第2节全反射光导纤维 光的全反射现象不同介质的折射率是不同的我们把折射率较小的介质叫做光蔬介质 折射率较大的介质叫做光密介质。光疏介质和光密介质是相对的,例如水、玻璃和金刚石三种 物质相比较,玻璃对水来说是光密介质,对金刚石来说是光疏介质。根据折射定律可知,光由 光疏介质射入光密介质时,折射角小于入射角;光由光密介质射入光疏介质时,折射角大于入 射角 既然光由光密介质射入光疏介质时,折射角大于入射角,由此可以预测,当入射角增大到 定程度时,折射角就会增大到90°,如果入射角再增大,会出现什么情况呢? 演示 如图1,2-1所示,用平行光源发出的窄光束沿着半圆形玻璃的半径射到平直的边上,会 同时看到反射光线和折射光线。逐渐增大入射角,观察反射光线和折射光线有什么变化。 图121全反射现象 由实验可知,当光沿着半圆形的玻璃砖的半径射到平直边上时,一部分光从玻璃砖平直的 边上折射到空气中,另一部分光反射回玻璃内。逐渐增大入射角,将会看到折射光离法线越来 越远,而且越来越弱,反射光却越来越强。当入射角增大到某一角度,使折射角达到90°时, 折射光完全消失,只剩下反射光,这种现象叫做全反射( total reflection) 我们把折射角等于90°时的入射角叫做临界角( critical angle),用符号C表示。 显然,要发生全反射,光线不仅要从光密介质射向光疏介质,而且入射角要等于或大于临 第一章光的折射 界角 不同的介质,由于折射率不同,在空气中发生全反射的临界角也就不一样。下面我们计算 折射率为n的某种介质在空气(或真空)中发生全反射时的临界角C 由于临界角C是折射角等于90°时的入射角,还由于光路是可逆的,因此根据折射定律 可得 dT 6
n90 n iin c C n 从折射率表中查出介质的折射率,就可以用上式求 图122金刚石在光照下显得璨夺目 出光从这种介质射到真空或空气时的临界角。金刚石的 临界角为244°,各种玻璃的临界角为32-42°,水的 临界角为488。 在自然界中,光的全反射现象经常可以看到。例如 金刚石经过一定的方式切割,进入其中的光线在金刚石 内部经过多次全反射后可以从某个表面射出。由于几乎 在所有方向都能从金刚石上方看到射出的光线,所以金 刚石在光照下显得璀璨夺目(图1.22) 光导纤维光导纤维简称光纤( optical fiber)。图1.23是市面上的玩具光纤“满天星”, 它由一个简易手电筒和数百根长短不一的塑料丝组成。晚上启动电筒开关后,它会给人留下 数不清的“亮星”飘动的感觉。这是因为从塑料丝的一端射进丝内的光线,在丝的内壁多次 发生全反射,沿着锯齿形路线由丝的另一端传了出来。塑料丝就像一个能传光的纤维一样 (图1.24)。 12 图124光在盟料丝内的传播路径 实用的光导纤维是用纯度极高的玻璃等透明材料(图125光纤结构 拉制成的极细(直径只有几微米到一百微米之间)的 纤志缓冲涂覆层 包层 纤维。它由纤芯和包层组成(图1.25)。纤芯材料的 折射率比包层的大,在纤芯中传播的光会在纤芯和包 层的界面上发生全反射,使得光在光纤中沿纤芯传 播。实际的光纤在包层外面还有一层缓冲涂覆层,其 作用是保护光纤免受环境污染和机械损伤
大家做 用光纤传输图像 图126光纤传像 从玩具光纤“满天星”头上拆下相同长度、相同 颜色的光纤按如图1.2阑成平行排列的一来,在这 捆光纤的一端粘上一个十分简单的字符(例如宇母 B)并让其对准明亮的光源,用肉眼观察这捆光纤的 另一端,你发现了什么? 医学上用光导纤维制成内窥镜(图127),用来检查人体胃、肠、气管等内脏的内部。实 际的内窥镜装有两组光纤,一组用来把光传送到人体内部用于照明,另一组用来观察。 图12-7 物镜接光票光束 光导纤维 传像束 目镜 控制钮 甲内窥镜示意图 乙医务人员正在用内窥镜为想者检查身体 我们知道,光也是一种电磁波,它可以像无线电波一样,作为一种载体来传递信息。载有 声音、图像以及各种数字信号的激光从光纤的一端输入,就可以沿着光纤传输到千里以外的另 一端,实现光纤通信。 下面,我们再利用“满天星”来做一个通信实验研究。 大家做 图128多向电视播控器 多向电视遥控器 将电视机的遥控器向上竖直放置,使其不能对电视进行遥 第一章光的折射 控。再将玩具光纤“满天星”的光纤头拆下,临时放置在电视 遥控器红外发射管的上方(图1.2-8,这时再按动电视遥控器 的按键,电视机就能被遥控了。想一想,这是为什么?
光纤通信的主要优点是容量大、衰减小、抗干扰能力强。例如 129光 对光纤的传输能力理论值为二十亿路电话,一千万路电视;而当今世 界最大的“国际通信卫星6号”也只能传输33万路电话,4路电视。 即便是现在已实际采用的数十万路电话的光纤通信,也较卫星通信容 量大。 要使光纤能实际用于通信,必须制成光缆(图1.29),对光纤进行 保护:在光缆中心使用钢丝以增强光缆的抗拉强度;在光缆内部装有阻 水、抗压的保护层:在光缆的最外部还有保护层。 陆地上的光缆通常埋在地面下1m左右深处。在靠近海岸的地方,光缆被埋在沟里。有 些光缆由于需要还被放在深水底部,置于深水中的光缆有时会被鱼类咬坏或被渔船撞坏。光缆 在当今通信中发挥着重要作用,但是由于人为的因素,光缆被挖断、被盗割的现象时有发生, 导致局部地区通信中断,造成重大的损失。我们要注意保护光缆。 目前我国电信网络的干线光缆已超过30万千米,已经基本形成以光缆为主体,以微波接 力和通信卫星为辅助手段的大容量数字干线传输网络,其覆盖范围包括全国地市以上城市和 90%的县级市及大部分乡镇,并与世界主要国际信息网络连通。 在长距离通信中光纤早已唱起了主角。但在短距离如家庭内、交通工具内、办公大楼及办 公室内的通信和多媒体传输中光纤的运用目前还很少。 塑料光纤在高速短距离通信传输中具有低成本,易连接,易加工和易弯曲等优势,它在网 络全光化的入户接入方面具有广泛的应用前景。近年来,各国对塑料光纤的研制和应用开发已 取得了较大的进展。 大家做 到本地通信部门了解本地光缆懒设和维护的情况,了解本地利用光缆开展电信、有线电视 和互联网业务的情况。协助本地通信部门搞一次维护光缆安全的宣传活动 注问与习 1.光从空气射入水中,要想使折射角等于30°,入射角应多大? 2有一种高折射率的玻璃微珠,所用材料的折射率达到2,它的临界角是多大? 3.光从折射率为√2的介质以40°的入射角射到介质与空气的界面上时,能够发生全反 射吗? 4.通过书刊及因特网查找内窥镜在医疗以及其他技术领域应用的实例
第了节棱镜和透镜 棱镜常用的棱镜是横截面为三角形或梯形的三棱镜,通常简称为棱镜( prism)。棱镜 可以改变光的传播方向(图1.31),还可以使白光发生色散(图132)。 13-1 图132 如图1.33所示,从玻璃棱镜的一个侧面射入的光,从另一个侧 图133 面射出,射出的方向跟射入的方向相比,明显地向着棱镜的底面偏 折。这是因为光在棱镜的两个侧面上发生折射,每次折射都使光线向 底面偏折的缘故。偏折的程度用偏向角θ表示。 在光学仪器中,常常用横截面是等腰直角三角形的棱镜来改变光 路。由于玻璃对空气的临界角小于45°,所以在图1.3-5所示的各种 情况中都会发生全反射。因此这种棱镜也叫全反射棱镜。 图134 乙 第 在图1.34甲中,棱镜使光東方向改变了90°,这种棱镜常用在潜望镜里(图1.35甲);在 的图1.34乙中,棱镜使光束方向改变了180°,望远镜为了获得较大的放大倍数,镜筒要很长, 特使用两块这种棱镜,就能缩短镜简的长度(图135乙)在图134丙中,棱镜改变了光束的 上下位置,可以使物像倒置。 E10