区父×∝×(a 一折射率 图62光纤的种类和光传播形式 (a)阶跃型多模光纤;(b)梯度型多模光纤; (c)单模光纤
图6.2 (a) 阶跃型多模光纤；（b） 梯度型多模光纤； (c) 单模光纤 (a) (b) (c) 折射率
61.3光纤的传光原理 讨论光纤的传光原理,首先要从光线在分层媒质中 传播开始由此引出光的全反射概念。我们知道,在几何 光学中当光线以较小的入射角q1(01<0。,0为临界角)由 光密媒质(折射率为n1)射入光疏媒质(折射率为n2) 时(如图63(a)所示折射角2满足斯乃尔(Sne)法则: n SinP=n,Sino (6.1) 根据能量守恒定律,反射光与折射光的能量之和等 于入射光的能量
6.1.3 讨论光纤的传光原理,首先要从光线在分层媒质中 传播开始,由此引出光的全反射概念。我们知道,在几何 光学中当光线以较小的入射角φ1 (φ1＜φc , φc为临界角)由 光密媒质（折射率为n1）射入光疏媒质（折射率为n2） 时(如图6.3(a)所示),折射角φ2满足斯乃尔（Snell）法则： n1 sinφ1 =n2 sinφ2 (6.1) 根据能量守恒定律,反射光与折射光的能量之和等 于入射光的能量
若逐渐加大入射角1一直到折射光就会沿着分 层媒质的交界面传播折射角@2=90°,如图63(b)所示。 此时的入射角g1=0于是式(61)可写为 Sin pp (62) 则临界角o可由上式决定。 若继续加大入射角q1(即p1>91),光不再产生 折射,而只有光密媒质中的反射,即形成了光的全反射现 象,如图63(c所示。因为q1>0,在0°~90°,有sinp1 SIne (6.3)
若逐渐加大入射角φ1 ,一直到φc ,折射光就会沿着分 层媒质的交界面传播,折射角φ2 =90° ,如图6.3(b)所示。 此时的入射角φ1 =φc ,于是式（6.1）可写为 (6.2) 则临界角φc可由上式决定。 若继续加大入射角φ1 （即φ1 ＞ φ1 ）,光不再产生 折射,而只有光密媒质中的反射,即形成了光的全反射现 象,如图6.3(c)所示。因为φ1 ＞φc ,在0° ～90° ,有sinφ1＞ sinφc ,则 sinφ1＞ ( ) (6.3) 1 2 sin n n c = 1 2 n n
光的全反射现象是光纤传光原理的基础。下面我们以阶 跃型多模光纤为例,来进一步说明光纤的传光原理。 阶跃型多模光纤的基本结构如图64所示。设纤芯的折射 率为n,包层的折射率为n2(n1>n2)。当光线从空气(折 射率为m0)中射入光纤的一个端面并与其轴线的夹角为O时 (如图64(a)所示),按照斯乃尔法则在光纤内折射成G1角然 后以q(1=90°-1)角入射到纤芯与包层的交界面上。若入射 角g1大于临界角。则入射的光线就能在交界面上产生全反射, 并在光纤内部以同样的角度反复逐次全反射向前传播,直至从 光纤的另一端射出。若光纤两端同处于空气之中,则出射角也 将为。光纤总是把光能封闭在线状的光路中,从一点传输到 另一点。即便弯曲光也能沿着光纤传播。但光纤过分弯曲,以 致使光射至界面的入射角小于临界角,那么大部分光将透过包 层损失掉,从而不能在纤芯内部传播
光的全反射现象是光纤传光原理的基础。下面我们以阶 跃型多模光纤为例,来进一步说明光纤的传光原理。 阶跃型多模光纤的基本结构如图6.4所示。设纤芯的折射 率为n1 ,包层的折射率为n2（ n1 ＞ n2 ）。当光线从空气（折 射率为n0）中射入光纤的一个端面,并与其轴线的夹角为θ0时 （如图6.4(a)所示）,按照斯乃尔法则,在光纤内折射成θ1角,然 后以φ1 (φ1 =90°-θ1 )角入射到纤芯与包层的交界面上。若入射 角φ1大于临界角φc ,则入射的光线就能在交界面上产生全反射, 并在光纤内部以同样的角度反复逐次全反射向前传播,直至从 光纤的另一端射出。若光纤两端同处于空气之中,则出射角也 将为θ0。光纤总是把光能封闭在线状的光路中,从一点传输到 另一点。即便弯曲,光也能沿着光纤传播。但光纤过分弯曲,以 致使光射至界面的入射角小于临界角,那么,大部分光将透过包 层损失掉,从而不能在纤芯内部传播
参考轴 参考轴 参考轴 折射率n2 折射光 0,=90 入射光 反射光 折射率n 01=0c} 01>0 全反射光 反射光 入射光 入射光o1< (C 图63光线入射角小于、等于和大于临界角时界面上发生的反射
图6.3 光线入射角小于、等于和大于临界角时界面上发生的反射 折射率n2 折射率n 1 参考轴 参考轴 参考轴 2 折射光 2 ＝ 90° 入射光 反射光 反射光 1 ＝ c c 1 ＞ c 入射光 全反射光 入射光 1 ＜ c (a) (b) (c)