CN103093675B - 一种模拟光纤演示装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学设备技术领域，涉及一种模拟光纤演示装置，光滑白板与长边平行的中心线处安装有模拟光纤，模拟光纤的主体为圆柱体结构，其外周制有圆筒玻璃容器，圆筒玻璃容器内与圆筒玻璃容器同轴心处制有实心玻璃圆柱，圆筒玻璃容器的内直径大于实心玻璃圆柱的外直径，两者之间的空间内充满填充液；光滑白板的中心线的上侧前端固定制有准直调节器，对应准直调节器的外侧处制有可见光源；模拟光纤的前端处固定制有弧形滑道，模拟光纤的前端点与弧形滑道的中心重合；准直调节器固定于弧形滑道上并沿弧形滑道滑动，模拟光纤由圆筒玻璃容器、实心玻璃圆柱、填充液同轴心组合构成；其主体结构简单，原理可靠，制备成本低，演示效果好，环境友好。

Description

一种模拟光纤演示装置

技术领域:

本发明属于光学设备技术领域，涉及一种光在光纤纤芯中传播路径的模拟光纤演示装置，尤其是一种光在阶跃型多模光纤中的全反射现象的演示。

背景技术：

光纤导光的几何光学原理是光的全反射，纤芯的折射率大于包层的折射率，当光线以大于等于临界角的方向入射到纤芯和包层的分界面时发生全反射现象，由于光纤直径只有几个到百个微米，所以人眼无法看到光束在纤芯中的传播路径。目前，大部分理科院校都开设了《光纤通信原理》课程，有的高中学校为扩大学生的知识面也会向学生讲授光纤通信的基本原理，通信公司培训和布景也需要演示光在光纤中的传播原理。但是到目前为止，尚未见有演示光线在光纤中传播的装置被公开，究其原因，不仅光纤纤芯的折射率大于包层的折射率，而且两个折射率平方差的平方根必须小于1，即数值孔径小于1，在日常生活和常规装置中，没有这种折射率分布的器件或者装置。讲授者对这部分内容的处理主要是理论讲解，再结合画图，初学者很难获得感性认知，在光学实践教学中迫切需求这样的一种演示装置，以填补空白。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计一种模拟光在光纤纤芯中的传播演示设备，使人们能够直观地看到光线在纤芯与包层的分界面发生全反射以及向前传播的路径。

为了实现上述目的，本发明的主体结构包括模拟光纤、可见光源、准直调节器、弧形滑道、实心玻璃圆柱、圆筒玻璃容器、注水口、注水阀、光滑白板、中心线和填充液；长方形木质或金属质结构的光滑白板的与长边平行的中心线处粘贴式固定安装有模拟光纤，模拟光纤的主体为圆柱体结构，其外周制有内空式玻璃质的圆筒玻璃容器，圆筒玻璃容器内与圆筒玻璃容器同轴心处制有实心玻璃圆柱，圆筒玻璃容器的内直径大于实心玻璃圆柱的外直径，两者之间的空间内充满填充液；光滑白板的中心线的上侧前端固定制有准直调节器，对应准直调节器的外侧处制有可见光源；对称于中心线的模拟光纤的前端处固定制有弧形滑道，模拟光纤的前端点与弧形滑道的中心重合；准直调节器固定于弧形滑道上并沿弧形滑道滑动，以调节激光线束与中心线的夹角；模拟光纤由圆筒玻璃容器、实心玻璃圆柱、填充液同轴心组合构成。

本发明涉及的模拟光纤长度为50-90cm；注入圆筒玻璃容器中的填充液包括水、酒精或丙酮，或折射率为1.12～1.50的透明液体，以保证数值孔径小于1；可见光源为绿光、蓝光或红光激光笔、半导体激光器、光纤耦合输出的全固态激光器或光纤激光器；模拟光纤或选择弯曲结构的圆柱体结构，用于演示光纤弯曲对耦合效率的影响；可见光源的耦合系统为两个共焦的聚焦透镜，尽管普通玻璃的损耗达到1000dB/km，模拟光纤对激光功率的损耗10%，在光滑白板的背景下，人眼能够清楚地看到光线在光纤中的传播路径。

本发明与现有技术相比，其主体结构简单，原理可靠，制备成本低，演示效果好，环境友好，解决了由于光纤直径小且易碎，不能直接用于演示光线路径的问题，可广泛应用于光学教学场合或实验室场合。

附图说明：

图1为本发明的主体结构原理示意图。

图2为本发明涉及的模拟光纤结构原理示意图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图作进一步说明。

实施例：

本实施例的主体结构包括模拟光纤1、可见光源2、准直调节器3、弧形滑道4、实心玻璃圆柱5、圆筒玻璃容器6、注水口7、注水阀8、光滑白板9、中心线10和填充液11；长方形木质或金属质结构的光滑白板9的与长边平行的中心线10处粘贴式固定安装有模拟光纤1，模拟光纤1的主体为圆柱体结构，其外周制有内空式玻璃质的圆筒玻璃容器6，与圆筒玻璃容器6同轴心处制有实心玻璃圆柱5，圆筒玻璃容器6的内直径大于实心玻璃圆柱5的外直径，两者之间的空间内充有填充液11；光滑白板9的中心线10的上侧前端固定制有准直调节器3，对应准直调节器3的外侧处制有可见光源2；对称于中心线10的模拟光纤1的前端处固定制有弧形滑道4，模拟光纤1的前端点与弧形滑道4的中心重合；准直调节器3固定于弧形滑道4上并沿弧形滑道4滑动，以调节激光线束与中心线的夹角α；模拟光纤1由圆筒玻璃容器6、实心玻璃圆柱5、填充液11同轴心组合构成。

本实施例先制备出长度50-90厘米的模拟光纤1，选择玻璃棒为实心玻璃圆柱5，其直径为3厘米，圆筒玻璃容器6的内直径为5厘米，在圆筒玻璃容器6中注满酒精并固定在光滑白板9上，可见光激光器的光源为输出功率为6毫瓦的632nm红光激光笔，准直调节器3为两个共焦同轴的凸透镜，焦距分别是30毫米和15毫米，红光激光笔输出端面放置在30毫米透镜的焦点，经过准直调节器3输出的光束直径为0.8毫米，弧形滑道4的圆弧半径为10厘米，保持激光束与模拟光纤1轴线在同一平面内，取空气的折射率为1.00，玻璃的折射率为1.50，酒精的折射率为1.39，当光束在空气与玻璃分界面的入射角a小于或等于69.7度时，折射到实心玻璃圆柱5中的光线在玻璃与酒精分界面发生全反射，导致光束在实心玻璃圆柱5中向前传播，等同于光在光纤纤芯中的传播；可以观察到，光束随着距离增大而变暗，说明光纤有损耗；改变光线与轴线的夹角α从90度到零度，可观察到光线在分界面处由折射到全反射的过程。

Claims (1)

1.一种模拟光纤演示装置，其特征在于主体结构包括模拟光纤、可见光源、准直调节器、弧形滑道、注水口、注水阀、光滑白板和中心线；长方形木质或金属质结构的光滑白板的与长边平行的中心线处粘贴式固定安装有模拟光纤，模拟光纤的主体为圆柱体结构，其外周制有内空式玻璃质的圆筒玻璃容器，圆筒玻璃容器内与圆筒玻璃容器同轴心处制有实心玻璃圆柱，圆筒玻璃容器的内直径大于实心玻璃圆柱的外直径，两者之间的空间内充满填充液；光滑白板的中心线的上侧前端固定制有准直调节器，对应准直调节器的外侧处制有可见光源；对称于中心线的模拟光纤的前端处固定制有弧形滑道，模拟光纤的前端点与弧形滑道的中心重合；准直调节器固定于弧形滑道上并沿弧形滑道滑动，以调节激光线束与中心线的夹角；模拟光纤由圆筒玻璃容器、实心玻璃圆柱、填充液同轴心组合构成；模拟光纤长度为50-90cm；注入圆筒玻璃容器中的填充液包括水、酒精或丙酮，或折射率为1.12～1.50的透明液体，以保证数值孔径小于1；可见光源为绿光、蓝光或红光激光笔、半导体激光器、光纤耦合输出的全固态激光器或光纤激光器；模拟光纤或选择弯曲结构的圆柱体结构，用于演示光纤弯曲对耦合效率的影响；可见光源的耦合系统为两个共焦的聚焦透镜，尽管普通玻璃的损耗达到1000dB/km，模拟光纤对激光功率的损耗10％，在光滑白板的背景下，人眼能够清楚地看到光线在光纤中的传播路径。