光纖導(dǎo)光物理?xiàng)l件的模擬實(shí)驗(yàn)演示裝置與演示方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及到光導(dǎo)纖維導(dǎo)光的演示實(shí)驗(yàn)儀器。
【背景技術(shù)】
[0002]光纖作為高科技標(biāo)志性成果之一，對(duì)其導(dǎo)光原理的介紹，早已廣泛進(jìn)入中小學(xué)課本及大學(xué)物理、光通信原理等專業(yè)課教材中。近年來(lái)配合光學(xué)與光通信原理課教材的實(shí)驗(yàn)演示儀器，也得到了大的發(fā)展。眾所周知，光纖導(dǎo)光基于光的全反射原理，但現(xiàn)有的光纖導(dǎo)光演示實(shí)驗(yàn)儀器及公開(kāi)的專利技術(shù)，大多只是向?qū)W生演示光纖可以將光信號(hào)或電信號(hào)經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換后從光纖的一端傳輸?shù)搅硪欢?，即只能演示彎曲的光纖可以傳輸光信號(hào)這一事實(shí)，而學(xué)生并不能看到光線在光纖中的傳輸路徑，特別是針對(duì)物理專業(yè)學(xué)生，無(wú)法直觀的看到?jīng)Q定光纖導(dǎo)光的物理?xiàng)l件，即光的入射臨界角的觀察和纖芯包層折射率大小對(duì)光纖導(dǎo)光效能的決定性影響。在光纖實(shí)驗(yàn)儀器技術(shù)領(lǐng)域，當(dāng)前需迫切解決的一個(gè)技術(shù)問(wèn)題是提供一種光纖導(dǎo)光物理?xiàng)l件的實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置。
[0003]專利申請(qǐng)?zhí)枮?01310012168.X、發(fā)明名稱為《一種模擬光纖演示裝置》的發(fā)明專利，在光滑白板與長(zhǎng)邊平行的中心線處安裝有模擬光纖，模擬光纖的主體為圓柱體結(jié)構(gòu)，其外周制作有圓筒玻璃容器，圓筒玻璃容器內(nèi)與圓筒玻璃容器同軸心處制有實(shí)心玻璃圓柱體，圓筒玻璃容器的內(nèi)徑大于實(shí)心玻璃圓柱體的外徑，兩者之間的空間內(nèi)充滿填充液，光滑白板的中心線上側(cè)前端制有準(zhǔn)直調(diào)節(jié)器，對(duì)應(yīng)準(zhǔn)直調(diào)節(jié)器的外側(cè)處制有可見(jiàn)光源；模擬光纖的前端處固定制有弧形滑道，模擬光纖的前端點(diǎn)與弧形滑道的中心重合；準(zhǔn)直調(diào)節(jié)器固定于弧形滑道上并沿弧形滑道滑動(dòng)，模擬光纖由圓筒玻璃、實(shí)心玻璃圓柱、填充液同軸心組合構(gòu)成。該專利雖然用實(shí)心玻璃圓柱和其周圍的填充液，較形象的模擬了光纖的“纖芯”和“包層”結(jié)構(gòu)，但作為演示實(shí)驗(yàn)裝置，其結(jié)構(gòu)特征所決定的演示效果有明顯不足。其一，利用實(shí)心玻璃圓柱和其周圍不同折射率的填充液構(gòu)成的整體透明圓柱體結(jié)構(gòu)，讓觀察者從側(cè)面觀察實(shí)心玻璃圓柱中的光線傳輸徑跡，但觀察者看到的光線，實(shí)際上是透過(guò)實(shí)心玻璃圓柱外包裹的不同折射率的透明液體形成的“柱透鏡”看到的，本專業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)人員公知，這會(huì)使光線嚴(yán)重變形，無(wú)法看清楚光線徑跡，因此也就無(wú)法看清楚入射角達(dá)到臨界角的過(guò)程。無(wú)法實(shí)現(xiàn)所想象的演示效果。其二，實(shí)心玻璃圓柱體的圓柱形表面在反射傳輸光線的過(guò)程中，經(jīng)過(guò)一次反射就會(huì)破壞激光束的單向性，使光束明顯發(fā)散，發(fā)散的光束再透過(guò)外圍透明液體形成的“柱透鏡”觀察，更會(huì)模糊不清，無(wú)法實(shí)現(xiàn)所要求的演示效果。其三，該發(fā)明中所采用的液體折射率均小于玻璃圓柱體的折射率，因此只能用其觀察“包層”折射率小于“纖芯”折射率時(shí)玻璃圓柱體的光傳輸情況，而無(wú)法面向?qū)W生演示當(dāng)“包層”折射率大于“纖芯”折射率時(shí)，光纖不能導(dǎo)光的情況。其四，該發(fā)明采用玻璃圓柱體作為模擬“纖芯”，無(wú)法實(shí)現(xiàn)將玻璃圓柱體同時(shí)浸入兩種不同折射率的液體中，同時(shí)觀察同一激光束在不同液體中的不同折射角的折射光束，即學(xué)生不能通過(guò)其直觀的對(duì)比、感受“包層”折射率對(duì)光纖數(shù)值孔徑的決定作用。由上述可明確看出，該發(fā)明雖然從結(jié)構(gòu)上模擬了光纖的結(jié)構(gòu)特征，但其演示效果很不理想。因此研制一種可清晰直觀演示激光束在模擬“纖芯”中反射傳輸?shù)摹肮饩€徑跡”，演示入射角達(dá)到全反射臨界角的動(dòng)態(tài)過(guò)程，以及演示光纖“包層”折射率對(duì)“纖芯”導(dǎo)光的決定性作用的教學(xué)演示裝置，具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的一個(gè)技術(shù)問(wèn)題在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種設(shè)計(jì)合理、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、演示效果直觀、可動(dòng)態(tài)演示的光纖導(dǎo)光物理?xiàng)l件的模擬實(shí)驗(yàn)演示裝置。
[0005]本發(fā)明所要解決的另一個(gè)技術(shù)問(wèn)題在于提供一種使用上述光纖導(dǎo)光物理?xiàng)l件的模擬實(shí)驗(yàn)演示裝置的演示實(shí)驗(yàn)方法。
[0006]解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:在底座上設(shè)置有支架和水槽，支架上設(shè)置有半導(dǎo)體激光器、水槽上設(shè)置用于模擬光纖纖芯的導(dǎo)光條，水槽內(nèi)裝有用于模擬光纖包層的透明液體，所述的導(dǎo)光條有兩條，為有機(jī)玻璃導(dǎo)光條和石英玻璃導(dǎo)光條。所述水槽內(nèi)的透明液體為水以及位于水上表面的液體石蠟，有機(jī)玻璃導(dǎo)光條和石英玻璃導(dǎo)光條的中心線相平行位于水與液體石蠟的界面上。
[0007]本發(fā)明的有機(jī)玻璃導(dǎo)光條和石英玻璃導(dǎo)光條為幾何形狀相同的四棱柱體，豎截面為長(zhǎng)方形或正方形。
[0008]本發(fā)明的有機(jī)玻璃導(dǎo)光條和石英玻璃導(dǎo)光條為幾何形狀相同的四棱柱體，豎截面為長(zhǎng)方形，長(zhǎng)方形截面的長(zhǎng)X寬最佳為8 X 5cm2。
[0009]本發(fā)明的有機(jī)玻璃導(dǎo)光條與石英玻璃導(dǎo)光條之間的距離與有機(jī)玻璃導(dǎo)光條的寬度相同。
[0010]使用上述的光纖導(dǎo)光物理?xiàng)l件的模擬實(shí)驗(yàn)演示裝置模擬演示光纖導(dǎo)光的全反射臨界角的實(shí)驗(yàn)方法如下:
[0011 ] 由半導(dǎo)體激光器射出的激光束從有機(jī)玻璃導(dǎo)光條一端面上水平中心線的上方、水平斜射到有機(jī)玻璃導(dǎo)光條左側(cè)面與液體石蠟的界面上產(chǎn)生折射和反射，折射光束進(jìn)入液體石蠟中。反射光束到達(dá)有機(jī)玻璃導(dǎo)光條右側(cè)面與液體石蠟的界面上產(chǎn)生折射和反射，折射光束進(jìn)入液體石蠟中。改變激光束的入射角Θ i大小，在水槽I上方向下觀察有機(jī)玻璃導(dǎo)光條2兩側(cè)液體石蠟中折射光束折射角Θ 2的變化趨勢(shì)；轉(zhuǎn)動(dòng)半導(dǎo)體激光器使激光束的入射角91逐漸增大，液體石蠟中的折射光束折射角Θ 2趨向90°，進(jìn)一步增大激光束的入射角Θ工，液體石蠟中折射光剛好消失，有機(jī)玻璃導(dǎo)光條中折線傳輸?shù)募す馐炼韧蝗辉鰪?qiáng)，光被完全限制在有機(jī)玻璃導(dǎo)光條中，此時(shí)激光束的入射角Θ i即為有機(jī)玻璃導(dǎo)光條與液體石蠟界面上的全反射臨界角。
[0012]使用上述的光纖導(dǎo)光物理?xiàng)l件的模擬實(shí)驗(yàn)演示裝置模擬演示光纖的包層折射率大于和小于纖芯折射率對(duì)光纖導(dǎo)光影響的實(shí)驗(yàn)方法如下:
[0013]1、由半導(dǎo)體激光器射出的激光束通過(guò)石英玻璃導(dǎo)光條端面上水平中心線的上方，水平斜射到石英玻璃導(dǎo)光條右側(cè)面與液體石蠟的界面上產(chǎn)生折射和反射，折射光束進(jìn)入液體石蠟中；反射光束到達(dá)石英玻璃導(dǎo)光條左側(cè)面與液體石蠟的界面上產(chǎn)生折射和反射，折射光束進(jìn)入液體石蠟中。改變激光束的入射角Θ i大小，在水槽上方向下觀察石英玻璃導(dǎo)光條兩側(cè)液體石蠟中折射光束折射角θ3的變化趨勢(shì)。轉(zhuǎn)動(dòng)半導(dǎo)體激光器使激光束的入射角Θ工逐漸增大，在液體石蠟中的折射光束折射角Θ 3也隨著增大，目測(cè)比較激光束由石英玻璃導(dǎo)光條到液體石蠟界面上激光束的入射角91與折射角Θ 3的大小，分析激光束由石英玻璃導(dǎo)光條到液體石蠟的界面上不能形成全反射的原因。
[0014]2、半導(dǎo)體激光器射出的激光束通過(guò)石英玻璃導(dǎo)光條端面中心線下方、水平斜射到石英玻璃導(dǎo)光條右側(cè)面到水的界面上產(chǎn)生折射和反射，折射光束進(jìn)入水中。反射光束到達(dá)石英玻璃導(dǎo)光條左側(cè)面與水的界面上產(chǎn)生折射和反射，折射光束進(jìn)入水中。轉(zhuǎn)動(dòng)半導(dǎo)體激光器改變激光束入射角Θ i大小，在水槽上方向下觀察石英玻璃導(dǎo)光條兩側(cè)水中折射光束折射角θ4的變化趨勢(shì)，目測(cè)比較激光束由石英玻璃導(dǎo)光條到水界面上激光束的入射角Θ !與折射角Θ 4的大小，分析激光束由石英玻璃導(dǎo)光條到水的界面上能形成全反射的原因。
[0015]3、比較1、2演示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析光纖的包層折射率大于和小于纖芯折射率對(duì)光纖導(dǎo)光影響。
[0016]使用上述的光纖導(dǎo)光物理?xiàng)l件的模擬實(shí)驗(yàn)演示裝置模擬演示纖芯包層折射率決定光纖數(shù)值孔徑的實(shí)驗(yàn)方法如下:
[0017]半導(dǎo)體激光器射出的激光束從有機(jī)玻璃導(dǎo)光條端部垂直中心平面上，斜射到有機(jī)玻璃導(dǎo)光條上表面與液體石蠟的界面上，激光束在有機(jī)玻璃導(dǎo)光條上表面與液體石蠟的界面上產(chǎn)生折射和反射，折射光束進(jìn)入液體石蠟中。反射光束到達(dá)有機(jī)玻璃導(dǎo)光條下表面與水的界面上并產(chǎn)生折射和反射，折射光束進(jìn)入水中。目測(cè)比較液體石蠟中折射光束的折射角95與水中折射光束折射角Θ 6的大小，轉(zhuǎn)動(dòng)半導(dǎo)體激光器逐漸增大激光束在有機(jī)玻璃導(dǎo)光條上表面與液體石蠟界面上的激光束的入射角Θ i，觀察激光束在液體石蠟中的折射角05和水中的折射角θ 6的同步變化，逐漸增大激光束入射角θ i，使激光束在有機(jī)玻璃導(dǎo)光條下表面到水的界面上剛好形成全反射，用量角器測(cè)量這時(shí)的激光束入射角θ i，即為有機(jī)玻璃與水的界面上的全反射臨界角。
[0018]進(jìn)一步增大激光束入射角Θ i，使激光束在有機(jī)玻璃導(dǎo)光條與液體石蠟的界面上剛好達(dá)到全反射，用量角器測(cè)量這時(shí)的激光束入射角Θ i即為有機(jī)玻璃與液體石蠟界面上的全反射臨界角。
[0019]根據(jù)光纖數(shù)值孔徑的定義以及光纖最大受光角和光纖纖芯與包層界面上全反射臨界角的關(guān)系: