模擬光纖數(shù)值孔徑實(shí)驗(yàn)演示裝置與實(shí)驗(yàn)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，具體涉及到用于演示光纖數(shù)值孔徑的實(shí)驗(yàn)儀器。
【背景技術(shù)】
[0002]光纖作為高科技中重要的標(biāo)志性成果之一，對其導(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)儀器及公開的專利技術(shù)，大多只是向?qū)W生演示光纖可以將光信號或模擬/數(shù)字電信號經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后從光纖的一端傳輸?shù)搅硪欢耍粗谎菔緩澢墓饫w可以傳輸光信號這一事實(shí)。數(shù)值孔徑直接反映了光纖的集光能力，是光纖的重要特性參數(shù)之一，但由于實(shí)際使用的光纖細(xì)小，目前沒有見到用于幫助學(xué)生理解數(shù)值孔徑的實(shí)驗(yàn)演示儀器，學(xué)生對于光纖數(shù)值孔徑的理解，只能憑借想象力。光學(xué)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)問題是提供一種演示光纖數(shù)值孔徑及其與光纖包層介質(zhì)折射率關(guān)系的實(shí)驗(yàn)演示儀器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所要解決的一個(gè)技術(shù)問題在于提供一種演示直觀、演示效果明顯、能模擬演示光纖的數(shù)值孔徑與包層介質(zhì)折射率關(guān)系的模擬光纖數(shù)值孔徑實(shí)驗(yàn)演示裝置。
[0004]本發(fā)明所要解決的另一個(gè)技術(shù)問題在于提供一種使用模擬光纖數(shù)值孔徑實(shí)驗(yàn)演示裝置的實(shí)驗(yàn)演示方法。
[0005]解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:在底座上設(shè)置有支架和半圓筒形水槽，支架上設(shè)置有半導(dǎo)體激光器和玻璃棒，半圓筒形水槽的圓柱側(cè)壁外表面噴涂有白色漆層、平面?zhèn)缺跒橛糜谀M光纖纖芯的導(dǎo)光板，半圓筒形水槽內(nèi)自下而上依次裝有體積相等、互不相溶的用于模擬不同折射率光纖包層的三種透明液體，自下而上的三種透明液體為蒸餾水、蓖麻油、航空煤油。
[0006]本發(fā)明的玻璃棒位于半導(dǎo)體激光器的光出射方向上，玻璃棒的中心線與半導(dǎo)體激光器出射光方向在同一個(gè)平面內(nèi)垂直，玻璃棒的中心線與水平面平行。
[0007]使用上述的模擬光纖數(shù)值孔徑實(shí)驗(yàn)演示裝置的演示實(shí)驗(yàn)方法，由下述步驟組成:
[0008]1、模擬演示光纖的包層折射率與包層中折射光折射角的定性關(guān)系
[0009]半導(dǎo)體激光器出射的激光束透過玻璃棒，形成激光片光源，透過導(dǎo)光板的后側(cè)面以同一入射角同時(shí)斜射到導(dǎo)光板與半圓筒形水槽內(nèi)蒸餾水、蓖麻油、航空煤油不同折射率液體的界面上產(chǎn)生折射和反射，折射光在導(dǎo)光板與蒸餾水界面上以折射角Θ 4進(jìn)入蒸餾水、在導(dǎo)光板與蓖麻油界面上以折射角Θ 2進(jìn)入蓖麻油、在導(dǎo)光板與航空煤油界面上以折射角Θ 3進(jìn)入航空煤油，折射光束投射在半圓筒形水槽I圓柱側(cè)壁外表面的白色漆層上形成不同位置的三條線狀投射光帶，進(jìn)入蒸餾水的折射光束在半圓筒形水槽圓柱側(cè)壁外表面的白色漆層上形成的線狀投射光帶最靠近導(dǎo)光板，進(jìn)入蓖麻油的折射光束在半圓筒形水槽圓柱側(cè)壁外表面的白色漆層上形成的線狀投射光帶離導(dǎo)光板距離最大，進(jìn)入航空煤油折射光束在半圓筒形水槽圓柱側(cè)壁外表面的白色漆層上形成的線狀投射光帶與導(dǎo)光板的距離位于上述兩條線狀投射光帶之間，通過線狀投射光帶的不同位置，直觀演示模擬光纖的包層折射率與包層中折射光折射角的定性關(guān)系。
[0010]2、模擬演示光纖的包層折射率決定光纖數(shù)值孔徑的實(shí)驗(yàn)方法
[0011](I)測量導(dǎo)光板與蒸餾水界面上的全反射臨界角
[0012]逐漸增大激光片光源在導(dǎo)光板與透明液體界面上的入射角Θ i，激光片光源在導(dǎo)光板與蒸餾水界面上的折射光在半圓筒形水槽的圓柱側(cè)壁外表面白色漆層上的線狀投射光帶首先到達(dá)導(dǎo)光板，激光在導(dǎo)光板與蒸餾水的界面上首先形成全反射，在線狀投射光帶剛好消失時(shí)，用量角器在導(dǎo)光板上表面測量激光片光源在導(dǎo)光板與透明液體界面上的入射角Q1S導(dǎo)光板與蒸餾水界面上的全反射臨界角。
[0013](2)測量導(dǎo)光板與航空煤油界面上的全反射臨界角
[0014]進(jìn)一步增大激光片光源在導(dǎo)光板與透明液體界面上的入射角Θ i，激光片光源在導(dǎo)光板與航空煤油界面上的折射光在半圓筒形水槽的圓柱側(cè)壁外表面白色漆層上的線狀投射光帶到達(dá)導(dǎo)光板，激光在導(dǎo)光板與航空煤油的界面上形成全反射，在線狀投射光帶剛好消失時(shí)，用量角器在導(dǎo)光板上表面測量激光片光源在導(dǎo)光板與透明液體界面上的入射角Θ i為導(dǎo)光板與航空煤油界面上的全反射臨界角。
[0015](3)測量導(dǎo)光板與蓖麻油界面上的全反射臨界角
[0016]繼續(xù)增大激光片光源在導(dǎo)光板與透明液體界面上的入射角Θ i，激光片光源在導(dǎo)光板與蓖麻油界面上的折射光在半圓筒形水槽的圓柱側(cè)壁外表面白色漆層上的線狀投射光帶到達(dá)導(dǎo)光板，激光束在導(dǎo)光板與蓖麻油的界面上形成全反射，在線狀投射光帶剛好消失時(shí)，用量角器在導(dǎo)光板上表面測量激光片光源在導(dǎo)光板與透明液體界面上的入射角Θ i為導(dǎo)光板與蓖麻油界面上的全反射臨界角。
[0017]由上述三種液體的全反射臨界角，按光纖數(shù)值孔徑的定義以及光纖最大受光角和纖芯與包層界面上全反射臨界角的關(guān)系。
[0018]NA = sin a = sin (90° -^1)
[0019]式中NA為光纖數(shù)值孔徑，α為光纖最大受光角，β 導(dǎo)光板1_1與不同透明液體界面上的全反射臨界角，直觀判斷以三種不同折射率液體為模擬光纖包層的光纖數(shù)值孔徑的相對大小。
[0020]本發(fā)明以有機(jī)玻璃導(dǎo)光板為模擬纖芯，以比重不同、折射率有顯著差異的透明液體蒸餾水、蓖麻油、航空煤油為模擬光纖包層，激光片光源保持同一入射角入射到半圓筒形水槽內(nèi)不同的固液界面上，產(chǎn)生反射和折射，折射光進(jìn)入蒸餾水、蓖麻油、航空煤油中，在半圓筒形水槽圓柱側(cè)壁的外表面白色漆層形成三條線狀透射光帶，按照光纖數(shù)值孔徑的定義以及光纖最大受光角和纖芯與包層界面上全反射臨界角的關(guān)系，確定以三種不同折射率液體模擬光纖包層的光纖數(shù)值孔徑。這種模擬光纖數(shù)值孔徑實(shí)驗(yàn)演示裝置與實(shí)驗(yàn)演示方法，直觀、定性地演示模擬光纖包層折射率大小與光纖數(shù)值孔徑的關(guān)系。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)成本、操作方便、演示效果直觀，可用于光學(xué)實(shí)驗(yàn)和課堂演示實(shí)驗(yàn)。
【附圖說明】
[0021]圖1是本發(fā)明實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖2是圖1的俯視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明，但本發(fā)明不限于下述的實(shí)施例。
[0024]實(shí)施例1
[0025]在圖1、2中，本實(shí)施例的模擬光纖數(shù)值孔徑實(shí)驗(yàn)演示裝置由半圓筒形水槽1、白色漆層2、玻璃棒3、半導(dǎo)體激光器4、支架5、底座6聯(lián)接構(gòu)成。
[0026]在底座6上用螺紋緊固聯(lián)接件固定聯(lián)接有支架5，支架5上安裝有半導(dǎo)體激光器4和玻璃棒3，玻璃棒3位于半導(dǎo)體激光器4的光出射方向上，玻璃棒3的中心線與水平面平行，玻璃棒3的中心線與半導(dǎo)體激光器4出射光方向在同一個(gè)平面內(nèi)垂直，半導(dǎo)體激光器4用于產(chǎn)生激光，為本發(fā)明的光源，半導(dǎo)體激光器4可在支架5上轉(zhuǎn)動或移動，轉(zhuǎn)動半導(dǎo)體激光器4，可改變激光的出射方向。底座6上放置有半圓筒形水槽1，半圓筒形水槽I位于支架5的前方，半圓筒形水槽I采用有機(jī)玻璃制成，為透明水槽，半圓筒形水槽I的圓柱側(cè)壁外表面噴涂有白色漆層2，半圓筒形水槽I的平面?zhèn)缺跒閷?dǎo)光板1-1，導(dǎo)光板1-1用于模擬光纖纖芯，導(dǎo)光板1-1的各個(gè)面為光滑透光面，導(dǎo)光板1-1的厚度為5cm。半圓筒形水槽I內(nèi)自下而上依次裝有體積相等、互不相溶、且折射率有顯著差異的三種透明液體，本實(shí)施例采用的自下而上的三種透明液體為蒸餾水、蓖麻油、航空煤油，三種透明液體用于模擬光纖三種不同折射率的包層。由半導(dǎo)體激光器4出射的激光束透過玻璃棒3，形成激光片光源，激光片光源從導(dǎo)光板1-1的后側(cè)面同時(shí)入射到導(dǎo)光板1-1與半圓筒形水槽I內(nèi)透明液體的界面上，激光片光源在導(dǎo)光板1-1與半圓筒形水槽I內(nèi)透明液體界面上的投射光帶與水平面垂直，激光片光源在導(dǎo)光板1-1與半圓筒形水槽I內(nèi)透明液體的界面上產(chǎn)生反射和折射，折射光束進(jìn)入透明液體中。激光片光源在導(dǎo)光板1-1與透明液體界面上的入射角Θ i可調(diào)，由于三種透明液體的折射率顯著不同，激光片光源在三種液體中形成折射角不同的折射光束，折射角不同的折射光束投射到半圓筒形水槽I的圓柱側(cè)壁外表面白色漆層2上，呈現(xiàn)出不同位置的線狀投射光帶。逐漸增大激光片光源入射角Q1，觀察線狀投射光帶向?qū)Ч獍?-1的移動情況，第一個(gè)移動到導(dǎo)光板1-1且剛好消失的線狀投射光帶所對應(yīng)的導(dǎo)光板1-1與透明液體界面上首先形成全反射，在導(dǎo)光板1-1的上表面上觀測這時(shí)激光片光源的入射角Q1，即為所對應(yīng)的導(dǎo)光板1-1與透明液體界面上的全反射臨界角。繼續(xù)增大激光片光源入射角Q1，依次觀測導(dǎo)光板1-1與另外兩種透明液體界面上的全反射臨界角。利用得到的不同固液界面上的全反射臨界角，按照光纖數(shù)值孔徑的定義，即可得到以有機(jī)玻璃為模擬纖芯，以蒸餾水、蓖麻油、航空煤油三種不同折射率的透明液體為模擬包層的不同光纖數(shù)值孔徑。通過上述動態(tài)演示過程和全反射臨界角的測量，直觀、清晰地演示模擬光纖包層折射率大小與光纖數(shù)值孔徑的定性的關(guān)系。
[0027]采用上述模擬光纖數(shù)值孔徑實(shí)驗(yàn)演示裝置的實(shí)驗(yàn)演示方法步驟如下:
[0028]1、模擬演示光纖的包層折射率與包層中折射光折射角的定性關(guān)系
[0029]如圖1、2所示，半導(dǎo)體激光器4出射的激光束透過玻璃棒3后，成為激光片光源，激光片光源透過導(dǎo)光板1-1的后側(cè)面同時(shí)斜射到導(dǎo)光板1-1與半圓筒形水槽I內(nèi)三種不同折射率的透明液體的界面上產(chǎn)生反射和折射，自下而上的三種透明液體為蒸餾水、蓖麻油、航空煤油，從裝置的上方向下觀察透明液體中的折射光束，即可看到圖2所示的同一入射角Θ工的入射光，在不同折射率的透明液體中有不同