CN104732852B - 模拟光纤导光实验演示仪及演示方法 - Google Patents

Abstract

一种模拟光纤导光实验演示仪，在底座上设安装有半导体激光器的支架，底座上设置有储液箱，该储液箱由用于模拟光纤纤芯的导光板左侧设内装有两块水平隔板的左液箱、右侧设右液箱构成，两块隔板将左液箱内分隔成相互密封等体积的上贮液室a、中贮液室b、下贮液室c，上贮液室a内注满用于模拟光纤包层的水，中贮液室b内注满用于模拟光纤包层的甘油，下贮液室c内注满用于模拟光纤包层的水，右液箱内自下而上装等体积用于模拟光纤包层的水、蓖麻油、航空煤油。该仪器模拟演示全反射临界角实验、模拟演示光纤包层折射率必须小于纤芯折射率实验、模拟演示光纤包层折射率决定光纤数值孔径实验。可用于大学物理、光通信原理课及中学的实验教学。

Description

模拟光纤导光实验演示仪及演示方法

技术领域

本发明属于光学实验仪器技术领域，具体涉及到光导纤维导光的演示实验仪器。

背景技术

光纤作为高科技标志性成果之一，对其导光原理的介绍，早已广泛进入中小学课本及大学物理、光通信原理等专业课教材中。近年来配合光学与光通信原理课教材的实验演示仪器，也得到了大的发展。众所周知，光纤导光基于光的全反射原理，但现有的光纤导光演示实验仪器及公开的专利技术，大多只是向学生演示光纤可以将光信号或电信号经过光电转换后从光纤的一端传输到另一端，即只能演示弯曲的光纤可以传输光信号这一事实，而学生并不能看到光线在光纤中的传输路径，特别是针对物理专业学生，无法直观的看到决定光纤导光的物理条件，即光的入射临界角的观察和纤芯包层折射率大小对光纤导光效能的决定性影响。在光纤实验仪器技术领域，当前需迫切解决的一个技术问题是提供一种光纤导光物理条件的实验模拟装置。

专利申请号为201310012168.X、发明名称为《一种模拟光纤演示装置》的发明专利，在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，其外周制作有圆筒玻璃容器，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体，圆筒玻璃容器的内径大于实心玻璃圆柱体的外径，两者之间的空间内充满填充液，光滑白板的中心线上侧前端制有准直调节器，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、实心玻璃圆柱、填充液同轴心组合构成。该专利虽然用实心玻璃圆柱和其周围的填充液，较形象的模拟了光纤的“纤芯”和“包层”结构，但作为演示实验装置，其结构特征所决定的演示效果有明显不足。其一，利用实心玻璃圆柱和其周围不同折射率的填充液构成的整体透明圆柱体结构，让观察者从侧面观察实心玻璃圆柱中的光线传输径迹，但观察者看到的光线，实际上是透过实心玻璃圆柱外包裹的不同折射率的透明液体形成的“柱透镜”看到的，本专业领域的技术人员公知，这会使光线严重变形，无法看清楚光线径迹，因此也就无法看清楚入射角达到临界角的过程。无法实现所想象的演示效果。其二，实心玻璃圆柱体的圆柱形表面在反射传输光线的过程中，经过一次反射就会破坏激光束的单向性，使光束明显发散，发散的光束再透过外围透明液体形成的“柱透镜”观察，更会模糊不清，无法实现所要求的演示效果。其三，该发明中所采用的液体折射率均小于玻璃圆柱体的折射率，因此只能用其观察“包层”折射率小于“纤芯”折射率时玻璃圆柱体的光传输情况，而无法面向学生演示当“包层”折射率大于“纤芯”折射率时，光纤不能导光的情况。其四，该发明采用玻璃圆柱体作为模拟“纤芯”，无法实现将玻璃圆柱体同时浸入两种不同折射率的液体中，同时观察同一激光束在不同液体中的不同折射角的折射光束，即学生不能通过其直观的对比、感受“包层”折射率对光纤数值孔径的决定作用。由上述可明确看出，该发明虽然从结构上模拟了光纤的结构特征，但其演示效果很不理想。因此研制一种可清晰直观演示激光束在模拟“纤芯”中反射传输的“光线径迹”，演示入射角达到全反射临界角的动态过程，以及演示光纤“包层”折射率对“纤芯”导光的决定性作用的教学演示装置，具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的一个技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种设计合理、结构简单、演示效果直观、可动态演示的模拟光纤导光实验演示仪。

本发明所要解决的另一个技术问题在于提供一种使用上述模拟光纤导光实验演示仪的实验方法。

解决上述技术问题所采用的技术方案是：在底座上设置安装有半导体激光器的支架，底座上设置有储液箱，该储液箱由用于模拟光纤纤芯的导光板左侧设置内装有两块水平隔板的左液箱、右侧设置有右液箱构成，两块隔板将左液箱内分隔成相互密封等体积的上贮液室a、中贮液室b、下贮液室c，上贮液室a内注满用于模拟光纤包层的水，中贮液室b内注满用于模拟光纤包层的甘油，下贮液室c内注满用于模拟光纤包层的水，右液箱内自下而上装有等体积的用于模拟光纤包层的水、蓖麻油、航空煤油。

本发明的左液箱和右液箱为矩形箱体，导光板与左液箱、右液箱的高度相等，导光板与左液箱、右液箱的宽度相等。

本发明的左液箱、右液箱为透明有机玻璃箱体，隔板为透明有机玻璃板，导光板是各个面为光滑透光面的长方体石英玻璃。

使用上述的模拟光纤导光实验演示仪的模拟演示全反射临界角的实验方法如下：

由半导体激光器射出的激光束从导光板前侧面的下部，水平斜射到导光板右侧面与右液箱水的界面上产生反射和折射，折射光束进入水中；反射光束到达导光板左侧面与左液箱的下贮液室c内水的界面上再产生反射和折射，折射光束进入水中；改变激光束入射角θ₁的大小，由上向下观察导光板左、右两侧水中折射光束折射角θ₂的变化趋势，激光束入射角θ₁逐渐增大，在水中的折射光束折射角θ₂趋向90°；进一步增大激光束入射角θ₁使水中折射光束刚好消失，光被限制在导光板中，此时的激光束入射角θ₁为石英玻璃与水界面上的全反射临界角。

使用上述的模拟光纤导光实验演示仪模拟演示光纤包层折射率小于纤芯折射率是光纤导光必要条件的实验方法如下：

由半导体激光器射出的激光束从导光板前侧面的中部，水平斜射到导光板右侧面与蓖麻油的界面上产生反射和折射，折射光束进入蓖麻油中；反射光束到达导光板左侧面与左液箱的中贮液室b内甘油的界面上再产生反射和折射，折射光束进入甘油中；改变激光束入射角θ₁大小，由上向下观察导光板右侧面蓖麻油中折射光束折射角θ₃的变化趋势和左侧面甘油中折射光束折射角θ₄的变化趋势，逐渐增大激光束入射角θ₁，目测比较激光束在导光板与蓖麻油界面上的入射角θ₁、激光束在导光板与甘油界面上的折射角θ₃、激光束在导光板与蓖麻油界面上的折射角θ₄的大小，分析激光束在导光板与蓖麻油、甘油界面上不能形成全反射的原因。

使用上述的模拟光纤导光实验演示仪器模拟演示光纤包层折射率决定光纤数值孔径的实验方法如下：

由半导体激光器射出的激光束从导光板前侧面的上部，水平斜射到导光板右侧面与右液箱航空煤油的界面上产生反射和折射，折射光束进入航空煤油中，反射光束到达导光板左侧面与左液箱的上贮液室a内水的界面上再产生反射和折射，折射光进入水中，逐渐增大激光束入射角θ₁，由上向下观察导光板右侧面航空煤油中折射光束折射角θ₅和左侧面水中折射光束折射角θ₆的变化趋势，再逐渐增大激光束在导光板右表面入射角θ₁，使折射进入水中的激光束的折射角θ₆趋向90°，即激光束在导光板与水的界面上刚好形成全反射，这时的激光束在导光板右侧面与航空煤油界面上的入射角θ₁为激光束在导光板与水的界面上的全反射临界角，在导光板3的上表面用量角器测量这时的全反射临界角；继续增大激光束在导光板右侧面与航空煤油界面上的入射角θ₁，折射到航空煤油中的折射光束折射角θ₅趋向90°，使激光束在导光板与航空煤油的界面上刚好形成全反射，这时的激光束在导光板右侧面的入射角θ₁为激光束在导光板与航空煤油界面上的全反射临界角,在导光板3的上表面用量角器测量这时的全反射临界角，根据光纤数值孔径的定义以及光纤最大受光角和纤芯与包层界面上全反射临界角的关系：

NA＝sinα＝sin(90°-β₁)

式中NA为光纤数值孔径，α为光纤最大受光角，β₁为石英玻璃与不同液体界面上的全反射临界角，分析光纤包层折射率、纤芯与包层界面上全反射临界角同光纤数值孔径的关系。

本发明以横截面为矩形的导光板为模拟纤芯，以折射率小于、大于石英玻璃折射率，处于不同位置的透明液体为模拟包层。在演示过程中，可清晰直观的演示导光板两侧液体的折射率小于、大于导光板的折射率情况下，液体中折射光折射角的差异和入射角趋向全反射临界角的全过程，以及不同固液界面上全反射临界角的大小差异，可清晰、直观地观察入射角趋向临界角的全过程，定性了解全反射临界角与包层折射率大小的关系。本发明具有结构简单，生产成本低、操作方便、演示效果明显等优点，可广泛用于大学物理、光通信原理课以及中学的实验教学与课堂教学的演示。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图。

图2是图1的俯视图。

图3是模拟演示全反射临界角的光路图。

图4是模拟演示光纤包层折射率小于纤芯折射率为光纤导光必要条件的光路图。

图5是模拟演示光纤包层的折射率决定光纤数值孔径的光路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于下述的实施例。

实施例1

在图1、2中，本实施例的模拟光纤导光实验演示仪由左液箱1、隔板2、导光板3、右液箱4、半导体激光器5、支架6、底座7联接构成，其中左液箱1、隔板2、导光板3、右液箱4构成储液箱。

在底座7上用螺纹紧固联接件固定联接有支架6，支架6上安装有半导体激光器5，半导体激光器5用于产生激光，为本发明的光源，半导体激光器5可在支架6上转动或移动，转动半导体激光器5，可改变激光的出射方向。底座7上放置有储液箱，本实施例的储液箱由左液箱1、右液箱4、导光板3、隔板2联接构成，左液箱1、右液箱4、隔板2采用透明有机玻璃材料，导光板3是端面为矩形、各个面均为光滑透光面，导光板3的几何形状为长方体，导光板3用石英玻璃材料制成，导光板3用于模拟光纤纤芯，导光板3的左侧用胶与左液箱1粘接、右侧用胶与右液箱4粘接，左液箱1和右液箱4为矩形箱体，导光板3与左液箱1、右液箱4的高度相等，导光板3与左液箱1、右液箱4的宽度相等，左液箱1内用胶粘接有两块水平放置的隔板2，两块隔板2将左液箱1内分隔成相互密封等体积的上贮液室a、中贮液室b、下贮液室c，上贮液室a内注满水，中贮液室b内注满甘油，下贮液室c内注满水。在右液箱4内自下而上装有水、蓖麻油、航空煤油，水、蓖麻油、航空煤油三种透明液体互不相溶，三种透明液体的体积相等比重不同、折射率有明显差异、能明显分层，本实施例采用水、甘油、蓖麻油、航空煤油用于模拟光纤包层。

采用上述模拟光纤导光实验演示仪的演示实验方法如下：

1、模拟演示全反射临界角的方法

在图1、3中，由半导体激光器5射出的激光束从导光板3前侧面的下部，水平斜射到导光板3右侧面与右液箱4水的界面上产生反射和折射，折射光束进入水中；反射光束到达导光板3左侧面与左液箱1的下贮液室c内水的界面上再产生反射和折射，折射光束进入水中；改变激光束入射角θ₁的大小，在图1中由上向下观察导光板3左、右两侧水中折射光束折射角θ₂的变化趋势。当激光束入射角θ₁逐渐增大时，由于石英玻璃的折射率(1.4601)大于水的折射率(1.333)，在水中的折射光束折射角θ₂趋向90°；进一步增大激光束入射角θ₁，水中的折射光束刚好消失，导光板3中折线传输的激光束亮度突然增强，光被“限制”在导光板3中，此时的激光束入射角θ₁即为石英玻璃与水界面上的全反射临界角。

上述过程直观演示了在光纤包层折射率小于光纤纤芯折射率的前提下，入射角等于、大于全反射临界角，是实现光纤导光的必要物理条件。

2、模拟演示光纤包层折射率小于纤芯折射率是光纤导光必要条件的实验方法

在图1、4中，由半导体激光器5射出的激光束从导光板3前侧面的中部，水平斜射到导光板3右侧面与蓖麻油的界面上产生反射和折射，折射光进入蓖麻油中；反射光束到达导光板3左侧面与左液箱1的中贮液室b内甘油的界面上再产生反射和折射，折射光进入甘油中；改变激光束入射角θ₁大小，在图1中由上向下观察导光板3右侧面蓖麻油中折射光束折射角θ₃的变化趋势和左侧面甘油中折射光束折射角θ₄的变化趋势，逐渐增大激光束入射角θ₁，在蓖麻油中的折射光束折射角θ₃和甘油中折射光束折射角θ₄也随着增大。由于甘油的折射率(1.4744)和蓖麻油的折射率(1.487)均大于石英玻璃的折射率(1.4601)，目测比较激光束在导光板3与蓖麻油界面上的入射角θ₁、激光束在导光板3与蓖麻油界面上的折射角θ₃、激光束在导光板3与甘油界面上的折射角θ₄三者的大小，可看到激光束在导光板3与甘油界面上的折射角θ₄、导光板3与蓖麻油界面上的折射角θ₃都小于激光束的入射角θ₁，因此不论激光束入射角θ₁多大，激光都不会在导光板3与蓖麻油、甘油界面上形成全反射。

上述过程直观演示了光纤包层折射率大于纤芯折射率时，在光纤包层与纤芯界面上不可能形成全反射，即光纤无法导光。因此，折光纤包层折射率小于光纤纤芯折射率，是实现光纤导光的又一必要物理条件。

3、模拟演示光纤包层的折射率决定光纤数值孔径的实验方法

在图1、5中，由半导体激光器5射出的激光束从导光板3前侧面的上部，水平斜射到导光板3右侧面与右液箱4航空煤油的界面上产生反射和折射，折射光束进入航空煤油中；反射光束到达导光板3左侧面与左液箱1的上贮液室a内水的界面上再产生反射和折射，折射光进入水中；逐渐增大激光束入射角θ₁，在图1中由上向下观察到导光板3右侧面航空煤油中折射光束折射角θ₅和左侧面水中折射光束折射角θ₆的同步增大，由于航空煤油的折射率(1.43)大于水(1.333)的折射率，目测比较航空煤油中激光束折射角θ₅明显小于水中激光束折射角θ₆。再逐渐增大激光束在导光板3右侧面与航空煤油的界面上入射角θ₁，可看到折射进入水中的激光束的折射角θ₆首先趋向90°，水中折射光束刚好消失时，即激光束在导光板3与水的界面上刚好形成全反射，这时的激光束在导光板3右表面的入射角θ₁，即为激光束在导光板3与水的界面上的全反射临界角，在图1中由上向下观察导光板3中的入射激光束，在导光板3的上表面用量角器测量这时的全反射临界角；继续增大激光束在导光板3右侧面与航空煤油界面上的入射角θ₁，折射到航空煤油中的折射光束折射角θ₅趋向90°，航空煤油中折射光束刚好消失时，导光板3中折线传输的激光束亮度突然增强，激光束在导光板3与航空煤油的界面上刚好形成全反射，这时的激光束在导光板3右侧面的入射角θ₁，即为激光束在导光板3与航空煤油界面上的全反射临界角，在导光板3的上表面用量角器测量这时的全反射临界角。

上述演示过程可知，激光束在导光板3与航空煤油界面上的全反射临界角大于导光板3与水界面上的全反射临界角。即说明模拟包层的折射率越小，激光束在模拟纤芯与模拟包层界面上的全反射临界角就越小，由光纤数值孔径的定义以及光纤最大受光角和纤芯与包层界面上全反射临界角的关系：

NA＝sinα＝sin(90°-β₁)

式中NA为光纤数值孔径，α光纤最大受光角，β₁为导光板3与不同透明液体界面上的全反射临界角，可知，全反射临界角越小，光纤数值孔径越大。

上述过程直观演示了在光纤纤芯折射率大于光纤包层折射率的前提下，光纤包层的折射率越大，光纤的数值孔径就越小；光纤包层的折射率越小，光纤的数值孔径越大。

Claims (6)

1.一种模拟光纤导光实验演示仪，其特征在于：在底座(7)上设置安装有半导体激光器(5)的支架(6)，底座(7)上设置有储液箱，该储液箱由用于模拟光纤纤芯的导光板(3)左侧设置内装有两块水平隔板(2)的左液箱(1)、右侧设置有右液箱(4)构成，两块隔板(2)将左液箱(1)内分隔成相互密封等体积的上贮液室(a)、中贮液室(b)、下贮液室(c)，上贮液室(a)内注满用于模拟光纤包层的水，中贮液室(b)内注满用于模拟光纤包层的甘油，下贮液室(c)内注满用于模拟光纤包层的水，右液箱(4)内自下而上装有等体积的用于模拟光纤包层的水、蓖麻油、航空煤油。

2.根据权利要求1所述的模拟光纤导光实验演示仪，其特征在于：所述的左液箱(1)和右液箱(4)为矩形箱体，导光板(3)与左液箱(1)、右液箱(4)的高度相等，导光板(3)与左液箱(1)、右液箱(4)的宽度相等。

3.根据权利要求1或2所述的模拟光纤导光实验演示仪，其特征在于：所述的左液箱(1)、右液箱(4)为透明有机玻璃箱体，隔板(2)为透明有机玻璃板，导光板(3)是各个面为光滑透光面的长方体石英玻璃。

4.一种使用权利要求1所述的模拟光纤导光实验演示仪的演示实验方法，其特征在于使用该仪器模拟演示全反射临界角的实验方法如下：

由半导体激光器(5)射出的激光束从导光板(3)前侧面的下部，水平斜射到导光板(3)右侧面与右液箱(4)水的界面上产生反射和折射，折射光束进入水中；反射光束到达导光板(3)左侧面与左液箱(1)的下贮液室(c)内水的界面上再产生反射和折射，折射光束进入水中；改变激光束入射角(θ₁)的大小，由上向下观察导光板(3)左、右两侧水中折射光束折射角(θ₂)的变化趋势，激光束入射角θ₁逐渐增大，在水中的折射光束折射角(θ₂)趋向90°；进一步增大激光束入射角(θ₁)使水中折射光束刚好消失，光被限制在导光板(3)中，此时的激光束入射角(θ₁)为石英玻璃与水界面上的全反射临界角。

5.一种使用权利要求1所述的模拟光纤导光实验演示仪的演示实验方法，其特征在于使用该仪器模拟演示光纤包层折射率小于纤芯折射率是光纤导光必要条件的实验方法如下：

由半导体激光器(5)射出的激光束从导光板(3)前侧面的中部，水平斜射到导光板(3)右侧面与蓖麻油的界面上产生反射和折射，折射光束进入蓖麻油中；反射光束到达导光板(3)左侧面与左液箱(1)的中贮液室(b)内甘油的界面上再产生反射和折射，折射光束进入甘油中；改变激光束入射角(θ₁)大小，由上向下观察导光板(3)右侧面蓖麻油中折射光束折射角(θ₃)的变化趋势和左侧面甘油中折射光束折射角(θ₄)的变化趋势，逐渐增大激光束入射角(θ₁)，目测比较激光束在导光板(3)与蓖麻油界面上的入射角(θ₁)、激光束在导光板(3)与甘油界面上的折射角(θ₃)、激光束在导光板(3)与蓖麻油界面上的折射角(θ₄)的大小，分析激光束在导光板(3)与蓖麻油、甘油界面上不能形成全反射的原因。

6.一种使用权利要求1所述的模拟光纤导光实验演示仪的演示实验方法，其特征在于使用该仪器模拟演示光纤包层折射率决定光纤数值孔径的实验方法如下：

由半导体激光器(5)射出的激光束从导光板(3)前侧面的上部，水平斜射到导光板(3)右侧面与右液箱(4)航空煤油的界面上产生反射和折射，折射光束进入航空煤油中，反射光束到达导光板(3)左侧面与左液箱(1)的上贮液室(a)内水的界面上再产生反射和折射，折射光进入水中，逐渐增大激光束入射角(θ₁)，由上向下观察导光板(3)右侧面航空煤油中折射光束折射角(θ₅)和左侧面水中折射光束折射角(θ₆)的变化趋势，再逐渐增大激光束在导光板3右表面入射角(θ₁)，使折射进入水中的激光束的折射角(θ₆)趋向90°，即激光束在导光板(3)与水的界面上刚好形成全反射，这时的激光束在导光板(3)右侧面与航空煤油界面上的入射角(θ₁)为激光束在导光板(3)与水的界面上的全反射临界角，在导光板(3)的上表面用量角器测量这时的全反射临界角；继续增大激光束在导光板(3)右侧面与航空煤油界面上的入射角(θ₁)，折射到航空煤油中的折射光束折射角(θ₅)趋向90°，使激光束在导光板(3)与航空煤油的界面上刚好形成全反射，这时的激光束在导光板(3)右侧面的入射角(θ₁)为激光束在导光板(3)与航空煤油界面上的全反射临界角,在导光板(3)的上表面用量角器测量这时的全反射临界角，根据光纤数值孔径的定义以及光纤最大受光角和纤芯与包层界面上全反射临界角的关系：

NA＝sinα＝sin(90°-β₁)

式中NA为光纤数值孔径，α为光纤最大受光角，β₁为石英玻璃与不同液体界面上的全反射临界角，分析光纤包层折射率、纤芯与包层界面上全反射临界角同光纤数值孔径的关系。