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光纤光学的基本方程
* * * * * * * * * 据微分几何,等式左侧 是光线路径的曲率矢量,其大小就是路径曲线的曲率。 令曲率矢量为: 代入光线方程展开式: 用 n 乘 K 有: 上式表明折射率梯度矢量位于光线的切面内 dr/ds eR n’ n n’ n 重写曲率矢量和光线方程展开式: 上两矢量式点乘,第二项因两矢量正交为零,故有 因曲率半径总是正的,所以等式右边必须为正: 即光线前进时,向折射率高的一侧弯曲。 dr/ds eR n’ n n’ n r 分量 ? 分量 Z 分量 ( 2.5a ) ( 2.5b ) ( 2.5c) 光线方程在圆柱坐标中可分解成三个标量方程: r ? 光线方程: 设折射率分布横截面为中心对称分布,纵向不变,则:dn /d? =0, dn /dz =0 例3:光线在圆柱体中的传播 由上三式得光线轨迹(路径与z 的关系): 只要光纤折射率分布和入射点确定,就可计算光线轨迹。 为入射点, 为入射点方向余弦, n0 为入射点折射率。 设 ( 2.6 ) x y z 小结 程函方程:表示光波相位变化与介质折射率分布的关系 光线在均匀介质传播路径上无方向变化;在非均匀介质传播路径上有方向变化。 相位梯度方向与波矢量k方向一致,其模等于该点附近介质折射率。 光线方程: 光线向折射率大的方向弯曲。 标量解法 矢量解法 2.3 波导场方程 1.标量近似 在弱导波光纤中,光线几乎与光纤轴平行。因此其中的E和H几乎与光纤轴线垂直。 横电磁波(TEM波):把E和H处在与传播方向垂直的横截面上的这种场分布称为是横电磁波,即TEM波。 因此可把一个大小和方向都沿传输方向变化的空间矢量E变为沿传输方向其方向不变(仅大小变化)的标量E。 一、标量解法 2、分离变量 令 代入亥姆赫兹方程 得到 ————即光纤中的波导场方程 其中:横向拉普拉斯算符 横向传播常数 纵向传播常数 波矢与z轴的夹角 3.标量波导场方程解的推导思路 (1)首先求出横向场Ey的亥姆霍兹方程 (2)将其在圆柱坐标系中展开 (3)用分离变量法求解横向场Ey (4)根据麦氏方程中E和H的关系可得出横向磁场Hx的解答式 (5)根据电场和磁场的横向分量可用麦氏方程求出轴向场分量EZ、HZ的解答式 二、矢量解法 1、理论计算的三大步骤: ①、利用圆柱坐标系(r,φ,z)中的亥姆霍兹方程求出Ez、Hz ②、由Ez和Hz利用麦克斯韦方程组求出Er、Eφ、Hr、Hφ ③、利用Eφ、 Hφ在纤芯和包层交界处连续的特点,即在r=a处Eφ1=Eφ2、 Hφ1= Hφ2求出导波特征方程。 2、矢量解法的结果 其中,定义了 Jm(Ur)是m阶第一类标准贝塞尔函数,Km(Wr)是m阶第二类修正贝塞尔函数。常数A、B、C、D由边界连续条件确定。 2.4 模式及其基本性质 导波模 纵向传播常数 模式分布 横向传播常数 相速度与群速度 一、 导波模 导波光是一种特定的电磁场分布,其传输必须满足一定条件,称这种特定的电磁场分布为“模”。 导波模式分类: TE横电模 TM横磁模 EZ=0 HZ=0 x E E E E H H H H 芯层 芯层 包层 包层 z y 导波模式分类: 混合模: EH HE EzHz HzEz E B 光线 二、纵向传播常数 对应于每一阶贝塞尔函数(m取某一确定整数),都存在多个解(以n=1,2,…表示),记为βmn。 每一个βmn值对应于一个能在光纤中传输的光场的模式。 根据不同的m与n的组合,光纤中将存在许多模式,记为HEmn或EHmn。 m表示导波模式的场分量沿纤芯沿圆周方向出现最大值的个数,n表示沿径向出现最大值的个数。 光线的传播角从零到临界角,传播角越小模式级别越低,沿中心轴传播的模式为零级,临界传播角模式级别最高; 横模-横向场分布(表现为不同光斑花样) (2)旋转对称 TEMmn m-暗直径数;n-暗环数(半径方向) TEM00 TEM01 TEM02 TEM10 TEM20 TEM30 (1)x, y 轴对称 TEMmn m-X向暗区数 n-Y向暗区数 TEM00 TEM1
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