1．光的基礎(chǔ)知識(shí)

　　光是通過(guò)光源內(nèi)大量的分子或原子振動(dòng)而產(chǎn)生的輻射。1894年，麥克斯韋從理論上指出，光是一種電磁波，1905年愛(ài)因斯坦提出光是一粒一粒的粒子流，每個(gè)粒子可被稱為光子。也就是說(shuō)光既具有粒子性，又具有波動(dòng)性，光在傳播時(shí)表現(xiàn)為波動(dòng)性，而與物質(zhì)作用時(shí)又表現(xiàn)為粒子性。通常我們所說(shuō)的光是電磁波的一種，它通常由紫外光、可見(jiàn)光和近紅外光組成，其中1-390nm波段的光為紫外光UV，波長(zhǎng)為280-300nm波段為UV-B，它的強(qiáng)光可以殺死或嚴(yán)重?fù)p傷地球上的生物;200-280um波段為UV-C，它的強(qiáng)光可以殺死地球上一切生物，包括人類,比紫外光頻率更高的還有X光和γ射線等;390-760nm波段的光為可見(jiàn)光；波長(zhǎng)在760-1500nm為近紅外光，中紅外波段波長(zhǎng)范圍為1.5-25μm，遠(yuǎn)紅外光譜波長(zhǎng)范圍25-300μm,比遠(yuǎn)紅外光頻率更小或波長(zhǎng)更長(zhǎng)的有毫米波、微波、短波、中波和長(zhǎng)波等。而可見(jiàn)光又是由七色光組成的，即可見(jiàn)光含有紅色光、橙色光、黃色光、綠色光、藍(lán)色光和靛青光等色光[2]：?

　　紫色/nm靛青/nm藍(lán)色/nm綠色/nm黃色/nm橙色/nm紅色/nm

　　390-430430-450450-500500-570570-600600-630630-760

　　國(guó)際照明委員會(huì)統(tǒng)一規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)是：選水銀光譜中波長(zhǎng)為700nm的紅光為紅基色光，波長(zhǎng)為546.1nm的綠光為綠基色光,波長(zhǎng)為435.8nm的藍(lán)光為藍(lán)基色光。常規(guī)POF一般在紫外光波段并沒(méi)有很好的透光性，而石英光纖和特制的液芯光纖在這一區(qū)域有很好的透光率，POF在可見(jiàn)光區(qū)域有很好的透光率，由POF芯材選用氟化和氘化聚合物材料制備的POF在近紅外光區(qū)域才有很好的透光率。

　　光在真空中的傳播速度C為3×108m/s，光的傳輸波長(zhǎng)λ，頻率f和光速C之間關(guān)系參見(jiàn)如下公式:

　　C=fλ……………………(1)

　　其中f的單位為赫茲Hz或1／秒(s)，波長(zhǎng)的單位為米(m)。

　　只有真空的折射率n為1.0，故光在任一傳輸介質(zhì)的傳播速度V是光速除以該介質(zhì)的折射率，即：

　　光在真空中的傳播速度是最快的，傳輸介質(zhì)不同，其折射率不同，傳光速度也不同。相對(duì)而言，折射率大的傳輸介質(zhì)是光密介質(zhì)，折射率小的傳輸介質(zhì)是光疏介質(zhì)，對(duì)于POF而言，POF芯材為光密介質(zhì)，POF皮材為光疏介質(zhì)，由于光在光密媒介－芯材中的傳播速度會(huì)降低，故光在芯材中的傳輸速度慢于皮材中的傳輸速度;在空氣中，由于n≈1，光波的傳播速度接近于真空中的傳播速度C；純PMMA的折射率為1.49,故光在其中的傳輸速度約為2.01×108m/s。

　　光在均勻媒質(zhì)或不均勻媒質(zhì)中傳輸時(shí)，滿足費(fèi)瑪(Fermat)原理，即光從空間一點(diǎn)到另一點(diǎn)是沿著時(shí)間為極值的路程而傳播的，即光沿著光程為最小或最大或恒量的路徑傳播。

　　2．幾何光學(xué)理論

　　要了解POF傳光原理，必須了解一些幾何光學(xué)的知識(shí)。

　　首先光學(xué)分為幾何光學(xué)和物理光學(xué)，幾何光學(xué)是研究光在均勻介質(zhì)中的傳播特性，通常采用直線來(lái)描述，它是研究光在介質(zhì)中傳播的基礎(chǔ)光學(xué)理論。物理光學(xué)又分為波動(dòng)光學(xué)和量子光學(xué),波動(dòng)光學(xué)認(rèn)為光是一種電磁波，但它不能解釋光的微觀現(xiàn)象;量子理論認(rèn)為光的能量不是連續(xù)分布的，光是一粒粒運(yùn)動(dòng)著的光子組成，每個(gè)光子具有確定的能量。幾何光學(xué)理論的四大基本定律為：

　　2.1光的直線傳播定律：在各向同性的均勻介質(zhì)中，光是沿直線傳播的。

　　2.2光的獨(dú)立傳播定律：不同光源發(fā)出的光線從不同方向通過(guò)某點(diǎn)時(shí)，彼此不影響，各光線的傳播不受其它光線影響。

　　2.3光的反射定律：當(dāng)一束光投射到某一介質(zhì)光滑表面時(shí)，保存一部分光反射回原來(lái)的介質(zhì)，這一光線稱為反射光線，反射光線、入射光線和法線位由于同一平面內(nèi)，入射線同法線組成的角稱為入射角，反射光線同法線組成的角稱為反射角，反射角等于入射角，即θ1=θ3,其絕對(duì)值相等，這就是反射定律。

　　2.4光的折射定律：當(dāng)一束光投射到某一介質(zhì)光滑表面時(shí)除了有一部分光發(fā)生反射外，還有一部分光通過(guò)介質(zhì)分界面入射進(jìn)第二傳輸介質(zhì)中，這一部分光線稱為折射光線，折射光線和入射光線分別位于法線的兩側(cè)，折射光線位于入射光線和法線所決定的平面內(nèi)。折射光線同法線組成的角稱為折射角，入射角的正弦值同折射角正弦值的比值為一恒定值，這就是折射定律。需要指出的是采用幾何光學(xué)分析光在某一研究對(duì)象中的傳輸特性時(shí)，這一研究對(duì)象的幾何尺寸必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所傳輸?shù)墓獠ㄩL(zhǎng)，這樣才能忽略波長(zhǎng)的長(zhǎng)度，否則就必須采用物理光學(xué)分析光在研究對(duì)象中的傳輸特性。也即是光纖纖芯直徑是所傳播光波長(zhǎng)的幾十倍或幾百倍時(shí)，其傳播現(xiàn)象就可用幾何光學(xué)而不用波動(dòng)光學(xué)來(lái)研究。

　　3．子午光線在階躍型POF中的傳輸

　　階躍型POF是一種具有芯皮結(jié)構(gòu)的光纖。

　　子午平面指的是包含有光纖軸的平面，所謂子午線，就是光線的傳播路徑始終在同一平面內(nèi)，子午光線總是和光纖軸相交的，光在一種均勻介質(zhì)傳播時(shí)是一種直線式傳播：當(dāng)光從一種介質(zhì)傳至另一介質(zhì)表面時(shí)，一般同時(shí)發(fā)生反射和折射；如果光從折射率小的光疏介質(zhì)射入折射率大的光密介質(zhì)時(shí)，則折射角小于入射角；而當(dāng)光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時(shí)折射角將大于入射角，因而當(dāng)光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時(shí)就有可能出現(xiàn)只有反射而無(wú)折射的現(xiàn)象，這就是全反射，全反射是光折射的一種邊界效應(yīng)，即光從一種透明介質(zhì)進(jìn)入到另一種介質(zhì)里而發(fā)生彎曲的現(xiàn)象。POF就是通過(guò)全反射原理進(jìn)行光傳輸?shù)摹?/p>

　　由折射定律公式可得出：

　　n1sinθ1=n2sinθ2(4)

　　這里n1、n2分為芯皮折射率，θ1、θ2分為入射角和折射角，設(shè)發(fā)生全反射的臨界角為θm，此時(shí)θ2=90°，故而

　　當(dāng)入射角θ1>θm時(shí)，則光在芯皮界面上發(fā)生全反射，而當(dāng)入射角θ1<θm時(shí)，則光在芯皮表面上出現(xiàn)折射，有一部分光從芯材泄漏至皮層外。由全反射臨界角同樣可推出光纖截面臨界入射光纖角θ0，在空氣和光纖截面界面上，同樣有：

　　n0sinθ0=n1sin(90°—θm)

　　=n1cosθm

　　其中，n0為空氣折射率，設(shè)定其值同于真空折射率值1.0即n0=1.0，因而

　　即外界光入射角θ小于θ0時(shí)，光線才能在光纖中以全反射的形式向前傳播，從光纖一端傳至光纖另一端，所以，光纖臨界接受角為：

　　故光在SIPOF光纖的傳輸方式為全反射式鋸齒型。

　　光纖數(shù)值孔徑是光纖一個(gè)重要指標(biāo)之一，NA值越大，則θ0越大，光纖臨界入射角越大，則光纖端面接受光或發(fā)射光角度越大，光纖的集光能力愈強(qiáng)，愈便于光纖同光纖連接或同光源耦合。常規(guī)POF的光纖數(shù)值孔徑。