光纤自身不能发光, 但光纤可以传光,用于照明; 光纤照明所选用的光纤, 按照光纤材质的不同, 通常可分为石英光纤、多组分玻璃光纤和塑料光纤POF 等, 本文研究POF 的传光原理, 其它的光纤传光原理同POF 的传光原理是一致的。

1880 年, 威廉·惠勒提出“管道照明”的设想, 并获得美国专利, 这是有案可查的Z早的“遥控照明”装置, 基本原理: 用内壁涂有反射层的管子把中心光源的光象自来水一样引至若干个需要照明的地点。1954 年, Hopki n’s 和apany 成功地用一束10, 000 到20, 000 的纤维来传输图像的文章,Va nHe e l 发现低折射率光纤包层的作用, 纤维的图像传输的成功实现和光纤包层的提出这两个进步标志着光导纤维作为一个新兴学科的诞生, 1966 年, 美国杜邦DuPont 公司在这一年向市场推出了世界上第一根POF, POF 就是光纤的一种, 而光纤用于光

纤照明的基本原理是利用光线在不同折射率介质的界面发生全反射, 实现光在光纤中的高效传输以及光纤与光源的充分耦合, 并通过与各种光学元件的组合, 达到需要的照明效果, 为了解光在光纤中的传输方式, 现介绍子午光线在POF 中的传输特性。

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。即光既具有粒子性, 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。

2 几何光学理论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= θ 3, 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。

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, 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,即全反射, 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。

4 子午线在阶跃型光纤中的几何行程和反射次数

由于子午光线入射光纤中并不是同一角度, 故而其在光纤中的几何行程也不相

同。无论是子午线在光线中的行程计算公式还是反射次数计算公式, 都是假定光纤是处于非常理想状态下: 光纤非常直, 光纤直径均匀, 光纤内部无缺陷和光纤入射端面平直等, 倘若光纤不在这一理想条件下, 则入射子午线全反射的状况就会发生变化, 如有的会从光纤中反射出, 有的反射角会发生变化等, 因此光纤的传输损耗也会增加。

5 斜光线在阶跃型折射率POF中的传输

所谓斜面光线, 就是光在光纤中传输中时, 并不是像子午光线一样保证在同一平面内, 它在光纤中传输时, 其轨道通常是一空间螺旋曲线, 其Z大入射角比子午线的大, 但通常以子午线传输表征光纤的传输特性, 自然这是Z理想的一种状况。

6 光在渐变型折射率分布POF中的传输

对于渐变型折射率GI POF, 同样有子午线和斜光纤, 这种光纤折射率并不是一恒定常数, 而是随着离轴距离的增加而折射率下降, 抛物线型折射率分布光纤具有较小的模式色散的特点, 渐变折射分布有多种形式, 当折射率分布按二次方抛物线分布时,子午线在光纤中的传播路径为正弦曲线型,斜光纤的传播路径为螺旋曲线, 渐变型折射率POF 多用于短距离数据传输, 用于光纤照明较少。这种光纤传输的激光能量分布接近Gaus s 分布, 即在光纤轴附近具有更高的光能量密度, 即激光能量更为集中, 其传输的激光功率密度I 可认为与纤芯直径α的平方成正比。若保持光纤传输的激光功率不变的话, 减小光纤芯径即减小传输激光能量的光纤纤芯的横截面面积, 则光纤传输的激光功率密度将增加[ 5] , 当光在这种GI

POF 传输时, 可以说是一种极低能量的传输, 亦满足如上所述的公式。

7 结语

POF 之所以能传光是因为光纤具有芯皮结构, 光在POF 中传输是按全反射原理

进行传光的, 光在SI POF 中的传输方式为全反射式锯齿型, 光在GI POF 中的传输方式为正弦曲线型; 同时为了简化计算, 选用子午线进行了参数计算, 子午线就是光线的传播路径始终经过光纤轴并在同一平面内, 这些参数计算包括Z大入射角或发射光角度、数值孔径、子午线在阶跃型光纤中的几何行程及反射次数; 侧面发光POF和荧光POF 也是按全反射原理进行传光的, 对于单芯侧面发光OF 多是由非固有损耗导致侧面发光, 而对于多芯侧面发光POF 则是由弯曲损耗产生侧面发光的。