光纖導(dǎo)光物理?xiàng)l件與數(shù)值孔徑物理意義演示儀

衛(wèi)芬芬，劉志存，黃育紅，徐 銘，張宗權(quán)

(陜西師范大學(xué) a.基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心;b.物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710062)

光纖導(dǎo)光物理?xiàng)l件與數(shù)值孔徑物理意義演示儀

衛(wèi)芬芬a，劉志存a，黃育紅b，徐 銘b，張宗權(quán)a

(陜西師范大學(xué) a.基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心;b.物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710062)

由水槽、不同折射率的導(dǎo)光條、支架、半導(dǎo)體激光器及底座構(gòu)成了演示儀，有機(jī)玻璃和石英玻璃導(dǎo)光條用于模擬不同折射率的光纖纖芯，水槽內(nèi)的透明液體用于模擬光纖的包層. 使用演示儀可以模擬演示光纖導(dǎo)光的物理?xiàng)l件與數(shù)值孔徑的物理意義.

光纖；全反射；數(shù)值孔徑

物理教學(xué)中的演示實(shí)驗(yàn)對于促進(jìn)學(xué)生理解物理概念、掌握物理規(guī)律有著十分重要的作用. 因此在大學(xué)物理課上引入演示實(shí)驗(yàn)，有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生深入思考問題，促進(jìn)大學(xué)物理教學(xué). 光纖作為高科技標(biāo)志性成果之一，其導(dǎo)光原理早已廣泛進(jìn)入中小學(xué)課本及大學(xué)物理、光通信原理等專業(yè)課教材中. 而現(xiàn)有的光纖演示裝置[1-4]，只能向?qū)W生演示光纖可以將光信號從光纖的一端傳輸?shù)搅硪欢诉@一事實(shí)，學(xué)生無法清晰地看到光線在光纖中的傳輸路徑，更無法直觀地看到?jīng)Q定光纖導(dǎo)光的物理?xiàng)l件，即光的入射角趨于臨界角的動態(tài)過程、纖芯包層折射率對光纖導(dǎo)光性能的決定性影響以及光纖數(shù)值孔徑的物理意義. 為此，筆者設(shè)計了光纖導(dǎo)光物理?xiàng)l件與數(shù)值孔徑物理意義演示儀[5]，該演示儀結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，成本低，演示效果明顯，使用安全可靠.

1 設(shè)計原理

當(dāng)光線從光密介質(zhì)斜入射光疏介質(zhì)時，折射角大于入射角，當(dāng)入射角增大至某一角度(即臨界角)時，折射光線消失，光線被完全限制在光密-光疏界面以下，此即光的全反射現(xiàn)象[6]. 顯然，當(dāng)入射角一定時，通過改變光密介質(zhì)折射率與光疏介質(zhì)折射率的比值，即可控制界面能否發(fā)生全反射，這一原理構(gòu)成了現(xiàn)代光纖通信技術(shù)的“基石”.

光纖是極細(xì)的玻璃纖維，通常只有幾微米,非常柔軟. 這種極細(xì)的光纖一般是由2層材料做成的，內(nèi)層稱為纖芯，折射率較大；外層稱為包層，折射率較小. 兩者之間形成良好的光學(xué)界面. 但由于光纖太細(xì)，目視無法看見光在其中的傳輸形態(tài)，影響學(xué)生對光纖導(dǎo)光原理的理解. 根據(jù)光纖的導(dǎo)光原理和結(jié)構(gòu)特征，設(shè)計了光纖導(dǎo)光物理?xiàng)l件與數(shù)值孔徑物理意義演示儀.

2 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

演示儀如圖1所示，包括水槽、有機(jī)玻璃導(dǎo)光條、石英玻璃導(dǎo)光條、支架、半導(dǎo)體激光器及底座. 在底座上聯(lián)結(jié)有支架，支架上安裝有半導(dǎo)體激光器，作為光源，激光器可在支架上水平面或豎直面上轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動激光器，即改變激光束的出射方向.

圖1 光纖導(dǎo)光物理?xiàng)l件與數(shù)值孔徑物理意義演示儀

水槽采用透明有機(jī)玻璃制成，水槽內(nèi)的左右側(cè)壁上安裝導(dǎo)光條，有機(jī)玻璃和石英玻璃導(dǎo)光條的左右兩端穿出水槽的左右側(cè)壁并用玻璃膠密封.

實(shí)驗(yàn)時有機(jī)玻璃導(dǎo)光條和石英玻璃導(dǎo)光條被用于模擬2種不同折射率的光纖纖芯. 水槽內(nèi)的透明液體用于模擬光纖的包層. 在水槽的下部注水(折射率為1.332)，水上注液體石蠟(折射率為1.473 2)，有機(jī)玻璃導(dǎo)光條和石英玻璃導(dǎo)光條的水平中心平面和水與液體石蠟的界面重合，水和液體石蠟用于模擬光纖的2種不同折射率的包層. 激光器射出的激光束從有機(jī)玻璃導(dǎo)光條或石英玻璃導(dǎo)光條的端部水平斜射到有機(jī)玻璃導(dǎo)光條和石英玻璃導(dǎo)光條與水、液體石蠟的界面上，產(chǎn)生反射和折射，改變?nèi)肷浣?，可觀察到水和液體石蠟中折射角的變化情況及光纖導(dǎo)光的全反射臨界角和光纖的包層折射率對光纖數(shù)值孔徑的影響.

3 實(shí)驗(yàn)效果展示

3.1 反射-折射到全反射過程的動態(tài)演示

利用圖1所示裝置，觀察激光束由有機(jī)玻璃導(dǎo)光條進(jìn)入液體石蠟時，界面上的反射和折射現(xiàn)象，比較入射角、反射角和折射角的大小. 逐漸增大入射角，觀察激光束在有機(jī)玻璃-液體石蠟界面上的反射角與折射角的同步變化情況. 當(dāng)入射角增大到某一角度時，液體石蠟中折射光束突然消失，反射激光束亮度突然增強(qiáng)，激光束被完全“限制”在有機(jī)玻璃導(dǎo)光條中并折線傳播，此即有機(jī)玻璃-液體石蠟界面上光的全反射現(xiàn)象. 此時入射角即為有機(jī)玻璃導(dǎo)光條與液體石蠟界面的全反射臨界角，如圖2所示.

圖2 反射-折射到全反射過程的動態(tài)演示圖

3.2 相同纖芯與不同折射率包層界面上反射現(xiàn)象的觀察比較

在圖1所示的演示裝置中，觀察激光束在石英玻璃-液體石蠟和石英玻璃-水界面上的反射、折射現(xiàn)象. 由于液體石蠟的折射率大于石英玻璃的折射率(約等于1.458 5)，因此激光束從石英玻璃(光疏介質(zhì))斜射入液體石蠟(光密介質(zhì))不會形成全反射，如圖3所示. 而當(dāng)激光束由石英玻璃導(dǎo)光條的一端，以較小的入射角斜射到石英玻璃導(dǎo)光條側(cè)壁與水的界面上，逐漸增大入射角，達(dá)到等于或大于臨界角后，激光束被完全“限制”在石英玻璃導(dǎo)光條中以折線的形式向前傳輸. 上述實(shí)驗(yàn)直觀地演示了包層折射率的大小對光纖導(dǎo)光特性的影響.

圖3 相同纖芯與不同折射率包層界面上反射現(xiàn)象的比較

3.3 不同折射率纖芯與相同折射率包層界面全反射臨界角的觀察比較

在圖1所示的演示裝置中，分別用有機(jī)玻璃導(dǎo)光條和石英玻璃導(dǎo)光條模擬2種不同折射率的光纖纖芯. 比較2束激光(紅光和綠光)以相同的入射角在石英玻璃導(dǎo)光條和有機(jī)玻璃導(dǎo)光條與水或液體石蠟界面上發(fā)生全反射時臨界角的大小，如圖4所示.

圖4 不同折射率纖芯與相同折射率包層界面全反射臨界角演示圖

3.4 光纖數(shù)值孔徑物理意義的演示

觀察2束相同入射角的激光束在有機(jī)玻璃-液體石蠟界面上與有機(jī)玻璃-水界面上的反射、折射及全反射現(xiàn)象，同時比較液體石蠟中折射角與水中折射角大小，發(fā)現(xiàn)激光束在有機(jī)玻璃導(dǎo)光條與液體石蠟的界面上的全反射臨界角大于有機(jī)玻璃導(dǎo)光條與水界面上的全反射臨界角，如圖5所示. 表明在纖芯確定，包層的折射率越大，激光束在纖芯與包層界面上的全反射臨界角越大.

圖5 光纖數(shù)值孔徑物理意義的演示圖

由光纖數(shù)值孔徑的定義以及光纖最大受光角和纖芯與包層界面上全反射臨界角的關(guān)系，有

NA=sinα=sin (90°-β1),

式中NA為光纖數(shù)值孔徑，α為光纖最大受光角，β1為有機(jī)玻璃與不同液體界面上的全反射臨界角. 可以看出，全反射臨界角越大，光纖數(shù)值孔徑越小.

4 結(jié)束語

以光纖導(dǎo)光物理?xiàng)l件和數(shù)值孔徑物理意義演示為視角，研究適用于不同知識層次(大、中、小學(xué)生)、不同場所(實(shí)驗(yàn)室半定量測量、課堂演示、走廊自主操作體驗(yàn)、科技館科普演示)的光纖導(dǎo)光原理演示，克服了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)演示裝置在演示中學(xué)生只看不做、參與性差的問題，具有“一目了然”和“過目不忘”的演示效果. 儀器結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、成本低廉，演示效果明顯.

[1] 潘淑娣,劉建華,葛曉輝,等. 一種模擬光纖演示裝置. 中國:103093675[P]. 2013-01-14.

[2] 趙麗,周亞洲． 全反射現(xiàn)象的演示[J]． 物理通報,2009(12):56-57.

[3] 胡米寧. 光的反射、折射和全反射演示器[J]． 物理實(shí)驗(yàn),2004,24(9):34-35.

[4] 楊燕婷,邵溫怡,金戈． 自制光的全反射演示儀[J]． 物理實(shí)驗(yàn),2014,34(9):20-22.

[5] 張宗權(quán),黃育紅,耿玉,等. 光纖導(dǎo)光物理?xiàng)l件的模擬實(shí)驗(yàn)演示裝置與演示方法. 中國:104732853[P]. 2016-12-07.

[6] 姚啟鈞. 光學(xué)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

“第13屆全國高等學(xué)校物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會”論文

2017-06-20；修改日期2017-09-22

陜西師范大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革項(xiàng)目(No.16SY03；No.16SY07)

衛(wèi)芬芬(1983-)，女，河南陜縣人，陜西師范大學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心實(shí)驗(yàn)師，博士，主要從事物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器設(shè)計.

張宗權(quán)(1959-)，男，陜西鳳翔人，陜西師范大學(xué)物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院教授級高級實(shí)驗(yàn)師，主要從事光學(xué)演示儀器的設(shè)計.

O435.1

A

1005-4642(2017)12-0032-03

任德香]