《光学概要》PPT课件

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1、第2章光学概要——本章讲述经典光学中与光纤通信相关的基本概念。本章的主要题材是射线理论和关于透镜的聚焦、对光束的准直和成像，以及对光的收集特性等。这些知识可以用于解决光源与光纤耦合，以及一根光纤与另一根光纤之间的耦合问题。§2.1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总结和讨论§2.1射线理论及其应用射线理论又称为几何光学，射线遵循的规则：1、真空中，射线的传播速率为c，在其他媒质中，射线传播的速度要低一些，设为v，则石英玻璃的典型折射率约为1.5，更精确的值在1.45~1.48之间。折射率会随着环境参数（如温度和波长）的不同而变化。§2.1射线理

2、论及其应用射线理论又称为几何光学，射线遵循的规则：2、射线在均匀媒质中沿直线路径传播，除非媒质的折射率发生变化，射线才会偏斜。3、遵循反射定理。4、有光能量穿过边界时，透射射线的方向有斯涅耳定律给出，即§2.1射线理论及其应用图2.2正弦函数曲线§2.1射线理论及其应用图2.3投射到玻璃光纤端面的射线发生的弯折图2.4n1>n2时，射线偏离法线方向，折向分界面§2.1射线理论及其应用图2.5在通过一个平行的玻璃面板以后，射线方向不发生改变§2.2透镜光纤的测试：可以通过在光纤中传送可见光来测试光纤。最简单的测试项目：光纤断点、物理损伤、光的泄漏、裸光纤的裂纹或不均匀性。测试方法：用气体

3、激光器作为光源，其输出光束直径在毫米量级，可以用透镜将光束聚焦到光纤端面。在透镜厚度很小的条件下，射线透过时产生的位移可以忽略，这种透镜称为薄透镜。概念：准直光束、焦点、焦距、焦平面透镜可以看做是由两个玻璃球的球冠连接在一起构成，假设球面的半径（曲率半径）分别为R1和R2，透镜的直径为D，折射率为n，则有短焦距透镜很难设计，因为要求镜面的曲率半径很小，从而透镜也要做得很小。考虑由一个完整玻璃球形成的透镜，这种设计可以得到最小焦距，已知D，则有R1=R2=D/2，则有短焦距需要小的透镜直径，这样的透镜有严重的色差，从而使焦点变得相当模糊。为了实现良好的耦合，聚集区域尺寸小于纤心尺寸即可。

4、§2.2透镜图2.7离轴光束的聚焦图2.8准直发散光束图2.9准直来自点光源的离轴光束§2.2透镜图2.10透过薄透镜的射线路径柱透镜：表面相当于一段短截柱面，是球面透镜的一维形态。柱透镜对位于焦线上的点光源，从透镜出来的光在竖直方向被准直，在水平方向被扩展。柱透镜在光纤光学具有重要意义，因为半导体激光器和LED发散的光通常是非对称的。柱透镜可以降低两个方向中发散角较大的方向上光束的发散性，从而使光束更为对称。图2.11柱透镜图2.12线光源的准直图2.13点光源和柱透镜（a）侧视图；（b）顶视图图2.14（a）非对称光源发出的射线经柱透镜准直侧视图；（b）侧视图；（c）顶视图渐变折射

5、率棒柱透镜（GRIN棒透镜是现代技术的新成果，在光纤系统中以多种方式得到了应用。在聚焦与准直的性能上与传统球面透镜相同，可用于成像、实现短焦距，形成短的、实心的光结构，因而备受关注。节距P图2.15渐变折射率棒§2.2透镜图2.16准直光纤末端发出的射线。（a）使用常规透镜；（b）使用GRIN棒透镜§2.2透镜成像原理薄透镜方程：放大倍数M：定义为像的尺寸和物体尺寸的比值图2.17薄透镜成像原理§2.3成像方程2.7的解可用图2.18中的曲线表示。要使放大倍数大于1，则物体位置的范围为：图2.18放大倍数作为物体位置的函数§2.3成像通过透镜耦合进光纤，最重要的是掌握射线传播的角度。根

6、据成像方程，可得到物点、像点对透镜张角之间的关系为如果角度很小，可以用角度本身代替式（2.9）中的正切函数，得到图2.19成像引起的角度变化由式（2.10）可知，通过透镜成像来放大物体的尺寸会伴随着光束张角的减小。从一个物体发出的光线很容易通过透镜成像方法来实现准直。由于半导体激光器和LED都以较大的角度辐射，而光纤只能收集小角度的射线，所以采用透镜能够提高耦合效率。图2.20实现表示正切函数曲线，虚线表示近似关系如何与大于光纤尺寸的光源耦合是个重要问题。我们试图通过透镜成像来缩小光源的大小（即M<1），则由式（2.10）可知会增加光束的张角，而光纤不可能接收超过某个确定的角度范围以外

7、的射线。§2.3成像光学系统的一个重要参数是其收集在一定角度范围的入射光线的能力。由图可知，最大接收角有下式确定：§2.4数值孔径由图可知，最大接收角有下式确定：由于接收机具有圆对称性，因此可以检测到在半锥角为θ的锥形区域入射的光。数值孔径（NA）则定义为：n0是透镜和光检测器之间的材料的折射率。由式（2.12）定义的数值孔径适用于包括光纤在内的所有光学收集系统。在收集锥以外入射的光线在光纤中衰减很快，不可能传播。低NA对应于小接收角，将光耦合