16-全反射-光纖與棱鏡解析課件

第1章幾何光學(xué)的基本原理

（PrinciplesofGeometricalOptics）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第1章幾何光學(xué)的基本原理物理科學(xué)與信息工程學(xué)院§1.6

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(duì)應(yīng)的入射角為i

c。點(diǎn)光源.全內(nèi)反射稱(chēng)作臨界角。2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)與信息工程學(xué)院當(dāng)入射角大于等于時(shí)，全部光能量物理科學(xué)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(xiàn)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)院入射角大于臨界角的光線(xiàn)發(fā)生全反射內(nèi)反射物理科學(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(lái)改變光線(xiàn)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(guò)900使像轉(zhuǎn)過(guò)18001、全反射棱鏡6物理科學(xué)與信息工程學(xué)院二、全反射的應(yīng)用棱鏡是由透明介物理科學(xué)與信息工程學(xué)院7物理科學(xué)與信息工程學(xué)院7后反射直角棱鏡光線(xiàn)進(jìn)入棱鏡,依次經(jīng)三直角面反射后,出射光線(xiàn)與入射光線(xiàn)反向平行90０450組合波羅棱鏡，望遠(yuǎn)鏡正像系統(tǒng),使像面旋轉(zhuǎn)18008后反射直角棱鏡光線(xiàn)進(jìn)入棱90０450組合波羅棱鏡，望遠(yuǎn)鏡正像物理科學(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(lèi)：根據(jù)主截面的形狀，可分為三棱鏡、四棱鏡，五棱鏡等。9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(lái)發(fā)展很快的光導(dǎo)纖維，簡(jiǎn)稱(chēng)光纖，就是利用全反射原理制成的光能量的傳輸線(xiàn)。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)院全內(nèi)反射的應(yīng)用很廣，近年來(lái)發(fā)展很快物理科學(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)院階躍型光纖ab梯度型光纖階躍型多模光物理科學(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AB階躍光導(dǎo)纖維的端面光能夠沿光纖的內(nèi)物理科學(xué)與信息工程學(xué)院A點(diǎn)：即所以稱(chēng)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A點(diǎn)：即所以稱(chēng)為光導(dǎo)纖維的數(shù)物理科學(xué)與信息工程學(xué)院對(duì)于空氣中的光纖，凡是入射角小于i0的入射光，都將通過(guò)多次全反射從一端傳向另一端；入射角大于i0的光線(xiàn)，將透過(guò)內(nèi)壁進(jìn)入外層，不能繼續(xù)傳送。則由上式可見(jiàn)，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(guò)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)院對(duì)于空氣中的光纖，凡是入射角小物理科學(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(wú)感應(yīng)無(wú)串話(huà)保密性能好4)重量輕線(xiàn)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)院光通信優(yōu)點(diǎn)：低損耗窗玻璃幾千分貝物理科學(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(lái)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(lái)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(lái)越高，更是離不開(kāi)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)院由于光纖具有以上諸多優(yōu)點(diǎn)，光導(dǎo)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(guò)棱鏡時(shí)，將折射兩次，出射光線(xiàn)的方向和入射光線(xiàn)的方向之間的夾角，稱(chēng)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)院最常用的棱鏡是三棱鏡，它是一種色散棱鏡物理科學(xué)與信息工程學(xué)院如圖，根據(jù)幾何關(guān)系，可得因?yàn)楫?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?？梢宰C明，當(dāng)i1

＝

i1時(shí)，偏向角達(dá)到最小值0，0稱(chēng)為最小偏向角。返回18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)楫?dāng)因此，最小偏向角為：又當(dāng)i1

＝

i1時(shí)，折射角為i2

＝

i2＝A/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(cè)出最小偏向角，就可以計(jì)算出棱鏡材料的折射率。19因此，最小偏向角為：又當(dāng)i1＝i1時(shí)，折射角為i2

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(chēng)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(zhǎng)的光在同一介質(zhì)中的折射率不同。20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物理科學(xué)與信息工程學(xué)院光楔頂角很小的棱鏡，或者稱(chēng)為尖劈。如圖當(dāng)光線(xiàn)垂直或接近垂直入射到光楔上時(shí)，由折射定律得：如圖上兩式可近似的寫(xiě)成：則偏向角為：即可見(jiàn)，當(dāng)A很小時(shí)，偏向角只與n和頂角A有關(guān)。21物理科學(xué)與信息工程學(xué)院光楔頂角很小的棱鏡，或者稱(chēng)為尖劈物理科學(xué)與信息工程學(xué)院本節(jié)結(jié)束22物理科學(xué)與信息工程學(xué)院本節(jié)結(jié)束22第1章幾何光學(xué)的基本原理

（PrinciplesofGeometricalOptics）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.23第1章幾何光學(xué)的基本原理物理科學(xué)與信息工程學(xué)院§1.6

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(duì)應(yīng)的入射角為i

c。點(diǎn)光源.全內(nèi)反射稱(chēng)作臨界角。24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:25物理科學(xué)與信息工程學(xué)院當(dāng)入射角大于等于時(shí)，全部光能量物理科學(xué)與信息工程學(xué)院外反射：26物理科學(xué)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(xiàn)發(fā)生全反射內(nèi)反射，全內(nèi)反射：27物理科學(xué)與信息工程學(xué)院入射角大于臨界角的光線(xiàn)發(fā)生全反射內(nèi)反射物理科學(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(lái)改變光線(xiàn)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(guò)900使像轉(zhuǎn)過(guò)18001、全反射棱鏡28物理科學(xué)與信息工程學(xué)院二、全反射的應(yīng)用棱鏡是由透明介物理科學(xué)與信息工程學(xué)院29物理科學(xué)與信息工程學(xué)院7后反射直角棱鏡光線(xiàn)進(jìn)入棱鏡,依次經(jīng)三直角面反射后,出射光線(xiàn)與入射光線(xiàn)反向平行90０450組合波羅棱鏡，望遠(yuǎn)鏡正像系統(tǒng),使像面旋轉(zhuǎn)180030后反射直角棱鏡光線(xiàn)進(jìn)入棱90０450組合波羅棱鏡，望遠(yuǎn)鏡正像物理科學(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(lèi)：根據(jù)主截面的形狀，可分為三棱鏡、四棱鏡，五棱鏡等。31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(lái)發(fā)展很快的光導(dǎo)纖維，簡(jiǎn)稱(chēng)光纖，就是利用全反射原理制成的光能量的傳輸線(xiàn)。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32物理科學(xué)與信息工程學(xué)院全內(nèi)反射的應(yīng)用很廣，近年來(lái)發(fā)展很快物理科學(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。33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)，34物理科學(xué)與信息工程學(xué)院AB階躍光導(dǎo)纖維的端面光能夠沿光纖的內(nèi)物理科學(xué)與信息工程學(xué)院A點(diǎn)：即所以稱(chēng)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.AB35物理科學(xué)與信息工程學(xué)院A點(diǎn)：即所以稱(chēng)為光導(dǎo)纖維的數(shù)物理科學(xué)與信息工程學(xué)院對(duì)于空氣中的光纖，凡是入射角小于i0的入射光，都將通過(guò)多次全反射從一端傳向另一端；入射角大于i0的光線(xiàn)，將透過(guò)內(nèi)壁進(jìn)入外層，不能繼續(xù)傳送。則由上式可見(jiàn)，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(guò)程中為了防止光能進(jìn)入包層（n2），光纖的彎曲也不能太大。36物理科學(xué)與信息工程學(xué)院對(duì)于空氣中的光纖，凡是入射角小物理科學(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(wú)感應(yīng)無(wú)串話(huà)保密性能好4)重量輕線(xiàn)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37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(lái)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(lái)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(lái)越高，更是離不開(kāi)光纖的工作信帶寬、容量大和保密性能好等優(yōu)點(diǎn)。38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)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(guò)棱鏡時(shí)，將折射兩次，出射光線(xiàn)的方向和入射光線(xiàn)的方向之間的夾角，稱(chēng)為偏向角。如圖三、棱鏡的折射39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)楫?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?？梢宰C明，當(dāng)