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[彭]Fiber2-1光的基本性質
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前章重点提示:
一、光纤系统的特点:传输容量大
B:Gb/s MHz
L :几十上百公里(km)
B·L( Gb/s .km)
二、三个低损耗窗口
0.8μm 1.3μm 1.5μm
三、系统组成及作用
各组成部分的作用
第2章 光纤与导光原理
内容提要
§ 2.1 光的基本性质
§ 2.2 光纤的结构与类型
§ 2.3 光纤的传输特性
教学要求:了解光纤的结构和类型,掌握光纤传输的原理和光纤的传输特性,了解光纤的结构和光纤特性的测量方法。
§2.1 光的基本性质
一、光的电磁理论(P8P10)
1、光是物质
无线电波、光、X射线,都是一种物质,波长(频率)不同
2、基本参数:
波长 频率 传播速率 能量
3、麦克斯韦方程组(P8波动方程)
1865年麦克斯韦在总结前人实验的基础上,得出麦克斯韦方程组,并预言电磁波的存在。
在无源空间可得到光在非磁性的、各向同性的极化介质中传输的波动方程式定量分析
4、亥姆霍兹方程(P9)
由麦克斯韦方程组的微分形式,可以推导真空中亥姆霍兹方程
时域 t 的函数
空间分布 x y z k 的函数
k:传播(z)方向的波矢量
二、电磁波(光)的性质
真空中的电磁波具有以下性质:
1、电磁波是横波(定义)
E⊥k H⊥k
E⊥H
符合右手定则:
E×H= k
2、E和H同位相
电场E和磁场H同时最大,同时为零,同时改变方向同相位。
3、E和H幅值成正比(P10)
4、电磁波的传播速度与光相同
表明光波也是一种电磁波
5、光(电磁场)的能量
能量密度
光强: (P50 2-1 1 3)
三、 光的传输原理
1、光的反射与折射
反射定律
反射光线在入射光线和法线所决定的平面上,反射光线和入射光线分别位于法线两侧,反射角θr等于入射角θi。 θr =θi(能量关系?相位关系?)
注:光路的可逆性:
反射光线与入射光线完全对称,若光线从反射光线的方向射到媒质的界面上,光就会逆着原来入射光线的方向反射出去,这种现象叫做光路的可逆性。光路的可逆性原理在光纤通信器件中得到广泛应用。
光的折射
光从一种均匀媒质射入另一种均匀媒质时,传播方向在界面处发生改变的现象叫做光的折射(透射)。
折射定律
折射光线在入射光线和法线所决定的平面上,折射光线和入射光线分居于法线的两侧,入射角θi的正弦与折射角θt的正弦之比为一常数
注1: 在折射中,光路也是可逆的。
荷兰的斯奈尔于1621年首先得到的。
1637年,法国的笛卡儿进一步指出,如果光从媒质I射入媒质Ⅱ时有
注2: 式中v1、v2分别是光在媒质I和媒质Ⅱ中的传播速度,它们都是常数,因此v1/v2也是常数。
2、光的全反射
(1)两种媒质:折射率大的叫光密媒质(纤芯),折射率小的叫光疏媒质(包层)。当光线从光密媒质射到光疏媒质时,在某种条件下,却只有反射而无折射,这时折射角θt大于反射角θr。
(2)光的反射:如果连续增大入射角θi,折射光线逐渐偏离法线而向纤芯的直边靠近,而且越来越弱,而反射光越来越强。当入射角增大至某一角度时,折射光线消失,只剩下反射光线,这种现象称为全反射TIR(Total Internal Reflection)。折射角θt等于900时的入射角θi称为临界角θc,
3、折射率与斯奈尔定律
定义光从真空射入某种媒质时,入射角θi的正弦与折射角θt的正弦之比,叫做这种媒质的折射率,用n表示:
注1:c和v分别是光在真空和在该媒质中的传播速度。因c总大于v,所以媒质的折射率n都大于1。即光从真空射入某种媒质时,折射角θt都小于入射角θi(反过来?)。
真空的折射率等于1。光在空气中的传播速度近似等于c,因此空气的折射率近似等于1,光从真空射入空气时几乎不折射。
注2:当光从折射率为n1的媒质I中,射入折射率为n2的媒质Ⅱ时,
斯奈尔(Snell)定律
4、临界角
由Snell定律可得到临界角
即
例2-1 波长为1300nm的光在石英玻璃中(n=1.45)传播时,求入射到空气界面发生全反射时的临界角θc。
解:n1=1.45( )
n2=1( 空气 )
由Sinθc/ sin900=n2/n1
即
==
四、光的相干性(P11)
1、光矢量
在光波中(E、H),产生感光作用与生理作用的主要是电场强度E,所以电矢量E称为光矢量。
2、光的相干性
干涉现象是波动过程的基本特征之一,光波也具有相干性。
相干波:由频率相同,振动方向相同,位相相同或位相差保持恒定的两个相干波源所发出的波是相干波。
干涉:在两束相干波相遇的区域里,有些点振动始终加强,有些点的振动始终减弱或完全抵消,即产生干
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