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，通常可分為石英光纖、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(guò)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(guó)皇家學(xué)會(huì)的約翰·丁達(dá)爾向英國(guó)皇家學(xué)會(huì)演示了一個(gè)著名的實(shí)驗(yàn)，他當(dāng)時(shí)用一只盛滿水的器皿，讓水從器皿的側(cè)孔中流出，這時(shí)投射在水中的光也隨著水流傳導(dǎo)出來(lái)。

1880年，威廉·惠勒(WilliamWheeler)提出“管道照明”的設(shè)想，并獲得美國(guó)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(lái)水一樣引至若干個(gè)需要照明的地點(diǎn),這實(shí)際上是光纖用于照明的雛形，光纖照明系統(tǒng)簡(jiǎn)單地就可以看作是和上述的“管道系統(tǒng)”相類似的一個(gè)系統(tǒng)，在這個(gè)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(lái)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?shí)現(xiàn)和光纖包層的提出這兩個(gè)進(jìn)步標(biāo)志著光導(dǎo)纖維作為一個(gè)新興學(xué)科的誕生,1966年,英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)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(xì)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(huì)（IEE）會(huì)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(guò)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(dòng)了光纖制造工藝的研究。美國(guó)杜邦DuPont公司亦在這一年向市場(chǎng)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(shí)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(guò)與各種光學(xué)元件的組合，達(dá)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(shí)

光是通過(guò)光源內(nèi)大量的分子或原子振動(dòng)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(ài)因斯坦提出光是一粒一粒的粒子流，每個(gè)粒子可被稱為光子。也就是說(shuō)光既具有粒子性，又具有波動(dòng)性，光在傳播時(shí)表現(xiàn)為波動(dòng)性，而與物質(zhì)作用時(shí)又表現(xiàn)為粒子性。通常我們所說(shuō)的光是電磁波的一種，它通常由紫外光、可見(jiàn)光和近紅外光組成，其中1-390nm波段的光為紫外光UV，波長(zhǎng)為280-300nm波段為UV-B，它的強(qiáng)光可以殺死或嚴(yán)重?fù)p傷地球上的生物;200-280um波段為UV-C，它的強(qiáng)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(jiàn)光；波長(zhǎng)在760-1500nm為近紅外光，中紅外波段波長(zhǎng)范圍為1.5-25μm，遠(yuǎn)紅外光譜波長(zhǎng)范圍25-300μm,比遠(yuǎn)紅外光頻率更小或波長(zhǎng)更長(zhǎng)的有毫米波、微波、短波、中波和長(zhǎng)波等。而可見(jiàn)光又是由七色光組成的，即可見(jiàn)光含有紅色光、橙色光、黃色光、綠色光、藍(lán)色光和靛青光等色光[2]：?

紫色/nm靛青/nm藍(lán)色/nm綠色/nm黃色/nm橙色/nm紅色/nm

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

國(guó)際照明委員會(huì)統(tǒng)一規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)是：選水銀光譜中波長(zhǎng)為700nm的紅光為紅基色光，波長(zhǎng)為546.1nm的綠光為綠基色光,波長(zhǎng)為435.8nm的藍(lán)光為藍(lán)基色光。常規(guī)POF一般在紫外光波段并沒(méi)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(jiàn)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(zhǎng)λ，頻率f和光速C之間關(guān)系參見(jiàn)如下公式:

C=fλ……………………(1)

其中f的單位為赫茲Hz或1／秒(s)，波長(zhǎng)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(duì)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(duì)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(huì)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(shí)，滿足費(fèi)瑪(Fermat)原理，即光從空間一點(diǎn)到另一點(diǎn)是沿著時(shí)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(shí)。

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(lái)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(dòng)光學(xué)和量子光學(xué),波動(dòng)光學(xué)認(rèn)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(rèn)為光的能量不是連續(xù)分布的，光是一粒粒運(yùn)動(dòng)著的光子組成，每個(gè)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(dú)立傳播定律：不同光源發(fā)出的光線從不同方向通過(guò)某點(diǎn)時(shí)，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(dāng)一束光投射到某一介質(zhì)光滑表面時(shí)，保存一部分光反射回原來(lái)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(duì)值相等，這就是反射定律。

3.4光的折射定律：當(dāng)一束光投射到某一介質(zhì)光滑表面時(shí)除了有一部分光發(fā)生反射外，還有一部分光通過(guò)介質(zhì)分界面入射進(jìn)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(duì)象中的傳輸特性時(shí)，這一研究對(duì)象的幾何尺寸必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所傳輸?shù)墓獠ㄩL(zhǎng)，這樣才能忽略波長(zhǎng)的長(zhǎng)度，否則就必須采用物理光學(xué)分析光在研究對(duì)象中的傳輸特性。也即是光纖纖芯直徑是所傳播光波長(zhǎng)的幾十倍或幾百倍時(shí)，其傳播現(xiàn)象就可用幾何光學(xué)而不用波動(dòng)光學(xué)來(lái)研究。

摘要：塑料光纖POF之所以能傳光是因?yàn)楣饫w具有芯皮結(jié)構(gòu)，光在POF中傳輸是按全反射原理進(jìn)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(guò)光纖軸并在同一平面內(nèi)，選用子午線進(jìn)行了參數(shù)計(jì)算，這些參數(shù)計(jì)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(jìn)行傳光的，對(duì)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(duì)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(guò)特定波長(zhǎng)光激發(fā)后發(fā)出特定波長(zhǎng)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。