光纤导光物理条件与数值孔径物理意义演示仪

2017-12-29卫芬芬刘志存黄育红张宗权

物理实验 2017年12期

关键词：石英玻璃包层纤芯

卫芬芬，刘志存，黄育红，徐铭，张宗权

(陕西师范大学 a.基础实验教学中心;b.物理学与信息技术学院，陕西西安 710062)

光纤导光物理条件与数值孔径物理意义演示仪

卫芬芬a，刘志存a，黄育红b，徐铭b，张宗权a

(陕西师范大学 a.基础实验教学中心;b.物理学与信息技术学院，陕西西安 710062)

由水槽、不同折射率的导光条、支架、半导体激光器及底座构成了演示仪，有机玻璃和石英玻璃导光条用于模拟不同折射率的光纤纤芯，水槽内的透明液体用于模拟光纤的包层. 使用演示仪可以模拟演示光纤导光的物理条件与数值孔径的物理意义.

光纤；全反射；数值孔径

物理教学中的演示实验对于促进学生理解物理概念、掌握物理规律有着十分重要的作用. 因此在大学物理课上引入演示实验，有助于激发学生的学习兴趣，引导学生深入思考问题，促进大学物理教学. 光纤作为高科技标志性成果之一，其导光原理早已广泛进入中小学课本及大学物理、光通信原理等专业课教材中. 而现有的光纤演示装置[1-4]，只能向学生演示光纤可以将光信号从光纤的一端传输到另一端这一事实，学生无法清晰地看到光线在光纤中的传输路径，更无法直观地看到决定光纤导光的物理条件，即光的入射角趋于临界角的动态过程、纤芯包层折射率对光纤导光性能的决定性影响以及光纤数值孔径的物理意义. 为此，笔者设计了光纤导光物理条件与数值孔径物理意义演示仪[5]，该演示仪结构简单，操作方便，成本低，演示效果明显，使用安全可靠.

1 设计原理

当光线从光密介质斜入射光疏介质时，折射角大于入射角，当入射角增大至某一角度(即临界角)时，折射光线消失，光线被完全限制在光密-光疏界面以下，此即光的全反射现象[6]. 显然，当入射角一定时，通过改变光密介质折射率与光疏介质折射率的比值，即可控制界面能否发生全反射，这一原理构成了现代光纤通信技术的“基石”.

光纤是极细的玻璃纤维，通常只有几微米,非常柔软. 这种极细的光纤一般是由2层材料做成的，内层称为纤芯，折射率较大；外层称为包层，折射率较小. 两者之间形成良好的光学界面. 但由于光纤太细，目视无法看见光在其中的传输形态，影响学生对光纤导光原理的理解. 根据光纤的导光原理和结构特征，设计了光纤导光物理条件与数值孔径物理意义演示仪.

2 实验装置及实验现象

演示仪如图1所示，包括水槽、有机玻璃导光条、石英玻璃导光条、支架、半导体激光器及底座. 在底座上联结有支架，支架上安装有半导体激光器，作为光源，激光器可在支架上水平面或竖直面上转动，转动激光器，即改变激光束的出射方向.

图1 光纤导光物理条件与数值孔径物理意义演示仪

水槽采用透明有机玻璃制成，水槽内的左右侧壁上安装导光条，有机玻璃和石英玻璃导光条的左右两端穿出水槽的左右侧壁并用玻璃胶密封.

实验时有机玻璃导光条和石英玻璃导光条被用于模拟2种不同折射率的光纤纤芯. 水槽内的透明液体用于模拟光纤的包层. 在水槽的下部注水(折射率为1.332)，水上注液体石蜡(折射率为1.473 2)，有机玻璃导光条和石英玻璃导光条的水平中心平面和水与液体石蜡的界面重合，水和液体石蜡用于模拟光纤的2种不同折射率的包层. 激光器射出的激光束从有机玻璃导光条或石英玻璃导光条的端部水平斜射到有机玻璃导光条和石英玻璃导光条与水、液体石蜡的界面上，产生反射和折射，改变入射角，可观察到水和液体石蜡中折射角的变化情况及光纤导光的全反射临界角和光纤的包层折射率对光纤数值孔径的影响.

3 实验效果展示

3.1 反射-折射到全反射过程的动态演示

利用图1所示装置，观察激光束由有机玻璃导光条进入液体石蜡时，界面上的反射和折射现象，比较入射角、反射角和折射角的大小. 逐渐增大入射角，观察激光束在有机玻璃-液体石蜡界面上的反射角与折射角的同步变化情况. 当入射角增大到某一角度时，液体石蜡中折射光束突然消失，反射激光束亮度突然增强，激光束被完全“限制”在有机玻璃导光条中并折线传播，此即有机玻璃-液体石蜡界面上光的全反射现象. 此时入射角即为有机玻璃导光条与液体石蜡界面的全反射临界角，如图2所示.

图2 反射-折射到全反射过程的动态演示图

3.2 相同纤芯与不同折射率包层界面上反射现象的观察比较

在图1所示的演示装置中，观察激光束在石英玻璃-液体石蜡和石英玻璃-水界面上的反射、折射现象. 由于液体石蜡的折射率大于石英玻璃的折射率(约等于1.458 5)，因此激光束从石英玻璃(光疏介质)斜射入液体石蜡(光密介质)不会形成全反射，如图3所示. 而当激光束由石英玻璃导光条的一端，以较小的入射角斜射到石英玻璃导光条侧壁与水的界面上，逐渐增大入射角，达到等于或大于临界角后，激光束被完全“限制”在石英玻璃导光条中以折线的形式向前传输. 上述实验直观地演示了包层折射率的大小对光纤导光特性的影响.

图3 相同纤芯与不同折射率包层界面上反射现象的比较

3.3 不同折射率纤芯与相同折射率包层界面全反射临界角的观察比较

在图1所示的演示装置中，分别用有机玻璃导光条和石英玻璃导光条模拟2种不同折射率的光纤纤芯. 比较2束激光(红光和绿光)以相同的入射角在石英玻璃导光条和有机玻璃导光条与水或液体石蜡界面上发生全反射时临界角的大小，如图4所示.

图4 不同折射率纤芯与相同折射率包层界面全反射临界角演示图

3.4 光纤数值孔径物理意义的演示

观察2束相同入射角的激光束在有机玻璃-液体石蜡界面上与有机玻璃-水界面上的反射、折射及全反射现象，同时比较液体石蜡中折射角与水中折射角大小，发现激光束在有机玻璃导光条与液体石蜡的界面上的全反射临界角大于有机玻璃导光条与水界面上的全反射临界角，如图5所示. 表明在纤芯确定，包层的折射率越大，激光束在纤芯与包层界面上的全反射临界角越大.

图5 光纤数值孔径物理意义的演示图

由光纤数值孔径的定义以及光纤最大受光角和纤芯与包层界面上全反射临界角的关系，有

NA=sinα=sin (90°-β1),

式中NA为光纤数值孔径，α为光纤最大受光角，β1为有机玻璃与不同液体界面上的全反射临界角. 可以看出，全反射临界角越大，光纤数值孔径越小.

4 结束语

以光纤导光物理条件和数值孔径物理意义演示为视角，研究适用于不同知识层次(大、中、小学生)、不同场所(实验室半定量测量、课堂演示、走廊自主操作体验、科技馆科普演示)的光纤导光原理演示，克服了传统的实验演示装置在演示中学生只看不做、参与性差的问题，具有“一目了然”和“过目不忘”的演示效果. 仪器结构简单、操作方便、成本低廉，演示效果明显.

[1] 潘淑娣,刘建华,葛晓辉,等. 一种模拟光纤演示装置. 中国:103093675[P]. 2013-01-14.

[2] 赵丽,周亚洲．全反射现象的演示[J]．物理通报,2009(12):56-57.

[3] 胡米宁. 光的反射、折射和全反射演示器[J]．物理实验,2004,24(9):34-35.

[4] 杨燕婷,邵温怡,金戈．自制光的全反射演示仪[J]．物理实验,2014,34(9):20-22.

[5] 张宗权,黄育红,耿玉,等. 光纤导光物理条件的模拟实验演示装置与演示方法. 中国:104732853[P]. 2016-12-07.

[6] 姚启钧. 光学教程[M]. 北京：高等教育出版社,2009:118-123.

Demonstratorforthephysicalconditionofopticalfiberlightguideandthephysicalsignificanceofnumericalaperture

WEI Fen-fena, LIU Zhi-cuna, HUANG Yu-hongb, XU Mingb, ZHANG Zong-quana

(a. Basic Experimental Teaching Center; b. School of Physics and Information Technology,Shaanxi Normal University, Xi’an 710062, China)

A water tank, a holder, a semiconductor laser unit, a base, light guide strip with different refractive index were combined to form the demonstration device for optical fiber light guide. The device was used in demonstration experiments of the physical condition of optical fiber light guide and the physical significance of numerical aperture.

optical fiber; total reflection; numerical aperture