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”的設想, 并獲得美國zhuanli, 這是有案可查的最早的“遙控照明”裝置, 基本原理: 用內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。1954 年, Hopki n’s 和apany 成功地用一束10, 000 到20, 000 的纖維來傳輸圖像的文章,Va nHe e l 發(fā)現低折射率光纖包層的作用, 纖維的圖像傳輸的成功實現和光纖包層的提出這兩個進步標志著光導纖維作為一個新興學科的誕生, 1966 年, 美國杜邦DuPont 公司在這一年向市場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在不同折射率介質的界面發(fā)生全反射, 實現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, 現介紹子午光線在POF 中的傳輸特性。

1 光的基礎知識

光是通過光源內大量的分子或原子振動而產生的輻射。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。即光既具有粒子性, 又具有波動性, 光在傳播時表現為波動性, 而與物質作用時又表現為粒子性。

2 幾何光學理論光學分為幾何光學和物理光學, 幾何光學是研究光在均勻介質的傳播特性, 通常采用直線來描述, 它是研究光在介質中傳播的基礎光學理論。物理光學又分為波動光學和量子光學, 波動光學認為光是一種電磁波, 但它不能解釋光的微觀現象; 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。幾何光學理論的四大基本定律為。

2 . 1 光的直線傳播定律

在各向同性的均勻介質中, 光是沿直線傳播的。

2 . 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。

2. 3 光的反射定律

當一束光投射到某一介質光滑表面時, 保存一部分光反射回原來的介質, 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, 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= θ 3, 其絕對值相等, 這就是反射定律。

2. 4 光的折射定律

當一束光投射到某一介質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分界面入射進第二傳輸介質中, 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, 折射光線位于入射光線和法線所決定的平面內。

3 子午光線在階躍型POF中的傳輸

階躍型POF 是一種具有芯皮結構的光纖。子午平面指的是包含有光纖軸的平

面, 光在一種均勻介質傳播時是一種直線式傳播: 當光從一種介質傳至另一介質表面時, 一般同時發(fā)生反射和折射; 如果光從折射率小的光疏介質射入折射率大的光密介質時, 則折射角小于入射角; 而當光從光密介質射入光疏介質時折射角將大于入射角, 因而當光從光密介質射入光疏介質時就有可能出現只有反射而無折射的現象,即全反射, 全反射是光折射的一種邊界效應, 即光從一種透明介質進入到另一種介質里而發(fā)生彎曲的現象。POF 就是通過全反射原理進行光傳輸的。

4 子午線在階躍型光纖中的幾何行程和反射次數

由于子午光線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。無論是子午線在光線中的行程計算公式還是反射次數計算公式, 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, 光纖內部無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, 則入射子午線全反射的狀況就會發(fā)生變化, 如有的會從光纖中反射出, 有的反射角會發(fā)生變化等, 因此光纖的傳輸損耗也會增加。

5 斜光線在階躍型折射率POF中的傳輸

所謂斜面光線, 就是光在光纖中傳輸中時, 并不是像子午光線一樣保證在同一平面內, 它在光纖中傳輸時, 其軌道通常是一空間螺旋曲線, 其最大入射角比子午線的大, 但通常以子午線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

對于漸變型折射率GI POF, 同樣有子午線和斜光纖, 這種光纖折射率并不是一恒定常數, 而是隨著離軸距離的增加而折射率下降, 拋物線型折射率分布光纖具有較小的模式色散的特點, 漸變折射分布有多種形式, 當折射率分布按二次方拋物線分布時,子午線在光纖中的傳播路徑為正弦曲線型,斜光纖的傳播路徑為螺旋曲線, 漸變型折射率POF 多用于短距離數據傳輸, 用于光纖照明較少。這種光纖傳輸的激光能量分布接近Gaus 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, 其傳輸的激光功率密度I 可認為與纖芯直徑α的平方成正比。若保持光纖傳輸的激光功率不變的話, 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, 則光纖傳輸的激光功率密度將增加[ 5] , 當光在這種GI

POF 傳輸時, 可以說是一種極低能量的傳輸, 亦滿足如上所述的公式。

7 結語

POF 之所以能傳光是因為光纖具有芯皮結構, 光在POF 中傳輸是按全反射原理

進行傳光的, 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型; 同時為了簡化計算, 選用子午線進行了參數計算, 子午線就是光線的傳播路徑始終經過光纖軸并在同一平面內, 這些參數計算包括最大入射角或發(fā)射光角度、數值孔徑、子午線在階躍型光纖中的幾何行程及反射次數; 側面發(fā)光POF和熒光POF 也是按全反射原理進行傳光的, 對于單芯側面發(fā)光OF 多是由非固有損耗導致側面發(fā)光, 而對于多芯側面發(fā)光POF 則是由彎曲損耗產生側面發(fā)光的。