光纤传光的基本原理及全反射原理解析

根据几何光学理论，当光线以较小的入射角θ1（光线与法线间的夹角），由光密介质（n1）射向折射率较小的光疏介质（n2）时，一部分入射光以折射角θ2折射入光疏物质，其余部分以θ1角度反射回光密物质，如图9.2所示。根据光折射和反射的Snell定律，光入射和折射之间的关系为

图9.2　光的折射与反射

当θ1角逐渐增大，直至θ1＝θc时，透射入光疏介质（n2）的折射光也逐渐折向界面，直至沿界面传播，θ2＝90°。对应于θ2＝90°时的入射角θ1称为临界角θc。由式（9.1）则有

因此，临界角θc仅与介质的折射率的比值有关。

根据这个原理，只要使光线射入光纤端面时与光轴的夹角小于一定值，即当光入射界面的角φ＞临界角θc时，光线就射不出光纤的纤芯，如图9.3所示。光线在纤芯和包层的界面上不断地产生全反射而向前传播，从而从光纤的一端以光速传播到另一端，这就是光纤传光的基本原理。(www.xing528.com)

图9.3　光在光纤中的全反射

光纤传输的光波，可以分解为沿纵轴向传播和沿横切向（剖面方向）传播的两种平面波成分。沿横切向传播的光波在纤芯和包层界面上产生全反射，当它在横切向往返一次的相位变化为2π的整数倍时，将形成驻波。只有能形成驻波的那些以特定角度射入光纤的光才能在光纤内传播。形成驻波的光线组称为模，它们是离散存在的，即某一种光纤只能传输特定模数的光。

通常用麦克斯韦方程导出的归一化频率f作为确定光纤传输模数的参数，f的值可由下式确定

式中　r——纤芯半径；

NA——光纤的数值孔径；

λ——光波长。