16-全反射-光纤与棱镜解析课件

第1章几何光学的基本原理

（PrinciplesofGeometricalOptics）物理科学与信息工程学院§1.6

全反射光纤与棱镜一、全反射

当光从光密媒质入射到光疏媒质时，折射角大于入射角，光在这种情况下的反射,叫作内反射.

当光从光疏媒质入射到光密媒质时，折射角小于入射角，光在这种情况下的反射,叫作外反射.1第1章几何光学的基本原理物理科学与信息工程学院§1.6

内反射时，折射角随着入射角的增大而增大，当折射角等于900时，对应的入射角为i

c。点光源.全内反射称作临界角。2内反射时，折射角随着入射角的增大而增大，当折射角物理科学与信息工程学院当入射角大于等于时，全部光能量都反回原介质这种反射叫作光的全反射，或叫作光的全内反射。可以计算出由折射定律:3物理科学与信息工程学院当入射角大于等于时，全部光能量物理科学与信息工程学院外反射：4物理科学与信息工程学院外反射：4物理科学与信息工程学院入射角大于临界角的光线发生全反射内反射，全内反射：5物理科学与信息工程学院入射角大于临界角的光线发生全反射内反射物理科学与信息工程学院二、全反射的应用棱镜是由透明介质做成的棱柱体，光学仪器中常利用棱镜来改变光线的方向，缩短仪器的尺寸，或将倒置的像矫正等。如图五脊棱镜波罗棱镜使像转过900使像转过18001、全反射棱镜6物理科学与信息工程学院二、全反射的应用棱镜是由透明介物理科学与信息工程学院7物理科学与信息工程学院7后反射直角棱镜光线进入棱镜,依次经三直角面反射后,出射光线与入射光线反向平行90０450组合波罗棱镜，望远镜正像系统,使像面旋转18008后反射直角棱镜光线进入棱90０450组合波罗棱镜，望远镜正像物理科学与信息工程学院多夫棱镜：主要用于倒像系统。棱镜的主截面：与棱镜的棱边垂直的平面。分类：根据主截面的形状，可分为三棱镜、四棱镜，五棱镜等。9物理科学与信息工程学院多夫棱镜：主要用于倒像系统。棱镜的主截物理科学与信息工程学院光进入光学纤维后,多次在内壁上发生全内反射,光从纤维的一端传向另一端.全内反射的应用很广，近年来发展很快的光导纤维，简称光纤，就是利用全反射原理制成的光能量的传输线。光学纤维:中央折射率大,表层折射率小的透明细玻璃丝.2、全反射型光导纤维10物理科学与信息工程学院全内反射的应用很广，近年来发展很快物理科学与信息工程学院阶跃型光纤ab

梯度型光纤阶跃型多模光纤

梯度型多模光纤一般使用的光纤是由直径约为12m的多根或单根玻璃纤维制成。每根纤维分内外两层。根据其折射率的分布分为两种：阶跃型光纤和梯度型光纤。如图阶跃型光纤内层折射率在1.8左右，外层折射率在1.4左右。11物理科学与信息工程学院阶跃型光纤ab梯度型光纤阶跃型多模光物理科学与信息工程学院AB阶跃光导纤维的端面光能够沿光纤的内壁由光纤的一端传到另一端.由B点：即当时，12物理科学与信息工程学院AB阶跃光导纤维的端面光能够沿光纤的内物理科学与信息工程学院A点：即所以称为光导纤维的数值孔经，它决定了可经光导纤维传递的光束的入射角.AB13物理科学与信息工程学院A点：即所以称为光导纤维的数物理科学与信息工程学院对于空气中的光纤，凡是入射角小于i0的入射光，都将通过多次全反射从一端传向另一端；入射角大于i0的光线，将透过内壁进入外层，不能继续传送。则由上式可见，为了使更大范围的光束能在光纤中传播，应选择n1和n2的差值较大的材料去制造光纤。另外，光纤在使用过程中为了防止光能进入包层（n2），光纤的弯曲也不能太大。14物理科学与信息工程学院对于空气中的光纤，凡是入射角小物理科学与信息工程学院光通信优点：低损耗窗玻璃几千分贝/公里光学玻璃500分贝/公里雨后清澄的大气1分贝/公里石英光纤0.2分贝/公里2)信带宽、容量大、速度快3)电气绝缘性能好无感应无串话保密性能好4)重量轻线径细可绕性好6)资源丰富价格低5)耐火耐腐蚀可用在许多恶劣环境下15物理科学与信息工程学院光通信优点：低损耗窗玻璃几千分贝物理科学与信息工程学院由于光纤具有以上诸多优点，光导纤维近几年来发展十分迅速。在工业、医学、通讯等方面的应用越来越多。尤其是随着计算机通讯网络的发展，通讯量、传输速度要求越来越高，更是离不开光纤的工作信带宽、容量大和保密性能好等优点。16物理科学与信息工程学院由于光纤具有以上诸多优点，光导物理科学与信息工程学院最常用的棱镜是三棱镜，它是一种色散棱镜。图为三棱镜的主截面。单色入射光通过棱镜时，将折射两次，出射光线的方向和入射光线的方向之间的夹角，称为偏向角。如图三、棱镜的折射17物理科学与信息工程学院最常用的棱镜是三棱镜，它是一种色散棱镜物理科学与信息工程学院如图，根据几何关系，可得因为当棱镜给定时（A一定），偏向角随着入射角i1的改变而改变。可以证明，当i1

＝

i1时，偏向角达到最小值0，0称为最小偏向角。返回18物理科学与信息工程学院如图，根据几何关系，可得因为当因此，最小偏向角为：又当i1

＝

i1时，折射角为i2

＝

i2＝A/2

，由折射定律：物理科学与信息工程学院

由上式，在实验中只要测出最小偏向角，就可以计算出棱镜材料的折射率。19因此，最小偏向角为：又当i1＝i1时，折射角为i2

平行的日光光束经三棱棱折射后，因对玻璃折射率不同而分散成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等七色光的现象称光之色散。

红光经棱镜，偏向最小,其折射率亦小，紫光最大，折射率亦大。棱镜与色散（Dispersion）

牛顿的色散实验色散：不同波长的光在同一介质中的折射率不同。20平行的日光光束经三棱棱折射后，因对玻璃折射率不同而分散成红物理科学与信息工程学院光楔顶角很小的棱镜，或者称为尖劈。如图当光线垂直或接近垂直入射到光楔上时，由折射定律得：如图上两式可近似的写成：则偏向角为：即可见，当A很小时，偏向角只与n和顶角A有关。21物理科学与信息工程学院光楔顶角很小的棱镜，或者称为尖劈物理科学与信息工程学院本节结束22物理科学与信息工程学院本节结束22第1章几何光学的基本原理

（PrinciplesofGeometricalOptics）物理科学与信息工程学院§1.6

全反射光纤与棱镜一、全反射

当光从光密媒质入射到光疏媒质时，折射角大于入射角，光在这种情况下的反射,叫作内反射.

当光从光疏媒质入射到光密媒质时，折射角小于入射角，光在这种情况下的反射,叫作外反射.23第1章几何光学的基本原理物理科学与信息工程学院§1.6

内反射时，折射角随着入射角的增大而增大，当折射角等于900时，对应的入射角为i

c。点光源.全内反射称作临界角。24内反射时，折射角随着入射角的增大而增大，当折射角物理科学与信息工程学院当入射角大于等于时，全部光能量都反回原介质这种反射叫作光的全反射，或叫作光的全内反射。可以计算出由折射定律:25物理科学与信息工程学院当入射角大于等于时，全部光能量物理科学与信息工程学院外反射：26物理科学与信息工程学院外反射：4物理科学与信息工程学院入射角大于临界角的光线发生全反射内反射，全内反射：27物理科学与信息工程学院入射角大于临界角的光线发生全反射内反射物理科学与信息工程学院二、全反射的应用棱镜是由透明介质做成的棱柱体，光学仪器中常利用棱镜来改变光线的方向，缩短仪器的尺寸，或将倒置的像矫正等。如图五脊棱镜波罗棱镜使像转过900使像转过18001、全反射棱镜28物理科学与信息工程学院二、全反射的应用棱镜是由透明介物理科学与信息工程学院29物理科学与信息工程学院7后反射直角棱镜光线进入棱镜,依次经三直角面反射后,出射光线与入射光线反向平行90０450组合波罗棱镜，望远镜正像系统,使像面旋转180030后反射直角棱镜光线进入棱90０450组合波罗棱镜，望远镜正像物理科学与信息工程学院多夫棱镜：主要用于倒像系统。棱镜的主截面：与棱镜的棱边垂直的平面。分类：根据主截面的形状，可分为三棱镜、四棱镜，五棱镜等。31物理科学与信息工程学院多夫棱镜：主要用于倒像系统。棱镜的主截物理科学与信息工程学院光进入光学纤维后,多次在内壁上发生全内反射,光从纤维的一端传向另一端.全内反射的应用很广，近年来发展很快的光导纤维，简称光纤，就是利用全反射原理制成的光能量的传输线。光学纤维:中央折射率大,表层折射率小的透明细玻璃丝.2、全反射型光导纤维32物理科学与信息工程学院全内反射的应用很广，近年来发展很快物理科学与信息工程学院阶跃型光纤ab

梯度型光纤阶跃型多模光纤

梯度型多模光纤一般使用的光纤是由直径约为12m的多根或单根玻璃纤维制成。每根纤维分内外两层。根据其折射率的分布分为两种：阶跃型光纤和梯度型光纤。如图阶跃型光纤内层折射率在1.8左右，外层折射率在1.4左右。33物理科学与信息工程学院阶跃型光纤ab梯度型光纤阶跃型多模光物理科学与信息工程学院AB阶跃光导纤维的端面光能够沿光纤的内壁由光纤的一端传到另一端.由B点：即当时，34物理科学与信息工程学院AB阶跃光导纤维的端面光能够沿光纤的内物理科学与信息工程学院A点：即所以称为光导纤维的数值孔经，它决定了可经光导纤维传递的光束的入射角.AB35物理科学与信息工程学院A点：即所以称为光导纤维的数物理科学与信息工程学院对于空气中的光纤，凡是入射角小于i0的入射光，都将通过多次全反射从一端传向另一端；入射角大于i0的光线，将透过内壁进入外层，不能继续传送。则由上式可见，为了使更大范围的光束能在光纤中传播，应选择n1和n2的差值较大的材料去制造光纤。另外，光纤在使用过程中为了防止光能进入包层（n2），光纤的弯曲也不能太大。36物理科学与信息工程学院对于空气中的光纤，凡是入射角小物理科学与信息工程学院光通信优点：低损耗窗玻璃几千分贝/公里光学玻璃500分贝/公里雨后清澄的大气1分贝/公里石英光纤0.2分贝/公里2)信带宽、容量大、速度快3)电气绝缘性能好无感应无串话保密性能好4)重量轻线径细可绕性好6)资源丰富价格低5)耐火耐腐蚀可用在许多恶劣环境下37物理科学与信息工程学院光通信优点：低损耗窗玻璃几千分贝物理科学与信息工程学院由于光纤具有以上诸多优点，光导纤维近几年来发展十分迅速。在工业、医学、通讯等方面的应用越来越多。尤其是随着计算机通讯网络的发展，通讯量、传输速度要求越来越高，更是离不开光纤的工作信带宽、容量大和保密性能好等优点。38物理科学与信息工程学院由于光纤具有以上诸多优点，光导物理科学与信息工程学院最常用的棱镜是三棱镜，它是一种色散棱镜。图为三棱镜的主截面。单色入射光通过棱镜时，将折射两次，出射光线的方向和入射光线的方向之间的夹角，称为偏向角。如图三、棱镜的折射39物理科学与信息工程学院最常用的棱镜是三棱镜，它是一种色散棱镜物理科学与信息工程学院如图，根据几何关系，可得因为当棱镜给定时（A一定），偏向角随着入射角i1的改变而改变。可以证明，当