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, 本文研究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。

1880 年, 威廉·惠勒提出“管道照明”的設(shè)想, 并獲得美國(guó)zhuanli, 這是有案可查的最早的“遙控照明”裝置, 基本原理: 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)。1954 年, Hopki n’s 和apany 成功地用一束10, 000 到20, 000 的纖維來(lái)傳輸圖像的文章,Va nHe e l 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, 美國(guó)杜邦DuPont 公司在這一年向市場(chǎng)推出了世界上第一根POF, 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(xiàn)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(xiàn)在POF 中的傳輸特性。

1 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(chēng)為光子。即光既具有粒子性, 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。

2 幾何光學(xué)理論光學(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)的傳播特性, 通常采用直線(xiàn)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。

2 . 1 光的直線(xiàn)傳播定律

在各向同性的均勻介質(zhì)中, 光是沿直線(xiàn)傳播的。

2 . 2 光的獨(dú)立傳播定律

不同光源發(fā)出的光線(xiàn)從不同方向通過(guò)某點(diǎn)時(shí), 彼此不影響, 各光線(xiàn)的傳播不受其

它光線(xiàn)影響。

2. 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(xiàn)稱(chēng)為反射光線(xiàn), 反射光線(xiàn)、入射光線(xiàn)和法線(xiàn)位由于同一平面內(nèi), 入射線(xiàn)同法線(xiàn)

組成的角稱(chēng)為入射角, 反射光線(xiàn)同法線(xiàn)組成的角稱(chēng)為反射角, 反射角等于入射角, 即θ1= θ 3, 其絕對(duì)值相等, 這就是反射定律。

2. 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(xiàn)稱(chēng)為折射光線(xiàn), 折射光線(xiàn)和入射光線(xiàn)分別位于法線(xiàn)的兩側(cè), 折射光線(xiàn)位于入射光線(xiàn)和法線(xiàn)所決定的平面內(nèi)。

3 子午光線(xiàn)在階躍型POF中的傳輸

階躍型POF 是一種具有芯皮結(jié)構(gòu)的光纖。子午平面指的是包含有光纖軸的平

面, 光在一種均勻介質(zhì)傳播時(shí)是一種直線(xiàn)式傳播: 當(dāng)光從一種介質(zhì)傳至另一介質(zhì)表面時(shí), 一般同時(shí)發(fā)生反射和折射; 如果光從折射率小的光疏介質(zhì)射入折射率大的光密介質(zhì)時(shí), 則折射角小于入射角; 而當(dāng)光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時(shí)折射角將大于入射角, 因而當(dāng)光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時(shí)就有可能出現(xiàn)只有反射而無(wú)折射的現(xiàn)象,即全反射, 全反射是光折射的一種邊界效應(yīng), 即光從一種透明介質(zhì)進(jìn)入到另一種介質(zhì)里而發(fā)生彎曲的現(xiàn)象。POF 就是通過(guò)全反射原理進(jìn)行光傳輸?shù)摹?/p>

4 子午線(xiàn)在階躍型光纖中的幾何行程和反射次數(shù)

由于子午光線(xiàn)入射光纖中并不是同一角度, 故而其在光纖中的幾何行程也不相

同。無(wú)論是子午線(xiàn)在光線(xiàn)中的行程計(jì)算公式還是反射次數(shù)計(jì)算公式, 都是假定光纖是處于非常理想狀態(tài)下: 光纖非常直, 光纖直徑均勻, 光纖內(nèi)部無(wú)缺陷和光纖入射端面平直等, 倘若光纖不在這一理想條件下, 則入射子午線(xiàn)全反射的狀況就會(huì)發(fā)生變化, 如有的會(huì)從光纖中反射出, 有的反射角會(huì)發(fā)生變化等, 因此光纖的傳輸損耗也會(huì)增加。

5 斜光線(xiàn)在階躍型折射率POF中的傳輸

所謂斜面光線(xiàn), 就是光在光纖中傳輸中時(shí), 并不是像子午光線(xiàn)一樣保證在同一平面內(nèi), 它在光纖中傳輸時(shí), 其軌道通常是一空間螺旋曲線(xiàn), 其最大入射角比子午線(xiàn)的大, 但通常以子午線(xiàn)傳輸表征光纖的傳輸特性, 自然這是最理想的一種狀況。

6 光在漸變型折射率分布POF中的傳輸

對(duì)于漸變型折射率GI POF, 同樣有子午線(xiàn)和斜光纖, 這種光纖折射率并不是一恒定常數(shù), 而是隨著離軸距離的增加而折射率下降, 拋物線(xiàn)型折射率分布光纖具有較小的模式色散的特點(diǎn), 漸變折射分布有多種形式, 當(dāng)折射率分布按二次方拋物線(xiàn)分布時(shí),子午線(xiàn)在光纖中的傳播路徑為正弦曲線(xiàn)型,斜光纖的傳播路徑為螺旋曲線(xiàn), 漸變型折射率POF 多用于短距離數(shù)據(jù)傳輸, 用于光纖照明較少。這種光纖傳輸?shù)募す饽芰糠植冀咏麲aus s 分布, 即在光纖軸附近具有更高的光能量密度, 即激光能量更為集中, 其傳輸?shù)募す夤β拭芏菼 可認(rèn)為與纖芯直徑α的平方成正比。若保持光纖傳輸?shù)募す夤β什蛔兊脑?huà), 減小光纖芯徑即減小傳輸激光能量的光纖纖芯的橫截面面積, 則光纖傳輸?shù)募す夤β拭芏葘⒃黾覽 5] , 當(dāng)光在這種GI

POF 傳輸時(shí), 可以說(shuō)是一種極低能量的傳輸, 亦滿(mǎn)足如上所述的公式。

7 結(jié)語(yǔ)

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)行傳光的, 光在SI POF 中的傳輸方式為全反射式鋸齒型, 光在GI POF 中的傳輸方式為正弦曲線(xiàn)型; 同時(shí)為了簡(jiǎn)化計(jì)算, 選用子午線(xiàn)進(jìn)行了參數(shù)計(jì)算, 子午線(xiàn)就是光線(xiàn)的傳播路徑始終經(jīng)過(guò)光纖軸并在同一平面內(nèi), 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(xiàn)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OF 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。