纤维光学及其发展

纤维光学是一门新兴的学科,是近代光学领域中的一个重要分支,它是研究在透明的光学纠维中光线和图象传输的科学。光学纤维通常是一种带套层的圆柱形透明细丝,可由玻璃、石英、塑料等材料在高温下拉制而成。光学纤维的出现,给人们提供了一种类似于电缆线一样的柔软的光导管,而光束和图象就沿着这种弯曲的导管从一端传送到另一端。     

一种聚焦的光学纤维透镜

在本世纪六十年代末期,国际上出现了一种聚焦的光学纤维[1、2],命名为自聚焦纤维(Selfoc),它和普通的光学纤维结构不同,没有外套层,它的折射率分布自轴沿半径方向逐渐变小,所以它的传光原理也不是光的全反射.这种纤维的传光效率高,能够聚光、成像,类似于光学系统的透镜.透镜是用改变厚度的方法来改变光程,使传播的光线曲折,而自聚焦纤维则是用改变折射率的方法来改变光程,同样使传播的光线曲折(图1),这两种结构不同的光学元件都能使物象之间的对应点达到等光程,所以它们的作用是基本相同的. 一、光线在纤维中的轨迹 自聚焦纤维的折射率分布…     

锥形自聚焦纤维光线追迹计算方法

自聚焦(selfoc)纤维,也称梯度折射率(graded index)纤维,是一种新型光学纤维。一根自聚焦纤维,就相当于许多个微型透镜的组合,它可以把物空间内物体的象,在自聚焦纤维内经多次成象而得到传递^<1>。由于自聚焦纤维内折射率分布是不均匀的,所以光线在其内的传播不是直线,而是沿曲线传播。此曲线称为光线的光迹,也可以称此曲线为光线。自聚焦纤维光线追迹问题,就是为了确定光线在其内传播的光迹,以便进一步研究自聚焦纤维传递光线和图象的规律和性能,为研制和应用新的自聚焦纤维提供数据。     

一道光学高考题的三种解法

2011年新课标卷全国高考理科综合能力测试物理试题中,有一道选考的光学题.它考查的是关于光学中的折射角和折射率问题,而考生普遍反映本题的折射角求解较难,因此,笔者通过思考与探究,找出了它的三种解法.【题目】一半圆柱形透明物体横截面如图所示,地面AOB镀银(图中粗线),O表示半圆截面的圆心.一束光线在横截面内从M点入射,经过AB面反射后从点射出已知光线在点的入射角为     

浅析海市蜃楼的成因

 海市蜃楼是一种自然现象,但在被充分认识以前,往往被人们神秘化、甚至迷信化。其实海市蜃楼就是阳光在大气中折射而产生的一种光学现象。当一束光线从一种透明介质到达另一种透明介质时其线路会发生改变,这就是光的折射。如图1所示:ML为透明介质A、B的分界面,N为法线,θ1为入射角,θ2为折射角。设光在A中的速度为v1,在B中的速度为v2,由折射定律可得:sinθ1sinθ2=v1v2.我们通常把光速较快的介质叫光疏介质,把光速较慢的介质叫光密介质。由上面的式子可知:光线从光疏介质进入光密介质时,入射角大于折射角,光线折向法线。     

浅谈光学纤维

 1.光学纤维的发展简史光学纤维又称光导纤维,简称光纤。它是利用全反射规律而使光线沿着弯曲路径传播的光学元件。光学纤维的发展,大致可分为三个阶段。     

自聚焦光学纤维浅谈

普通光学纤维都是由内外折射率不同的两种光学材料制成的,在高折射率的芯层外面包以折射率较低的皮层,利用光在芯-皮层界面上发生的全反射来传光,如图1所示.入射角io与临界角io对应,i>io的入射光将由皮层逸出,所以io决定了光学纤维的集光能力,通常把叫光学纤维的数值孔径(Numerical Aperture). 自聚焦光学纤维(Selfoc)是1964年由日本学者首先提出的,四、五年后有了样品,1975年用梯度折射率型的自聚焦纤维实现了 10 db/km的低损耗传输.当前,信息容量大的光通信系统中大都使用这种光学纤维,它还可以制成微型光学器件,用作光耦合器和馈光线. …     

一种类锥形梯度折射率纤维的光线传播特性和近轴成象研究

本文研究了一种类锥形梯度折射率纤维的光线传播特性和近轴成象规律。光在这种类锥形纤维中的传播具有变幅值和变周期的振荡特征,文中从光线轨迹的近似解析式出发,导出高斯光学公式,并讨论了结果的适用性。研究表明,类锥形梯度折射率纤维与在光学特性上锥形梯度折射率纤维十分类似,它们都可望成为微型光学和激光装置的重要新元件。     

平面分步透镜的原理和它在太阳能利用中的应用

一、概 述 平面分步透镜又叫“菲涅尔透镜”,是按菲涅尔原理用普通玻璃或透明塑料浇铸或压延而成.与旋转抛物面聚光镜等常用的太阳能设备比较,它加工容易,成本较低,是太阳能利用中一种有潜力的集光装置. 二、平面分步透镜的光学原理 光线通过三棱镜,两次透过分界面PA、PB(见图1),α1、α2分别表示入射角,Υ1、Υ2分别表示折射角,表示棱镜顶角,　表示光线偏向角,由几何光学原理知: 顶角　很小的棱镜叫薄棱镜,平面分步透镜和一般光学透镜可以看成是由许多薄棱镜构成的,其偏向角近似公式如下: 为了计算和加工简便,设透镜的一个表面为平面,图2…     

一种光学纤维追迹的新方法

本文介绍了用哈密顿函数对光学纤维进行光线追迹的方法,并就两种折射率分布分别在两种坐标系中的四种情况进行了具体分析。指出在四种情况下都可以用Runge Kutta-Gill标准解法对光线轨迹进行数值计算。     

不同光线入射角度下超声速湍流边界层气动光学效应的实验研究

利用基于纳米粒子的平面激光散射技术获取超声速(Ma=3.0)湍流边界层的密度分布,采用光线追迹方法计算其对应的光程差分布,并结合边界层气动光学相似律验证实验结果的可靠性.着重研究了光线入射角度对超声速湍流边界层气动光学效应的影响,并对其内在机理进行了分析.研究表明,气动光学效应对光线入射角度的依赖性源于光线在流场中的传输路径,传输路径的不同导致了光线在流场中的传输距离以及对应密度脉动互相关结果的差异.光线倾斜入射导致其在流场中传输距离增长,进而气动光学效应出现恶化.光线入射方向与壁面垂直方向之间的夹角越大,气动光学效应越显著,而且不同时刻的差异性增加,气动光学效应校正的难度增加.超声速湍流边界层中大量具有特定方向的涡结构导致了湍流边界层气动光学效应的各向异性.当光线倾斜向下游入射时,光线传播方向与流场中的涡结构具有较好的一致性,体现为此方向上密度脉动互相关系数较大,故气动光学效应比较严重.而当光线倾斜向上游入射时,相关系数较小,故气动光学效应较弱.     

怎样利用小平面镜反射成像来观察日蚀

一从针孔成像说起在物理学的几何光学部份,关于光的直线传播,总是以影及针孔成像为例来说明的.针孔所以能够成像,大致是这样的:自光源上各点发出的光线,从一不透明的屏上的小孔中通过之后,再遇到其他不透明的物体如幕时,就在幕上造成一倒立的与光源形状相似的实像,针孔愈小,像愈清晰等等.至于要生成真实清     

掠入射法测量液体折射率实验现象分析

掠入射法是基于全反射定律,采用几何光学原理来测量液体折射率的一种方法.文中对掠入射法测量透明液体折射率实验中出现的干涉条纹进行了定量分析,认为在分光计望远镜中观察到的干涉条纹是光线进入辅助透镜和直角棱镜间被测薄液膜干涉形成的,通过定义干涉条纹疏密度,对于薄膜引起的光程差与干涉明纹(或暗纹)间距两者间的关系进行讨论,其讨论的结果与实验结果一致.     

光导纤维与医用内窥镜

光导纤维简称光纤．光纤是近代光学的新型学材料．1光纤的导光、导像原理光纤是一种带涂层的透明细丝，直径在见微米到几十微米之间，通常由玻璃或透明塑料做芯线，外包由折射率（n1）比芯线折射率（n）小的涂层所组成，涂层和芯线之间形成良好的光学界面．当光线以一定的投射角（必须大于临界角）人射在光纤的人射端面上对，光线就能在芯线与涂层的界面上连续产生全反射，光就从光纤的一端传至另一端，这就是光纤的导光原理．把几万根这样的光纤，两端—一对应，即每根光纤在入射端面和出射端面的几何位置应完全相同，两端粘结牢固，中间不…     

费马原理在球面界面理想成像中的应用——虚像

费马原理是几何光学的一个基本原理.本文运用费马原理直接推导得到球面界面的发散光线方程,并使用近轴条件得到了相应的虚像物像公式.结果表明发散光线方程与会聚光线方程不同,而物像公式均相同.     

证明锥形光纤数值孔径表达式的新方法

本文提出一种利用几何光学中的镜象原理分析锥形光导和锥形光学纤维数值孔径、光能传输等简明而直观的方法。利用这种方法证明了圆锥形光学纤维子午面数值孔径的表达式,通过讨论以求澄清目前在这个问题上的分歧     

漫射光宽视场光学天线的设计

利用光线追迹的方法分析了半球光学天线及另外两种截取角小于90°的欠半球和大于90°的超半球光学天线的光学增益和接收视场,提出了选择合适截取角的原则,并确认半球形光学天线是一种很合适的漫射光宽视场光学天线;同时分析了均匀能量环境下半球光学天线圆截面上接收到光功率的分布,并提出了设计半球形光学天线基本参量的原则;用光学理论推导出了采用半球形光学天线时能够到达光敏面的光线所应满足的条件,分析了它对光学滤波设计的意义.     

基于元胞自动机的气动光学光线追迹算法

对于含激波等大密度脉动结构气动光学流场,沿着直线路径对折射率积分会带来较大的光程误差.因此,数值求解光线方程进行光线追迹是必要的.与数值求解光线方程不同,元胞自动机(cellular automata,CA)通过给定光线位置和方向变换规则来模拟光线在介质中传输路径.本文基于已有的实验测量、数值仿真所获得的高超声速流场密度场数据,分别采用数值求解光线方程法和CA光线追迹算法进行光线追迹,进而得到光线出射流场后的光程差.结果表明, CA算法对于二维气动光学流场中光线追迹的适用性,且较数值求解光线方程方法具有更高的效率.     

全反射现象及其在集成光学中的应用

当光从光密介质nl射向光疏介质n2(n1>n2),入射角θ1。逐渐增大到临界角θc=arc sinn2/n1时,继续增大θl,使θ1>θc,光线将全部被反射回入射光所在的介质,此时,光疏介质中完全没有折射光产生.这就是我们所熟知的光的全反射现象. 全反射是一种普通常见的光学现象.由于全反射时,入射光的全部能量完全被反射而没有折射损失,所以许多光学仪器都利用全反射来改变光线的传播方向和使象倒转;在新兴的光学领域──纤维光学和集成光学中也利用全反射来传导光能量. 然而,全反射现象的实际过程是相当复杂的,远非几何光学中所描述的那么简单.尽管全反射时…     

光学纤维内表面全反射系数的测定

本文从理论上推导了光学纤维内表面全反射系数α和平行的斛光线入射纤维时出射光通量的表示式,并说明利用这个关系式,通过测量光通量就能求得α的数值。