，而與物質(zhì)作用時又表現(xiàn)為粒子性。通常我們所說的光是電磁波的一種，它通常由紫外光、可見光和近紅外光組成，其中1-390nm波段的光為紫外光UV，波長為280-300nm波段為UV-B，它的強光可以殺死或嚴重損傷地球上的生物;200-280um波段為UV-C，它的強光可以殺死地球上一切生物，包括人類,比紫外光頻率更高的還有X光和γ射線等;390-760nm波段的光為可見光；波長在760-1500nm為近紅外光，中紅外波段波長范圍為1.5-25μm，遠紅外光譜波長范圍25-300μm,比遠紅外光頻率更小或波長更長的有毫米波、微波、短波、中波和長波等。而可見光又是由七色光組成的，即可見光含有紅色光、橙色光、黃色光、綠色光、藍色光和靛青光等色光[2]：?

紫色/nm靛青/nm藍色/nm綠色/nm黃色/nm橙色/nm紅色/nm

390-430430-450450-500500-570570-600600-630630-760

國際照明委員會統(tǒng)一規(guī)定的標準是：選水銀光譜中波長為700nm的紅光為紅基色光，波長為546.1nm的綠光為綠基色光,波長為435.8nm的藍光為藍基色光。常規(guī)POF一般在紫外光波段并沒有很好的透光性，而石英光纖和特制的液芯光纖在這一區(qū)域有很好的透光率，POF在可見光區(qū)域有很好的透光率，由POF芯材選用氟化和氘化聚合物材料制備的POF在近紅外光區(qū)域才有很好的透光率。

光在真空中的傳播速度C為3×108m/s，光的傳輸波長λ，頻率f和光速C之間關(guān)系參見如下公式:

C=fλ……………………(1)

其中f的單位為赫茲Hz或1／秒(s)，波長的單位為米(m)。

只有真空的折射率n為1.0，故光在任一傳輸介質(zhì)的傳播速度V是光速除以該介質(zhì)的折射率，即：

光在真空中的傳播速度是最快的，傳輸介質(zhì)不同，其折射率不同，傳光速度也不同。相對而言，折射率大的傳輸介質(zhì)是光密介質(zhì)，折射率小的傳輸介質(zhì)是光疏介質(zhì)，對于POF而言，POF芯材為光密介質(zhì)，POF皮材為光疏介質(zhì)，由于光在光密媒介－芯材中的傳播速度會降低，故光在芯材中的傳輸速度慢于皮材中的傳輸速度;在空氣中，由于n≈1，光波的傳播速度接近于真空中的傳播速度C；純PMMA的折射率為1.49,故光在其中的傳輸速度約為2.01×108m/s。

光在均勻媒質(zhì)或不均勻媒質(zhì)中傳輸時，滿足費瑪(Fermat)原理，即光從空間一點到另一點是沿著時間為極值的路程而傳播的，即光沿著光程為最小或最大或恒量的路徑傳播。

3．幾何光學(xué)理論

要了解POF傳光原理，必須了解一些幾何光學(xué)的知識。

首先光學(xué)分為幾何光學(xué)和物理光學(xué)，幾何光學(xué)是研究光在均勻介質(zhì)中的傳播特性，通常采用直線來描述，它是研究光在介質(zhì)中傳播的基礎(chǔ)光學(xué)理論。物理光學(xué)又分為波動光學(xué)和量子光學(xué),波動光學(xué)認為光是一種電磁波，但它不能解釋光的微觀現(xiàn)象;量子理論認為光的能量不是連續(xù)分布的，光是一粒粒運動著的光子組成，每個光子具有確定的能量。幾何光學(xué)理論的四大基本定律為：

3.1光的直線傳播定律：在各向同性的均勻介質(zhì)中，光是沿直線傳播的。

3.2光的獨立傳播定律：不同光源發(fā)出的光線從不同方向通過某點時，彼此不影響，各光線的傳播不受其它光線影響。

3.3光的反射定律：當一束光投射到某一介質(zhì)光滑表面時，保存一部分光反射回原來的介質(zhì)，這一光線稱為反射光線，反射光線、入射光線和法線位由于同一平面內(nèi)，入射線同法線組成的角稱為入射角，反射光線同法線組成的角稱為反射角，反射角等于入射角，即θ1=θ3,其絕對值相等，這就是反射定律。

3.4光的折射定律：當一束光投射到某一介質(zhì)光滑表面時除了有一部分光發(fā)生反射外，還有一部分光通過介質(zhì)分界面入射進第二傳輸介質(zhì)中，這一部分光線稱為折射光線，折射光線和入射光線分別位于法線的兩側(cè)，折射光線位于入射光線和法線所決定的平面內(nèi)。折射光線同法線組成的角稱為折射角，入射角的正弦值同折射角正弦值的比值為一恒定值，這就是折射定律。需要指出的是采用幾何光學(xué)分析光在某一研究對象中的傳輸特性時，這一研究對象的幾何尺寸必須遠遠大于所傳輸?shù)墓獠ㄩL，這樣才能忽略波長的長度，否則就必須采用物理光學(xué)分析光在研究對象中的傳輸特性。也即是光纖纖芯直徑是所傳播光波長的幾十倍或幾百倍時，其傳播現(xiàn)象就可用幾何光學(xué)而不用波動光學(xué)來研究。

摘要：塑料光纖POF之所以能傳光是因為光纖具有芯皮結(jié)構(gòu)，光在POF中傳輸是按全反射原理進行的，光在SIPOF中的傳輸方式為全反射式鋸齒型，光在GIPOF中的傳輸方式為正弦曲線型；子午線就是光線的傳播路徑始終經(jīng)過光纖軸并在同一平面內(nèi)，選用子午線進行了參數(shù)計算，這些參數(shù)計算包括最大入射角或發(fā)射光角度、數(shù)值孔徑、子午線在階躍型光纖中的幾何行程及反射次數(shù)；側(cè)面發(fā)光POF和熒光POF也是按全反射原理進行傳光的，對于單芯側(cè)面發(fā)光POF多是由非固有損耗導(dǎo)致側(cè)面發(fā)光，而對于多芯側(cè)面發(fā)光POF則是由彎曲損耗產(chǎn)生側(cè)面發(fā)光的。熒光POF經(jīng)過特定波長光激發(fā)后發(fā)出特定波長的光，而且激發(fā)光不僅可從端面入射，而且可從側(cè)面入射。