塑料光纤的研究论文

　　1．光的基础知识

　　光是通过光源内大量的分子或原子振动而产生的辐射。1894年，麦克斯韦从理论上指出，光是一种电磁波，1905年爱因斯坦提出光是一粒一粒的粒子流，每个粒子可被称为光子。也就是说光既具有粒子性，又具有波动性，光在传播时表现为波动性，而与物质作用时又表现为粒子性。通常我们所说的光是电磁波的一种，它通常由紫外光、可见光和近红外光组成，其中1-390nm波段的光为紫外光UV，波长为280-300nm波段为UV-B，它的强光可以杀死或严重损伤地球上的生物;200-280um波段为UV-C，它的强光可以杀死地球上一切生物，包括人类,比紫外光频率更高的还有X光和γ射线等;390-760nm波段的光为可见光；波长在760-1500nm为近红外光，中红外波段波长范围为1.5-25μm，远红外光谱波长范围25-300μm,比远红外光频率更小或波长更长的有毫米波、微波、短波、中波和长波等。而可见光又是由七色光组成的，即可见光含有红色光、橙色光、黄色光、绿色光、蓝色光和靛青光等色光[2]：?

　　紫色/nm靛青/nm蓝色/nm绿色/nm黄色/nm橙色/nm红色/nm

　　390-430430-450450-500500-570570-600600-630630-760

　　国际照明委员会统一规定的标准是：选水银光谱中波长为700nm的红光为红基色光，波长为546.1nm的绿光为绿基色光,波长为435.8nm的蓝光为蓝基色光。常规POF一般在紫外光波段并没有很好的透光性，而石英光纤和特制的液芯光纤在这一区域有很好的透光率，POF在可见光区域有很好的透光率，由POF芯材选用氟化和氘化聚合物材料制备的POF在近红外光区域才有很好的透光率。

　　光在真空中的传播速度C为3×108m/s，光的传输波长λ，频率f和光速C之间关系参见如下公式:

　　C=fλ……………………(1)

　　其中f的单位为赫兹Hz或1／秒(s)，波长的单位为米(m)。

　　只有真空的折射率n为1.0，故光在任一传输介质的传播速度V是光速除以该介质的折射率，即：

　　光在真空中的传播速度是最快的，传输介质不同，其折射率不同，传光速度也不同。相对而言，折射率大的传输介质是光密介质，折射率小的传输介质是光疏介质，对于POF而言，POF芯材为光密介质，POF皮材为光疏介质，由于光在光密媒介－芯材中的传播速度会降低，故光在芯材中的传输速度慢于皮材中的传输速度;在空气中，由于n≈1，光波的传播速度接近于真空中的传播速度C；纯PMMA的折射率为1.49,故光在其中的传输速度约为2.01×108m/s。

　　光在均匀媒质或不均匀媒质中传输时，满足费玛(Fermat)原理，即光从空间一点到另一点是沿着时间为极值的路程而传播的，即光沿着光程为最小或最大或恒量的路径传播。

　　2．几何光学理论

　　要了解POF传光原理，必须了解一些几何光学的知识。

　　首先光学分为几何光学和物理光学，几何光学是研究光在均匀介质中的传播特性，通常采用直线来描述，它是研究光在介质中传播的基础光学理论。物理光学又分为波动光学和量子光学,波动光学认为光是一种电磁波，但它不能解释光的微观现象;量子理论认为光的能量不是连续分布的，光是一粒粒运动着的光子组成，每个光子具有确定的能量。几何光学理论的四大基本定律为：

　　2.1光的直线传播定律：在各向同性的均匀介质中，光是沿直线传播的。

　　2.2光的独立传播定律：不同光源发出的光线从不同方向通过某点时，彼此不影响，各光线的传播不受其它光线影响。

　　2.3光的反射定律：当一束光投射到某一介质光滑表面时，保存一部分光反射回原来的介质，这一光线称为反射光线，反射光线、入射光线和法线位由于同一平面内，入射线同法线组成的角称为入射角，反射光线同法线组成的角称为反射角，反射角等于入射角，即θ1=θ3,其绝对值相等，这就是反射定律。

　　2.4光的折射定律：当一束光投射到某一介质光滑表面时除了有一部分光发生反射外，还有一部分光通过介质分界面入射进第二传输介质中，这一部分光线称为折射光线，折射光线和入射光线分别位于法线的两侧，折射光线位于入射光线和法线所决定的平面内。折射光线同法线组成的角称为折射角，入射角的正弦值同折射角正弦值的比值为一恒定值，这就是折射定律。需要指出的是采用几何光学分析光在某一研究对象中的传输特性时，这一研究对象的几何尺寸必须远远大于所传输的光波长，这样才能忽略波长的长度，否则就必须采用物理光学分析光在研究对象中的传输特性。也即是光纤纤芯直径是所传播光波长的几十倍或几百倍时，其传播现象就可用几何光学而不用波动光学来研究。

　　3．子午光线在阶跃型POF中的传输

　　阶跃型POF是一种具有芯皮结构的光纤。

　　子午平面指的是包含有光纤轴的平面，所谓子午线，就是光线的传播路径始终在同一平面内，子午光线总是和光纤轴相交的，光在一种均匀介质传播时是一种直线式传播：当光从一种介质传至另一介质表面时，一般同时发生反射和折射；如果光从折射率小的光疏介质射入折射率大的光密介质时，则折射角小于入射角；而当光从光密介质射入光疏介质时折射角将大于入射角，因而当光从光密介质射入光疏介质时就有可能出现只有反射而无折射的现象，这就是全反射，全反射是光折射的一种边界效应，即光从一种透明介质进入到另一种介质里而发生弯曲的现象。POF就是通过全反射原理进行光传输的。

　　由折射定律公式可得出：

　　n1sinθ1=n2sinθ2(4)

　　这里n1、n2分为芯皮折射率，θ1、θ2分为入射角和折射角，设发生全反射的临界角为θm，此时θ2=90°，故而

　　当入射角θ1>θm时，则光在芯皮界面上发生全反射，而当入射角θ1<θm时，则光在芯皮表面上出现折射，有一部分光从芯材泄漏至皮层外。由全反射临界角同样可推出光纤截面临界入射光纤角θ0，在空气和光纤截面界面上，同样有：

　　n0sinθ0=n1sin(90°—θm)

　　=n1cosθm

　　其中，n0为空气折射率，设定其值同于真空折射率值1.0即n0=1.0，因而

　　即外界光入射角θ小于θ0时，光线才能在光纤中以全反射的形式向前传播，从光纤一端传至光纤另一端，所以，光纤临界接受角为：

　　故光在SIPOF光纤的传输方式为全反射式锯齿型。

　　光纤数值孔径是光纤一个重要指标之一，NA值越大，则θ0越大，光纤临界入射角越大，则光纤端面接受光或发射光角度越大，光纤的集光能力愈强，愈便于光纤同光纤连接或同光源耦合。常规POF的光纤数值孔径。