光纤导光物理条件的模拟实验演示装置与演示方法
【技术领域】
[0001]本发明属于光学实验仪器技术领域，具体涉及到光导纤维导光的演示实验仪器。
【背景技术】
[0002]光纤作为高科技标志性成果之一，对其导光原理的介绍，早已广泛进入中小学课本及大学物理、光通信原理等专业课教材中。近年来配合光学与光通信原理课教材的实验演示仪器，也得到了大的发展。众所周知，光纤导光基于光的全反射原理，但现有的光纤导光演示实验仪器及公开的专利技术，大多只是向学生演示光纤可以将光信号或电信号经过光电转换后从光纤的一端传输到另一端，即只能演示弯曲的光纤可以传输光信号这一事实，而学生并不能看到光线在光纤中的传输路径，特别是针对物理专业学生，无法直观的看到决定光纤导光的物理条件，即光的入射临界角的观察和纤芯包层折射率大小对光纤导光效能的决定性影响。在光纤实验仪器技术领域，当前需迫切解决的一个技术问题是提供一种光纤导光物理条件的实验模拟装置。
[0003]专利申请号为201310012168.X、发明名称为《一种模拟光纤演示装置》的发明专利，在光滑白板与长边平行的中心线处安装有模拟光纤，模拟光纤的主体为圆柱体结构，其外周制作有圆筒玻璃容器，圆筒玻璃容器内与圆筒玻璃容器同轴心处制有实心玻璃圆柱体，圆筒玻璃容器的内径大于实心玻璃圆柱体的外径，两者之间的空间内充满填充液，光滑白板的中心线上侧前端制有准直调节器，对应准直调节器的外侧处制有可见光源；模拟光纤的前端处固定制有弧形滑道，模拟光纤的前端点与弧形滑道的中心重合；准直调节器固定于弧形滑道上并沿弧形滑道滑动，模拟光纤由圆筒玻璃、实心玻璃圆柱、填充液同轴心组合构成。该专利虽然用实心玻璃圆柱和其周围的填充液，较形象的模拟了光纤的“纤芯”和“包层”结构，但作为演示实验装置，其结构特征所决定的演示效果有明显不足。其一，利用实心玻璃圆柱和其周围不同折射率的填充液构成的整体透明圆柱体结构，让观察者从侧面观察实心玻璃圆柱中的光线传输径迹，但观察者看到的光线，实际上是透过实心玻璃圆柱外包裹的不同折射率的透明液体形成的“柱透镜”看到的，本专业领域的技术人员公知，这会使光线严重变形，无法看清楚光线径迹，因此也就无法看清楚入射角达到临界角的过程。无法实现所想象的演示效果。其二，实心玻璃圆柱体的圆柱形表面在反射传输光线的过程中，经过一次反射就会破坏激光束的单向性，使光束明显发散，发散的光束再透过外围透明液体形成的“柱透镜”观察，更会模糊不清，无法实现所要求的演示效果。其三，该发明中所采用的液体折射率均小于玻璃圆柱体的折射率，因此只能用其观察“包层”折射率小于“纤芯”折射率时玻璃圆柱体的光传输情况，而无法面向学生演示当“包层”折射率大于“纤芯”折射率时，光纤不能导光的情况。其四，该发明采用玻璃圆柱体作为模拟“纤芯”，无法实现将玻璃圆柱体同时浸入两种不同折射率的液体中，同时观察同一激光束在不同液体中的不同折射角的折射光束，即学生不能通过其直观的对比、感受“包层”折射率对光纤数值孔径的决定作用。由上述可明确看出，该发明虽然从结构上模拟了光纤的结构特征，但其演示效果很不理想。因此研制一种可清晰直观演示激光束在模拟“纤芯”中反射传输的“光线径迹”，演示入射角达到全反射临界角的动态过程，以及演示光纤“包层”折射率对“纤芯”导光的决定性作用的教学演示装置，具有重要意义。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的一个技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种设计合理、结构简单、演示效果直观、可动态演示的光纤导光物理条件的模拟实验演示装置。
[0005]本发明所要解决的另一个技术问题在于提供一种使用上述光纤导光物理条件的模拟实验演示装置的演示实验方法。
[0006]解决上述技术问题所采用的技术方案是:在底座上设置有支架和水槽，支架上设置有半导体激光器、水槽上设置用于模拟光纤纤芯的导光条，水槽内装有用于模拟光纤包层的透明液体，所述的导光条有两条，为有机玻璃导光条和石英玻璃导光条。所述水槽内的透明液体为水以及位于水上表面的液体石蜡，有机玻璃导光条和石英玻璃导光条的中心线相平行位于水与液体石蜡的界面上。
[0007]本发明的有机玻璃导光条和石英玻璃导光条为几何形状相同的四棱柱体，竖截面为长方形或正方形。
[0008]本发明的有机玻璃导光条和石英玻璃导光条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X宽最佳为8 X 5cm2。
[0009]本发明的有机玻璃导光条与石英玻璃导光条之间的距离与有机玻璃导光条的宽度相同。
[0010]使用上述的光纤导光物理条件的模拟实验演示装置模拟演示光纤导光的全反射临界角的实验方法如下:
[0011 ] 由半导体激光器射出的激光束从有机玻璃导光条一端面上水平中心线的上方、水平斜射到有机玻璃导光条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Θ i大小，在水槽I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Θ 2的变化趋势；转动半导体激光器使激光束的入射角91逐渐增大，液体石蜡中的折射光束折射角Θ 2趋向90°，进一步增大激光束的入射角Θ工，液体石蜡中折射光刚好消失，有机玻璃导光条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中，此时激光束的入射角Θ i即为有机玻璃导光条与液体石蜡界面上的全反射临界角。
[0012]使用上述的光纤导光物理条件的模拟实验演示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:
[0013]1、由半导体激光器射出的激光束通过石英玻璃导光条端面上水平中心线的上方，水平斜射到石英玻璃导光条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Θ i大小，在水槽上方向下观察石英玻璃导光条两侧液体石蜡中折射光束折射角θ3的变化趋势。转动半导体激光器使激光束的入射角Θ工逐渐增大，在液体石蜡中的折射光束折射角Θ 3也随着增大，目测比较激光束由石英玻璃导光条到液体石蜡界面上激光束的入射角91与折射角Θ 3的大小，分析激光束由石英玻璃导光条到液体石蜡的界面上不能形成全反射的原因。
[0014]2、半导体激光器射出的激光束通过石英玻璃导光条端面中心线下方、水平斜射到石英玻璃导光条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。转动半导体激光器改变激光束入射角Θ i大小，在水槽上方向下观察石英玻璃导光条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到水界面上激光束的入射角Θ !与折射角Θ 4的大小，分析激光束由石英玻璃导光条到水的界面上能形成全反射的原因。
[0015]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。
[0016]使用上述的光纤导光物理条件的模拟实验演示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:
[0017]半导体激光器射出的激光束从有机玻璃导光条端部垂直中心平面上，斜射到有机玻璃导光条上表面与液体石蜡的界面上，激光束在有机玻璃导光条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95与水中折射光束折射角Θ 6的大小，转动半导体激光器逐渐增大激光束在有机玻璃导光条上表面与液体石蜡界面上的激光束的入射角Θ i，观察激光束在液体石蜡中的折射角05和水中的折射角θ 6的同步变化，逐渐增大激光束入射角θ i，使激光束在有机玻璃导光条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θ i，即为有机玻璃与水的界面上的全反射临界角。
[0018]进一步增大激光束入射角Θ i，使激光束在有机玻璃导光条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Θ i即为有机玻璃与液体石蜡界面上的全反射临界角。
[0019]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: