[发明专利]光纤导光物理条件的模拟实验演示装置与演示方法

权利要求书

1.一种光纤导光物理条件的模拟实验演示装置，在底座(6)上设置有支架(4)和水槽(1)，支架(4)上设置有半导体激光器(5)、水槽(1)上设置用于模拟光纤纤芯的导光条，水槽(1)内装有用于模拟光纤包层的透明液体，其特征在于：所述的导光条有两条，为有机玻璃导光条(2)和石英玻璃导光条(3)；所述水槽(1)内的透明液体为水以及位于水上表面的液体石蜡，有机玻璃导光条(2)和石英玻璃导光条(3)的中心线相平行位于水与液体石蜡的界面上。

2.根据权利要求1所述的光纤导光物理条件的模拟实验演示装置，其特征在于：所述的有机玻璃导光条(2)和石英玻璃导光条(3)为几何形状相同的四棱柱体，竖截面为长方形或正方形。

3.根据权利要求2所述的光纤导光物理条件的模拟实验演示装置，其特征在于：所述的有机玻璃导光条(2)和石英玻璃导光条(3)为几何形状相同的四棱柱体，竖截面为长方形，长方形截面的长×宽为8×5cm²。

4.根据权利要求2或3所述的光纤导光物理条件的模拟实验演示装置，其特征在于：所述的有机玻璃导光条(2)与石英玻璃导光条(3)之间的距离与有机玻璃导光条(2)的宽度相同。

5.一种使用权利要求1所述的光纤导光物理条件的模拟实验演示装置的演示实验方法，其特征在于使用该装置模拟演示光纤导光的全反射临界角的实验方法如下：

由半导体激光器(5)射出的激光束从有机玻璃导光条(2)一端面上水平中心线的上方、水平斜射到有机玻璃导光条(2)左侧面与液体石蜡的界面上产生折射和反射，折射光束进入液体石蜡中；反射光束到达有机玻璃导光条(2)右侧面与液体石蜡的界面上产生折射和反射，折射光束进入液体石蜡中；改变激光束的入射角(θ₁)大小，在水槽(1)上方向下观察有机玻璃导光条(2)两侧液体石蜡中折射光束折射角(θ₂)的变化趋势；转动半导体激光器(5)使激光束的入射角(θ₁)逐渐增大，液体石蜡中的折射光束折射角(θ₂)趋向90°，进一步增大激光束的入射角(θ₁)，液体石蜡中折射光刚好消失，有机玻璃导光条(2)中折线传输的激光束亮度突然增强，光被完全限制在有机玻璃导光条(2)中，此时激光束的入射角(θ₁)即为有机玻璃导光条(2)与液体石蜡界面上的全反射临界角。

6.一种使用权利要求1所述的光纤导光物理条件的模拟实验演示装置的演示实验方法，其特征在于使用该装置模拟演示光纤的包层折射率大于和小于纤芯折射率对光纤导光影响的实验方法如下：

1)由半导体激光器(5)射出的激光束通过石英玻璃导光条(3)端面上水平中心线的上方，水平斜射到石英玻璃导光条(3)右侧面与液体石蜡的界面上产生折射和反射，折射光束进入液体石蜡中；反射光束到达石英玻璃导光条(3)左侧面与液体石蜡的界面上产生折射和反射，折射光束进入液体石蜡中；改变激光束的入射角(θ₁)大小，在水槽1上方向下观察石英玻璃导光条(3)两侧液体石蜡中折射光束折射角(θ₃)的变化趋势；转动半导体激光器(5使激光束的入射角(θ₁)逐渐增大，在液体石蜡中的折射光束折射角(θ₃)也随着增大，目测比较激光束由石英玻璃导光条(3)到液体石蜡界面上激光束的入射角(θ₁)与折射角(θ₃)的大小，分析激光束由石英玻璃导光条(3)到液体石蜡的界面上不能形成全反射的原因；

2)半导体激光器(5)射出的激光束通过石英玻璃导光条(3)端面中心线下方、水平斜射到石英玻璃导光条(3)右侧面到水的界面上产生折射和反射，折射光束进入水中；反射光束到达石英玻璃导光条(3)左侧面与水的界面上产生折射和反射，折射光束进入水中；转动半导体激光器(5)改变激光束入射角(θ₁)大小，在水槽(1)上方向下观察石英玻璃导光条(3)两侧水中折射光束折射角(θ₄)的变化趋势，目测比较激光束由石英玻璃导光条(3)到水界面上激光束的入射角(θ)₁与折射角(θ₄)的大小，分析激光束由石英玻璃导光条(3)到水的界面上能形成全反射的原因；

3)比较1)、2)演示实验结果，分析光纤的包层折射率大于和小于纤芯折射率对光纤导光影响。

7.一种使用权利要求1所述的光纤导光物理条件的模拟实验演示装置的演示实验方法，其特征在于使用该装置模拟演示纤芯包层折射率决定光纤数值孔径的实验方法如下：

半导体激光器(5)射出的激光束从有机玻璃导光条(2)端部垂直中心平面上，斜射到有机玻璃导光条(2)上表面与液体石蜡的界面上，激光束在有机玻璃导光条(2)上表面与液体石蜡的界面上产生折射和反射，折射光束进入液体石蜡中；反射光束到达有机玻璃导光条(2)下表面与水的界面上并产生折射和反射，折射光束进入水中；目测比较液体石蜡中折射光束的折射角(θ₅)与水中折射光束折射角(θ₆)的大小，转动半导体激光器(5)逐渐增大激光束在有机玻璃导光条(2)上表面与液体石蜡界面上的激光束的入射角(θ₁)，观察激光束在液体石蜡中的折射角(θ₅)和水中的折射角(θ₆)的同步变化，逐渐增大激光束入射角(θ₁)，使激光束在有机玻璃导光条(2)下表面到水的界面上刚好形成全反射，用量角器测量这时的激光束入射角(θ₁)，即为有机玻璃与水的界面上的全反射临界角；

进一步增大激光束入射角(θ₁)，使激光束在有机玻璃导光条(2)与液体石蜡的界面上刚好达到全反射，用量角器测量这时的激光束入射角(θ₁)即为有机玻璃与液体石蜡界面上的全反射临界角；

根据光纤数值孔径的定义以及光纤最大受光角和光纤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为有机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。