1.6--全反射-光纖與棱鏡解析課件

1、第1章 幾何光學(xué)的基本原理 （Principles of Geometrical Optics ）物理科學(xué)與信息工程學(xué)院1.6 全反射 光纖與棱鏡 一、全反射 當(dāng)光從光密媒質(zhì)入射到光疏媒質(zhì)時(shí)，折射角大于入射角，光在這種情況下的反射, 叫作內(nèi)反射. 當(dāng)光從光疏媒質(zhì)入射到光密媒質(zhì)時(shí)，折射角小于入射角，光在這種情況下的反射, 叫作外反射.1 內(nèi)反射時(shí)，折射角隨著入射角的增大而增大，當(dāng)折射角等于900 時(shí)，對應(yīng)的入射角為 i c 。點(diǎn)光源.全內(nèi)反射稱作臨界角。2物理科學(xué)與信息工程學(xué)院當(dāng)入射角大于等于 時(shí)，全部光能量都反回原介質(zhì)這種反射叫作光的全反射，或叫作光的全內(nèi)反射?？梢杂?jì)算出由折射定律:3物理科學(xué)

2、與信息工程學(xué)院外反射：4物理科學(xué)與信息工程學(xué)院入射角大于臨界角的光線發(fā)生全反射內(nèi)反射，全內(nèi)反射：5物理科學(xué)與信息工程學(xué)院二、全反射的應(yīng)用 棱鏡是由透明介質(zhì)做成的棱柱體，光學(xué)儀器中常利用棱鏡來改變光線的方向，縮短儀器的尺寸，或?qū)⒌怪玫南癯C正等。如圖五脊棱鏡波羅棱鏡使像轉(zhuǎn)過900使像轉(zhuǎn)過18001、全反射棱鏡6物理科學(xué)與信息工程學(xué)院7后反射直角棱鏡光線進(jìn)入棱鏡,依次經(jīng)三直角面反射后,出射光線與入射光線反向平行90450組合波羅棱鏡，望遠(yuǎn)鏡正像系統(tǒng),使像面旋轉(zhuǎn)18008物理科學(xué)與信息工程學(xué)院多夫棱鏡：主要用于倒像系統(tǒng)。棱鏡的主截面：與棱鏡的棱邊垂直的平面。分類：根據(jù)主截面的形狀，可分為三棱鏡、四棱鏡

3、，五棱鏡等。9物理科學(xué)與信息工程學(xué)院光進(jìn)入光學(xué)纖維后,多次在內(nèi)壁上發(fā)生全內(nèi)反射,光從纖維的一端傳向另一端. 全內(nèi)反射的應(yīng)用很廣，近年來發(fā)展很快的光導(dǎo)纖維，簡稱光纖，就是利用全反射原理制成的光能量的傳輸線。光學(xué)纖維:中央折射率大,表層折射率小的透明細(xì)玻璃絲.2、全反射型光導(dǎo)纖維10物理科學(xué)與信息工程學(xué)院階躍型光纖ab 梯度型光纖階躍型多模光纖 梯度型多模光纖一般使用的光纖是由直徑約為12m的多根或單根玻璃纖維制成。每根纖維分內(nèi)外兩層。根據(jù)其折射率的分布分為兩種：階躍型光纖和梯度型光纖。如圖階躍型光纖內(nèi)層折射率在1.8左右，外層折射率在1.4左右。11物理科學(xué)與信息工程學(xué)院AB階躍光導(dǎo)纖維的端面光

4、能夠沿光纖的內(nèi)壁由光纖的一端傳到另一端. 由B點(diǎn)：即當(dāng) 時(shí)，12物理科學(xué)與信息工程學(xué)院 A點(diǎn)：即所以稱為光導(dǎo)纖維的數(shù)值孔經(jīng)，它決定了可經(jīng)光導(dǎo)纖維傳遞的光束的入射角.AB13物理科學(xué)與信息工程學(xué)院對于空氣中的光纖， 凡是入射角小于i0 的入射光，都將通過多次全反射從一端傳向另一端；入射角大于i0 的光線，將透過內(nèi)壁進(jìn)入外層，不能繼續(xù)傳送。則 由上式可見，為了使更大范圍的光束能在光纖中傳播，應(yīng)選擇n1和n2的差值較大的材料去制造光纖。 另外，光纖在使用過程中為了防止光能進(jìn)入包層（n2），光纖的彎曲也不能太大。14物理科學(xué)與信息工程學(xué)院光通信 優(yōu)點(diǎn)：低損耗窗玻璃幾千分貝/公里光學(xué)玻璃 500分貝/公

5、里雨后清澄的大氣 1分貝/公里石英光纖 0.2分貝/公里2) 信帶寬、容量大、速度快3) 電氣絕緣性能好 無感應(yīng) 無串話 保密性能好4) 重量輕 線徑細(xì) 可繞性好 6) 資源豐富 價(jià)格低5) 耐火 耐腐蝕 可用在許多惡劣環(huán)境下15物理科學(xué)與信息工程學(xué)院 由于光纖具有以上諸多優(yōu)點(diǎn)，光導(dǎo)纖維近幾年來發(fā)展十分迅速。在工業(yè)、醫(yī)學(xué)、通訊等方面的應(yīng)用越來越多。尤其是隨著計(jì)算機(jī)通訊網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，通訊量、傳輸速度要求越來越高，更是離不開光纖的工作信帶寬、容量大和保密性能好等優(yōu)點(diǎn)。16物理科學(xué)與信息工程學(xué)院最常用的棱鏡是三棱鏡，它是一種色散棱鏡。圖為三棱鏡的主截面。 單色入射光通過棱鏡時(shí)，將折射兩次，出射光線的方

6、向和入射光線的方向之間的夾角，稱為偏向角。如圖三、棱鏡的折射17物理科學(xué)與信息工程學(xué)院如圖，根據(jù)幾何關(guān)系，可得因?yàn)?當(dāng)棱鏡給定時(shí)（A一定），偏向角隨著入射角i1的改變而改變。 可以證明，當(dāng)i1 i1 時(shí)，偏向角達(dá)到最小值0 ， 0 稱為最小偏向角。返回18因此，最小偏向角為：又當(dāng)i1 i1 時(shí)，折射角為i2 i2A/2 ，由折射定律：物理科學(xué)與信息工程學(xué)院 由上式，在實(shí)驗(yàn)中只要測出最小偏向角，就可以計(jì)算出棱鏡材料的折射率。19平行的日光光束經(jīng)三棱棱折射后，因?qū)ΣＡд凵渎什煌稚⒊杉t、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫等七色光的現(xiàn)象稱光之色散。 紅光經(jīng)棱鏡，偏向最小,其折射率亦小，紫光最大，折射率亦大。棱鏡與色散（Dispersion） 牛頓的色散實(shí)驗(yàn)色散：不同波長的光在同一介質(zhì)中的折射率不同。20物理科學(xué)與信息工程學(xué)院光 楔頂角很小