16-全反射-光纤与棱镜解析课件.ppt

1、1第第1章章 几何光学的基本原理几何光学的基本原理 （Principles of Geometrical Optics）物理科学与信息工程学院1.6 全反射全反射 光纤与棱镜光纤与棱镜 一、全反射一、全反射 当光从光密媒质入射到光疏媒质时，折射角大于入射角，当光从光密媒质入射到光疏媒质时，折射角大于入射角，光在这种情况下的反射光在这种情况下的反射,叫作叫作内反射内反射.当光从光疏媒质入射到光密媒质时，折射角小于入射角，当光从光疏媒质入射到光密媒质时，折射角小于入射角，光在这种情况下的反射光在这种情况下的反射,叫作叫作外反射外反射.2nn 内反射时，折射角随着入射角的增大而增大，当内反射时，折射

2、角随着入射角的增大而增大，当折射角等于折射角等于900 时，对应的入射角为时，对应的入射角为 i c。点光源点光源.全内反射全内反射ci称作称作临界角。临界角。ci3物理科学与信息工程学院当入射角大于等于当入射角大于等于 时，全部光能量都反回原时，全部光能量都反回原介质介质这种反射叫作光的这种反射叫作光的全反射全反射，或叫作光的，或叫作光的全内全内反射反射。ci.arcsinnnic可以计算出可以计算出cicinnsin90sin0由折射定律由折射定律:4物理科学与信息工程学院ci1n2n21nn 外反射：外反射：5物理科学与信息工程学院ci入 射 角 大入 射 角 大于 临 界 角于 临 界

3、 角的 光 线 发的 光 线 发生全反射生全反射1n2n21nn 内反射，全内反射：内反射，全内反射：6物理科学与信息工程学院二、全反射的应用二、全反射的应用 棱镜是由透明介质做成的棱柱体，光学仪器中常利用棱镜棱镜是由透明介质做成的棱柱体，光学仪器中常利用棱镜来改变光线的方向，缩短仪器的尺寸，或将倒置的像矫正等。来改变光线的方向，缩短仪器的尺寸，或将倒置的像矫正等。如图如图五脊棱镜五脊棱镜波罗棱镜波罗棱镜使像转使像转过过90900 0使像转使像转过过1801800 01、全反射棱镜、全反射棱镜7物理科学与信息工程学院8后反射直角棱镜后反射直角棱镜光线进入棱光线进入棱镜镜,依次经三依次经三直角面

4、反射直角面反射后后,出射光线出射光线与入射光线反与入射光线反向平行向平行XYZ90450组合波罗棱镜，组合波罗棱镜，望远镜正像系统望远镜正像系统,使像面旋转使像面旋转18009物理科学与信息工程学院1 12 2多夫棱镜多夫棱镜：主要用于倒像系统。：主要用于倒像系统。棱镜的主截面棱镜的主截面：与棱镜的棱边垂直的平面。：与棱镜的棱边垂直的平面。分类：分类：根据主截面的形状，可分为三棱镜、四棱镜，五根据主截面的形状，可分为三棱镜、四棱镜，五棱镜等。棱镜等。10物理科学与信息工程学院光进入光学纤维后光进入光学纤维后,多次多次在内壁上发生全内反射在内壁上发生全内反射,光从纤维的一端传向另光从纤维的一端传

5、向另一端一端.全内反射的应用很广，近年来发展很快的光导纤维，全内反射的应用很广，近年来发展很快的光导纤维，简称光纤，就是利用全反射原理制成的光能量的传输简称光纤，就是利用全反射原理制成的光能量的传输线。线。光学纤维光学纤维:中央折射率中央折射率大大,表层折射率小的透表层折射率小的透明细玻璃丝明细玻璃丝.2、全反射型光导纤维、全反射型光导纤维11物理科学与信息工程学院阶跃型光纤阶跃型光纤arnb 梯度型光纤梯度型光纤rn阶跃型多模光纤阶跃型多模光纤 梯度型多模光纤梯度型多模光纤一般使用的光纤是由直一般使用的光纤是由直径约为径约为12 m的多根或单的多根或单根玻璃纤维制成。每根根玻璃纤维制成。每根

6、纤维分内外两层。根据纤维分内外两层。根据其折射率的分布分为两其折射率的分布分为两种：种：阶跃型光纤和梯度阶跃型光纤和梯度型光纤型光纤。如图如图阶跃型光纤阶跃型光纤内层折射率在内层折射率在1.8左右，外层折射率在左右，外层折射率在1.4左右。左右。12物理科学与信息工程学院2n1n2n12nn 0niAii2B阶跃光导纤阶跃光导纤维的端面维的端面光能够沿光纤的内壁由光纤的一端传到另一端光能够沿光纤的内壁由光纤的一端传到另一端.cii 02由由201)2sin(ninB点：点：即即201cosnin当当 时，时，cii 213物理科学与信息工程学院 A点：点：0001sinsininin即即222

7、102100)cos1(sinnninin所以所以)1arcsin(222100nnni00sinin称为光导纤维的数值孔经，它决定了可经光导称为光导纤维的数值孔经，它决定了可经光导纤维传递的光束的入射角纤维传递的光束的入射角.2n1n0n2niAii2B12nn 14物理科学与信息工程学院对于空气中的光纤，对于空气中的光纤，凡是入射角小于凡是入射角小于i0 的入射光，都将通过多次全反射从一端传的入射光，都将通过多次全反射从一端传向另一端；入射角大于向另一端；入射角大于i0 的光线，将透过内壁进入外层，不能的光线，将透过内壁进入外层，不能继续传送。继续传送。10n则则)arcsin(22210

8、nni 由上式可见，为了使更大范围的光束能在光纤中传由上式可见，为了使更大范围的光束能在光纤中传播，应选择播，应选择n1和和n2的差值较大的材料去制造光纤。的差值较大的材料去制造光纤。另外，光纤在使用过程中为了防止光能进入包层另外，光纤在使用过程中为了防止光能进入包层（n2），），光纤的弯曲也不能太大。光纤的弯曲也不能太大。15物理科学与信息工程学院光通信光通信 优点：优点：1)低损耗低损耗窗玻璃几千分贝窗玻璃几千分贝/公里公里光学玻璃光学玻璃 500分贝分贝/公里公里雨后清澄的大气雨后清澄的大气 1分贝分贝/公里公里石英光纤石英光纤 0.2分贝分贝/公里公里2)信带宽、容量大、速度快信带宽、

9、容量大、速度快3)电气绝缘性能好电气绝缘性能好 无感应无感应 无串话无串话 保密性能好保密性能好4)重量轻重量轻 线径细线径细 可绕性好可绕性好 6)资源丰富资源丰富 价格低价格低5)耐火耐火 耐腐蚀耐腐蚀 可用在许多恶劣环境下可用在许多恶劣环境下16物理科学与信息工程学院 由于光纤具有以上诸多优点，光导纤维近几年来发展十分迅速。由于光纤具有以上诸多优点，光导纤维近几年来发展十分迅速。在工业、医学、通讯等方面的应用越来越多。尤其是随着计算机在工业、医学、通讯等方面的应用越来越多。尤其是随着计算机通讯网络的发展，通讯量、传输速度要求越来越高，更是离不开通讯网络的发展，通讯量、传输速度要求越来越高

10、，更是离不开光纤的工作信带宽、容量大和保密性能好等优点。光纤的工作信带宽、容量大和保密性能好等优点。17物理科学与信息工程学院最常用的棱镜是最常用的棱镜是三棱镜，它是一种色散棱镜三棱镜，它是一种色散棱镜。图为三。图为三棱镜的棱镜的主截面主截面。单色入射光通过棱镜时，将折射两次，出射光线的单色入射光通过棱镜时，将折射两次，出射光线的方向和入射光线的方向之间的夹角方向和入射光线的方向之间的夹角，称为，称为偏向角偏向角。如图如图ABC1i1 i2i2 i)()(2121iiii)()(2211iiii三、棱镜的折射三、棱镜的折射18物理科学与信息工程学院如图，根据几何关系，可得如图，根据几何关系，可

11、得ABC1i1 i2i2 i因为因为Aii22Aii11 当棱镜给定时（当棱镜给定时（A一定），一定），偏向角随着入射角偏向角随着入射角i1的改变而的改变而改变。改变。可以证明，当可以证明，当i1 i1 时，偏向角达到最小值时，偏向角达到最小值 0，0 称为称为最小偏向角。最小偏向角。返回返回19因此，最小偏向角为：因此，最小偏向角为：Ai 102201Ai又又当当i1 i1 时，折射角为时，折射角为i2 i2 A/2，由折射定律：，由折射定律：2221sinsinsinsin0AAiin物理科学与信息工程学院 由上式，在实验中只要测出最小偏向角，就可以由上式，在实验中只要测出最小偏向角，就可

12、以计算出棱镜材料的折射率。计算出棱镜材料的折射率。20、棱镜与色散（棱镜与色散（Dispersion）色散色散：不同波长的光在同一介质中的折射率不同。：不同波长的光在同一介质中的折射率不同。21物理科学与信息工程学院光光 楔楔顶角很小的棱镜，或者称为顶角很小的棱镜，或者称为尖劈尖劈。如图。如图当光线垂直或接近垂直入射到光楔当光线垂直或接近垂直入射到光楔上时，由折射定律得：上时，由折射定律得：21sinsinini 12sinsiniin如图如图上两式可近似的写成：上两式可近似的写成：21nii 12ini则偏向角为：则偏向角为：)()(2211iiiiAiinAnini)(2222An)1(An)1(即即可见，当可见，当A很小时，偏向角只很小时，偏向角只与与n和顶角和顶角A有关。有关。22物理科学与信息工程学院本节结束本节结束