1．光的基礎知識

　　光是通過光源內大量的分子或原子振動而產生的輻射。1894年，麥克斯韋從理論上指出，光是一種電磁波，1905年愛因斯坦提出光是一粒一粒的粒子流，每個粒子可被稱為光子。也就是說光既具有粒子性，又具有波動性，光在傳播時表現為波動性，而與物質作用時又表現為粒子性。通常我們所說的光是電磁波的一種，它通常由紫外光、可見光和近紅外光組成，其中1-390nm波段的光為紫外光UV，波長為280-300nm波段為UV-B，它的強光可以殺死或嚴重損傷地球上的生物;200-280um波段為UV-C，它的強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波段的光為可見光；波長在760-1500nm為近紅外光，中紅外波段波長范圍為1.5-25μm，遠紅外光譜波長范圍25-300μm,比遠紅外光頻率更小或波長更長的有毫米波、微波、短波、中波和長波等。而可見光又是由七色光組成的，即可見光含有紅色光、橙色光、黃色光、綠色光、藍色光和靛青光等色光[2]：?

　　紫色/nm靛青/nm藍色/nm綠色/nm黃色/nm橙色/nm紅色/nm

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

　　國際照明委員會統一規定的標準是：選水銀光譜中波長為700nm的紅光為紅基色光，波長為546.1nm的綠光為綠基色光,波長為435.8nm的藍光為藍基色光。常規POF一般在紫外光波段并沒有很好的透光性，而石英光纖和特制的液芯光纖在這一區域有很好的透光率，POF在可見光區域有很好的透光率，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λ，頻率f和光速C之間關系參見如下公式:

　　C=fλ……………………(1)

　　其中f的單位為赫茲Hz或1／秒(s)，波長的單位為米(m)。

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

　　光在真空中的傳播速度是最快的，傳輸介質不同，其折射率不同，傳光速度也不同。相對而言，折射率大的傳輸介質是光密介質，折射率小的傳輸介質是光疏介質，對于POF而言，POF芯材為光密介質，POF皮材為光疏介質，由于光在光密媒介－芯材中的傳播速度會降低，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。

　　光在均勻媒質或不均勻媒質中傳輸時，滿足費瑪(Fermat)原理，即光從空間一點到另一點是沿著時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．幾何光學理論

　　要了解POF傳光原理，必須了解一些幾何光學的知識。

　　首先光學分為幾何光學和物理光學，幾何光學是研究光在均勻介質中的傳播特性，通常采用直線來描述，它是研究光在介質中傳播的基礎光學理論。物理光學又分為波動光學和量子光學,波動光學認為光是一種電磁波，但它不能解釋光的微觀現象;量子理論認為光的能量不是連續分布的，光是一粒粒運動著的光子組成，每個光子具有確定的能量。幾何光學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中，光是沿直線傳播的。

　　2.2光的獨立傳播定律：不同光源發出的光線從不同方向通過某點時，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：當一束光投射到某一介質光滑表面時，保存一部分光反射回原來的介質，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，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,其絕對值相等，這就是反射定律。

　　2.4光的折射定律：當一束光投射到某一介質光滑表面時除了有一部分光發生反射外，還有一部分光通過介質分界面入射進第二傳輸介質中，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，折射光線位于入射光線和法線所決定的平面內。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分析光在某一研究對象中的傳輸特性時，這一研究對象的幾何尺寸必須遠遠大于所傳輸的光波長，這樣才能忽略波長的長度，否則就必須采用物理光學分析光在研究對象中的傳輸特性。也即是光纖纖芯直徑是所傳播光波長的幾十倍或幾百倍時，其傳播現象就可用幾何光學而不用波動光學來研究。

　　3．子午光線在階躍型POF中的傳輸

　　階躍型POF是一種具有芯皮結構的光纖。

　　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，子午光線總是和光纖軸相交的，光在一種均勻介質傳播時是一種直線式傳播：當光從一種介質傳至另一介質表面時，一般同時發生反射和折射；如果光從折射率小的光疏介質射入折射率大的光密介質時，則折射角小于入射角；而當光從光密介質射入光疏介質時折射角將大于入射角，因而當光從光密介質射入光疏介質時就有可能出現只有反射而無折射的現象，這就是全反射，全反射是光折射的一種邊界效應，即光從一種透明介質進入到另一種介質里而發生彎曲的現象。POF就是通過全反射原理進行光傳輸的。

　　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，設發生全反射的臨界角為θm，此時θ2=90°，故而

　　當入射角θ1>θm時，則光在芯皮界面上發生全反射，而當入射角θ1<θm時，則光在芯皮表面上出現折射，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，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。

　　光纖數值孔徑是光纖一個重要指標之一，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射光角度越大，光纖的集光能力愈強，愈便于光纖同光纖連接或同光源耦合。常規POF的光纖數值孔徑。