第2章 光学概要.ppt

1、第2章光学概要，本章叙述古典光学中关于光纤通讯的基本概念。 本章的主要题材有：放射性射线理论和透镜的聚光、光束的准直和成像、光的收集特性等。 这些个知识可用于解决光源与光纤的耦合问题，以及一根光纤与另一根光纤的耦合问题。2.1放射性射线理论及其应用2.2透镜2.3成像2.4数值孔径2.5衍射2.6总结讨论、2.1放射性射线理论及其应用，放射性射线理论又称几何光学，放射性射线遵循的规律： 1、真空中，放射性射线的传播速率为c，在其他介质中，放射性射线的传播速度低，设为v的折射率，温度和波长等环境参数2.1放射性射线理论及其应用，放射性射线理论又称为几何光学，放射性射线服从规律： 2，放射性射线在

2、均匀介质中沿直线传播，除非介质折光率不变，放射性射线变形。 3 .遵循反射定理。 4 .当光能通过边界时，透射线的方向由斯涅尔定律给出，即2.1线理论及其应用，图2.2正弦函数曲线，2.1线理论及其应用，与图2.3玻璃光纤端面心理投射的线弯曲，在图2.4 n1n2的情况下，线偏离法线方向，弯曲部分最简单的测试试验方法：以气体激光器为光源，其输出光束直径为毫米级，可通过透镜将光束会聚到光纤端面。 在透镜厚度小的条件下，可以忽略放射性射线透过时产生的位移，将该透镜称为薄透镜。 概念：准直光束、焦点、焦距长度、聚焦面透镜可以看作是两个玻璃球的球冠连接而构成的，如果设球面的半径(曲率半径)分别为R1和

3、R2，透镜的直径为d，折光率为n，那么短焦点透镜就可以考虑由难以设定校正的完全玻璃球构成的透镜已获得最小焦距长度的此设定校正，且如果R1=R2=D/2，则需要短焦距长度的小透镜直径，这种透镜具有大色差并且焦点相当模糊。 为了实现良好的结合，集合区域尺寸比纤维心尺寸小即可。 2.2透镜、图2.7轴外光束的聚光、图2.8轴外发散光束、来自图2.9点光源的轴外光束、2.2透镜、透过图2.10薄透镜的光线路径、柱面透镜：表面相当于短圆柱，是球形透镜的一维度形态。 柱面透镜相对于焦点线上的点光源，从透镜发出的光在垂直方向上准直，在水平方向上扩展。 柱面透镜由于半导体激光器和LED发散的光通常是非对称的，

4、因此在光纤光学中具有重要的意义。 柱面透镜可以降低两个方向中发散角大的方向的光束的发散性，使光束更对称。图2.11柱面透镜、图2.12线光源的准直、图2.13点光源和柱面透镜(a )侧视图(b )图2.14 (a )的来自非对称光源的放射性射线通过柱面透镜平行的侧视图(b )侧视图(c )俯视图、渐变折光率零聚焦和准直的性能与以往的球形透镜相同，能够用于成像、短焦距长度化，能够形成短的、实心的光结构，因此备受关注。 间距p，图2.15徐折光率棒，2.2透镜，来自图2.16准直光纤末端的放射性射线。 (a )使用通常的透镜(GRIN棒形透镜、2.2透镜、使用成像原理的薄透镜方程式：倍率m :定义

5、为像的大小与物体的大小之比，图2.17薄透镜的成像原理、2.3成像、式2.7的解可以用图2.18的曲线表示。为了大于1，物体位置的范围是利用图2.18的放大率作为物体位置的函数在2.3处成像，通过透镜将该图像组合到导光纤维，并且最重要的是掌握放射性射线传播的角度。 从成像方程式得到的物点、像点对透镜扩张角的关系，在角度小时，能够代替式(2.9)的正切函数而使用角度本身，根据式(2.10 )，在由于图2.19的成像而引起的角度变化中，通过透镜成像来扩大物体的尺寸，这就是光束扩张角的减小半导体激光器和LED都是以大角度发射，但光纤只能收集小角度的放射性射线，因此通过采用透镜可以提高耦合效率。 图2

6、.20实现了表示正切函数的曲线，其中折断线代表近似关系，并且如何与大于光纤尺寸的光源耦合是重要问题。 当我们试图使用镜头影像学减小光源的大小(即，M1 )时，如从方程(2.10 )可以看出，导光纤维不能接收超过预定角度范围的放射性射线。 2.3影像学、光学系统的重要残奥仪表之一是收集某一角度范围的入射光线的能力。 如可以从该图中理解的，最大接收角由下式确定： 2.4孔径，如从该图中理解的，最大接收角由下式确定：接收机具有圆对称性，其能够检测入射到半锥角的锥区的光。 数值孔径(NA )定义为n0是透镜和半导体光检测器之间材料的折光率。 公式(2.12 )中定义的数值孔径适用于包括光纤在内的所有光

7、收集系统。 入射到收集锥以外的光在导光纤维中衰减快，不能传播。 低NA对应于小的接收角，与高NA光纤相比，难以在低NA光纤上耦合光(对机械对准敏感)，效率不高。 可以用透镜降低光束的视角，提高耦合效率。 另外，图2.22光纤仅能够接收入射到半锥角的锥区域的光，通常将长距离传输光纤的数值设定在0.10.3的范围内，虽然低NA光纤的耦合效率低，但能够改善其传输带宽。 在短距离通讯下，塑料导光纤维可以比玻璃导光纤维更实用，其NA被修改为较大(通常为0.40.5 )并且可以提高耦合效率，并部分地抵消其高传播损耗。2.4数值孔径、图2.23数值孔径与接收角的关系曲线(NA=sin )，在一些光学实验中，

8、几何光学(放射性射线理论)可以准确指出大致的结果，但所得结果与可观察到的细节不完全一致。 在其他实验中也会发生明显的错误。 在这种情况下，有必要使用由外部光产生的波动性。 基于光的波动性的理论称为衍射光学或物理光学。2.5衍射，定义若干术语：横平面、光束的功率和强度、均匀光束、图2.6平行的均匀光束会聚到透镜时，根据图2.10 (a )衍射理论和实验，均匀光束会聚到透镜的结果(b )焦平面上的光强度、2.5衍射、图2.6 衍射理论和更详细的实验表明，光束不是聚集在一个点上，而是聚集在一个中心光斑和包围它的一系列强度减少的环带上。 如果光斑尺寸大于光纤芯或波导膜的尺寸，则中心光斑的直径必须使用衍

9、射理论来更好地描述。 图2.25将光束会聚到细光纤的端面可能会降低耦合效率，实际光源通常会发散不均匀的光束，高斯分布是最重要的横平面分布模式。 大部分瓦斯气体激光器和几个特殊校准的半导体激光器的辐射方向图符合这一分布。 极细的光纤内(直径数微米)也同样有特定的光场分布。 光斑半径定义为光强下降到峰值I0的1/e2的点与中心之间的距离，光斑大小正好为w。 假定图2.26中的归一化高斯强度分布是如图2.27所示在透镜处会聚一束高斯光束，则在聚焦面处产生的光分布仍是高斯形状，并且没有环路来会聚均匀光束。焦平面上光点尺寸是图2.27 (a )的聚光高斯光束，其强度分布是图2.27 (a )的聚光高斯光

10、束，在(b )焦点平面上出现的光点聚光成与聚光得到的高斯光点尺寸均匀的光束如果将聚光光斑直径定义为D=2w0，将入射光束光斑直径定义为d=2w，则可得出入射光束的形状不会随着光的集中度而发生较大变化的结论。 出现在图2.27 (a )会聚的高斯光束(b )聚焦面上的光斑在准直光束时需要校正放射性射线理论。 在图2.28中，小光源处于透镜焦点上。 从放射性射线理论可以看出，从透镜射出的是平行光。 如果光强度呈现高斯分布，则透镜右侧光束的强度分布为I=I0exp(-2r2/w2 )。 如果观察范围被限制在靠近透镜的位置，则从衍射理论所获得的结果与从几何光学获得的准直率相匹配。 对于远距离，衍射理论

11、结果表明光束以确定的角度发散，该发散角为：图2.28高斯光束的准直，图2.28高斯光束的准直，2.5衍射，图2.28高斯光束的准直，2.5衍射，辐射场方向图函数为i=I000 波长短的话，容易满足这个条件。 一个无线射频发射天线的光学仿真如图2.28所示。 如果天线的最大线性度是2w阶，那么公式(2.17 )可以用于分析无线射频天线。 通常，对于以任何波长发射的光束，其发散角与在波长上测量的发射器大小成反比。图2.28高斯光束的准直、发散窄光束的信号发送器用波长圈套的尺寸非常大。 在无线电频带区中，此类天线非常巨大。 得出的结论是，由于光波的波长短，因此通过采用光传输能够提供极窄的方向性良好的

12、光束。 图2.28高斯光束的准直，一个大气光通讯系统的构成如图2.29所示。 经过长距离传输，光束发散严重，接收机的光斑远大于接收镜头本身，损失大部分能量。 大气光通讯系统的另一个问题是线路传递损失高度依赖于天气。 向中空管道输送光束可以克服天气问题。 将狭窄的波束封闭在短管中，使其不受环境的影响是现实的，波束不会在短距离内大幅扩散。 图2.29大气传输线，2.6总结和讨论，首先，显示了本章讨论的主要知识点。 其次，列举了讨论过程中引入的新课题。 1、介质中放射性射线的传播速率取决于材料的折光率n； 2 .在不同煤质边界，透射线的传播方向遵循斯涅尔定律。 3 .透镜可以会聚准直光束，根据放射性

13、射线角度的变化在透镜的一侧形成放大的倒立像。 4.GRIN棒形透镜可以实现与传统球形透镜相同的功能。 在光纤系统中，紧凑的结构和短焦距长度特性更有魅力。 5 .包含光纤的光学系统只能接收以有限角度范围入射的放射性射线。 2.6总结和讨论，6 .根据衍射理论，光不能聚焦于无穷小的点，也不能理想地平行。 这一结论首先用于处理将光耦合到超细光纤上的聚焦问题，接着用于建构非电感性光通讯系统。 7 .激光和导光纤维系统中高斯光强分布表现良好，应该熟悉这种分布模式。 8 .大气光通讯系统完全实用。 在短距离无障碍物的范围内，大气光通讯系统可能比导光系统更适合。 在远距离传送中，可以提供在波导不能铺设的条件(卫星之间的通讯等)下能够采用这种通讯方式的系统。 然而，与非导光系统相比，通常光纤通信系统具有更多应用领域。 以下列举了一些新课题，在以后的各章中进行讨论：光束在光纤中的传播特性。 在没有边界的介质中，光的传播速率由式(2.1 )决定。 在不同介质的