模拟光纤数值孔径实验演示装置与实验演示方法。一种模拟光纤数值孔径实验演示装置，在底座上设置有支架和半圆筒形水槽，支架上设置有半导体激光器和玻璃棒，半圆筒形水槽的圆柱侧壁外表面喷涂有白色漆层、平面侧壁为用于模拟光纤纤芯的导光板，半圆筒形水槽内自下而上依次装有体积相等用于模拟三种不同光纤包层的蒸馏水、蓖麻油、航空煤油，采用该装置的演示实验方法由模拟演示光纤的包层折射率与包层中折射光折射角的定性关系、模拟演示光纤的包层折射率决定光纤数值孔径的实验方法步骤组成。该装置与实验演示方法，直观、定性地演示模拟光纤包层折射率大小与光纤数值孔径的关系，结构简单、生产成本、操作方便、演示效果直观，可用于光学实验和课堂演示实验。
1.一种模拟光纤数值孔径实验演示装置，其特征在于：在底座(6)上设置有支架(5)和半圆筒形水槽(1)，支架(5)上设置有半导体激光器(4)和玻璃棒(3)，半圆筒形水槽(1)的圆柱侧壁外表面喷涂有白色漆层(2)、平面侧壁为用于模拟光纤纤芯的导光板(1-1)，半圆筒形水槽(1)内自下而上依次装有体积相等、互不相溶的用于模拟不同折射率光纤包层的三种透明液体，自下而上的三种透明液体为蒸馏水、蓖麻油、航空煤油。
2.根据权利要求1所述的模拟光纤数值孔径实验演示装置，其特征在于：所述的玻璃棒(3)位于半导体激光器(4)的光出射方向上，玻璃棒(3)的中心线与半导体激光器(4)出射光方向在同一个平面内垂直，玻璃棒(3)的中心线与水平面平行。
3.一种使用权利要求1所述的模拟光纤数值孔径实验演示装置的演示实验方法，其特征在于由下述步骤组成：
(1)模拟演示光纤的包层折射率与包层中折射光折射角的定性关系
半导体激光器(4)出射的激光束透过玻璃棒(3)，形成激光片光源，透过导光板(1-1)的后侧面以同一入射角同时斜射到导光板(1-1)与半圆筒形水槽(1)内蒸馏水、蓖麻油、航空煤油不同折射率液体的界面上产生折射和反射，折射光在导光板(1-1)与蒸馏水界面上以折射角(θ4)进入蒸馏水、在导光板(1-1)与蓖麻油界面上以折射角(θ2)进入蓖麻油、在导光板(1-1)与航空煤油界面上以折射角(θ3)进入航空煤油，折射光束投射在半圆筒形水槽(1)圆柱侧壁外表面的白色漆层(2)上形成不同位置的三条线状投射光带，进入蒸馏水的折射光束在半圆筒形水槽(1)圆柱侧壁外表面的白色漆层(2)上形成的线状投射光带最靠近导光板(1-1)，进入蓖麻油的折射光束在半圆筒形水槽(1)圆柱侧壁外表面的白色漆层(2)上形成的线状投射光带离导光板(1-1)距离最大，进入航空煤油折射光束在半圆筒形水槽(1)圆柱侧壁外表面的白色漆层(2)上形成的线状投射光带与导光板(1-1)的距离位于上述两条线状投射光带之间，通过线状投射光带的不同位置，直观演示模拟光纤的包层折射率与包层中折射光折射角的定性关系；
(2)模拟演示光纤的包层折射率决定光纤数值孔径的实验方法
①测量导光板(1-1)与蒸馏水界面上的全反射临界角
逐渐增大激光片光源在导光板(1-1)与透明液体界面上的入射角(θ1)，激光片光源在导光板(1-1)与蒸馏水界面上的折射光在半圆筒形水槽(1)的圆柱侧壁外表面白色漆层(2)上的线状投射光带首先到达导光板(1-1)，激光在导光板(1-1)与蒸馏水的界面上首先形成全反射，在线状投射光带刚好消失时，用量角器在导光板(1-1)上表面测量激光片光源在导光板(1-1)与透明液体界面上的入射角(θ1)为导光板(1-1)与蒸馏水界面上的全反射临界角；
②测量导光板(1-1)与航空煤油界面上的全反射临界角
进一步增大激光片光源在导光板(1-1)与透明液体界面上的入射角(θ1)，激光片光源在导光板(1-1)与航空煤油界面上的折射光在半圆筒形水槽(1)的圆柱侧壁外表面白色漆层(2)上的线状投射光带到达导光板(1-1)，激光在导光板(1-1)与航空煤油的界面上形成全反射，在线状投射光带刚好消失时，用量角器在导光板(1-1)上表面测量激光片光源在导光板(1-1)与透明液体界面上的入射角(θ1)为导光板(1-1)与航空煤油界面上的全反射临界角；
③测量导光板(1-1)与蓖麻油界面上的全反射临界角
继续增大激光片光源在导光板(1-1)与透明液体界面上的入射角(θ1)，激光片光源在导光板(1-1)与蓖麻油界面上的折射光在半圆筒形水槽(1)的圆柱侧壁外表面白色漆层(2)上的线状投射光带到达导光板(1-1)，激光束在导光板(1-1)与蓖麻油的界面上形成全反射，在线状投射光带刚好消失时，用量角器在导光板(1-1)上表面测量激光片光源在导光板(1-
1)与透明液体界面上的入射角(θ1)为导光板(1-1)与蓖麻油界面上的全反射临界角；
由上述三种液体的全反射临界角，按光纤数值孔径的定义以及光纤最大受光角和纤芯与包层界面上全反射临界角的关系：
式中NA为光纤数值孔径，α为光纤最大受光角，β1为导光板(1-1)与不同透明液体界面上的全反射临界角，直观判断以三种不同折射率液体为模拟光纤包层的光纤数值孔径的相对大小。
模拟光纤数值孔径实验演示装置与实验演示方法
技术领域
[0001] 本发明属于光学实验仪器技术领域，具体涉及到用于演示光纤数值孔径的实验仪器。
背景技术
[0002] 光纤作为高科技中重要的标志性成果之一，对其导光原理的介绍，早已广泛进入中小学课本及大学物理、光通信原理等专业课教材中。近年来配合光学与光通信原理课教材的实验演示仪器，也得到了大的发展。众所周知，光纤导光基于光的全反射原理，但现有的光纤导光演示实验仪器及公开的专利技术，大多只是向学生演示光纤可以将光信号或模拟/数字电信号经过光电转换后从光纤的一端传输到另一端，即只演示弯曲的光纤可以传输光信号这一事实。数值孔径直接反映了光纤的集光能力，是光纤的重要特性参数之一，但由于实际使用的光纤细小，目前没有见到用于帮助学生理解数值孔径的实验演示仪器，学生对于光纤数值孔径的理解，只能凭借想象力。光学实验仪器技术领域当前需迫切解决的一个技术问题是提供一种演示光纤数值孔径及其与光纤包层介质折射率关系的实验演示仪器。
发明内容
[0003] 本发明所要解决的一个技术问题在于提供一种演示直观、演示效果明显、能模拟演示光纤的数值孔径与包层介质折射率关系的模拟光纤数值孔径实验演示装置。
[0004] 本发明所要解决的另一个技术问题在于提供一种使用模拟光纤数值孔径实验演示装置的实验演示方法。
[0005] 解决上述技术问题所采用的技术方案是：在底座上设置有支架和半圆筒形水槽，支架上设置有半导体激光器和玻璃棒，半圆筒形水槽的圆柱侧壁外表面喷涂有白色漆层、平面侧壁为用于模拟光纤纤芯的导光板，半圆筒形水槽内自下而上依次装有体积相等、互不相溶的用于模拟不同折射率光纤包层的三种透明液体，自下而上的三种透明液体为蒸馏水、蓖麻油、航空煤油。
[0006] 本发明的玻璃棒位于半导体激光器的光出射方向上，玻璃棒的中心线与半导体激光器出射光方向在同一个平面内垂直，玻璃棒的中心线与水平面平行。
[0007] 使用上述的模拟光纤数值孔径实验演示装置的演示实验方法，由下述步骤组成：
[0008] 1、模拟演示光纤的包层折射率与包层中折射光折射角的定性关系[0009] 半导体激光器出射的激光束透过玻璃棒，形成激光片光源，透过导光板的后侧面以同一入射角同时斜射到导光板与半圆筒形水槽内蒸馏水、蓖麻油、航空煤油不同折射率液体的界面上产生折射和反射，折射光在导光板与蒸馏水界面上以折射角θ4进入蒸馏水、在导光板与蓖麻油界面上以折射角θ2进入蓖麻油、在导光板与航空煤油界面上以折射角θ3进入航空煤油，折射光束投射在半圆筒形水槽1圆柱侧壁外表面的白色漆层上形成不同位置的三条线状投射光带，进入蒸馏水的折射光束在半圆筒形水槽圆柱侧壁外表面的白色漆层上形成的线状投射光带最靠近导光板，进入蓖麻油的折射光束在半圆筒形水槽圆柱侧壁外表面的白色漆层上形成的线状投射光带离导光板距离最大，进入航空煤油折射光束在半圆筒形水槽圆柱侧壁外表面的白色漆层上形成的线状投射光带与导光板的距离位于上述两条线状投射光带之间，通过线状投射光带的不同位置，直观演示模拟光纤的包层折射率与包层中折射光折射角的定性关系。
[0010] 2、模拟演示光纤的包层折射率决定光纤数值孔径的实验方法
[0011] (1)测量导光板与蒸馏水界面上的全反射临界角
[0012] 逐渐增大激光片光源在导光板与透明液体界面上的入射角θ1，激光片光源在导光板与蒸馏水界面上的折射光在半圆筒形水槽的圆柱侧壁外表面白色漆层上的线状投射光带首先到达导光板，激光在导光板与蒸馏水的界面上首先形成全反射，在线状投射光带刚好消失时，用量角器在导光板上表面测量激光片光源在导光板与透明液体界面上的入射角θ1为导光板与蒸馏水界面上的全反射临界角。
[0013] (2)测量导光板与航空煤油界面上的全反射临界角
[0014] 进一步增大激光片光源在导光板与透明液体界面上的入射角θ1，激光片光源在导光板与航空煤油界面上的折射光在半圆筒形水槽的圆柱侧壁外表面白色漆层上的线状投射光带到达导光板，激光在导光板与航空煤油的界面上形成全反射，在线状投射光带刚好消失时，用量角器在导光板上表面测量激光片光源在导光板与透明液体界面上的入射角θ1为导光板与航空煤油界面上的全反射临界角。
[0015] (3)测量导光板与蓖麻油界面上的全反射临界角
[0016] 继续增大激光片光源在导光板与透明液体界面上的入射角θ1，激光片光源在导光板与蓖麻油界面上的折射光在半圆筒形水槽的圆柱侧壁外表面白色漆层上的线状投射光带到达导光板，激光束在导光板与蓖麻油的界面上形成全反射，在线状投射光带刚好消失时，用量角器在导光板上表面测量激光片光源在导光板与透明液体界面上的入射角θ1为导光板与蓖麻油界面上的全反射临界角。
[0017] 由上述三种液体的全反射临界角，按光纤数值孔径的定义以及光纤最大受光角和纤芯与包层界面上全反射临界角的关系。
[0018] NA＝sinα＝sin(90°-β1)
[0019] 式中NA为光纤数值孔径，α为光纤最大受光角，β1为导光板1-1与不同透明液体界面上的全反射临界角，直观判断以三种不同折射率液体为模拟光纤包层的光纤数值孔径的相对大小。
[0020] 本发明以有机玻璃导光板为模拟纤芯，以比重不同、折射率有显著差异的透明液体蒸馏水、蓖麻油、航空煤油为模拟光纤包层，激光片光源保持同一入射角入射到半圆筒形水槽内不同的固液界面上，产生反射和折射，折射光进入蒸馏水、蓖麻油、航空煤油中，在半圆筒形水槽圆柱侧壁的外表面白色漆层形成三条线状透射光带，按照光纤数值孔径的定义以及光纤最大受光角和纤芯与包层界面上全反射临界角的关系，确定以三种不同折射率液体模拟光纤包层的光纤数值孔径。这种模拟光纤数值孔径实验演示装置与实验演示方法，直观、定性地演示模拟光纤包层折射率大小与光纤数值孔径的关系。本发明结构简单、生产成本、操作方便、演示效果直观，可用于光学实验和课堂演示实验。
附图说明
[0021] 图1是本发明实施例1的结构示意图。
[0022] 图2是图1的俯视图。
具体实施方式
[0023] 下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于下述的实施例。
[0024] 实施例1
[0025] 在图1、2中，本实施例的模拟光纤数值孔径实验演示装置由半圆筒形水槽1、白色漆层2、玻璃棒3、半导体激光器4、支架5、底座6联接构成。
[0026] 在底座6上用螺纹紧固联接件固定联接有支架5，支架5上安装有半导体激光器4和玻璃棒3，玻璃棒3位于半导体激光器4的光出射方向上，玻璃棒3的中心线与水平面平行，玻璃棒3的中心线与半导体激光器4出射光方向在同一个平面内垂直，半导体激光器4用于产生激光，为本发明的光源，半导体激光器4可在支架5上转动或移动，转动半导体激光器4，可改变激光的出射方向。底座6上放置有半圆筒形水槽1，半圆筒形水槽1位于支架5的前方，半圆筒形水槽1采用有机玻璃制成，为透明水槽，半圆筒形水槽1的圆柱侧壁外表面喷涂有白色漆层2，半圆筒形水槽1的平面侧壁为导光板1-1，导光板1-1用于模拟光纤纤芯，导光板1-1的各个面为光滑透光面，导光板1-1的厚度为5cm。半圆筒形水槽1内自下而上依次装有体积相等、互不相溶、且折射率有显著差异的三种透明液体，本实施例采用的自下而上的三种透明液体为蒸馏水、蓖麻油、航空煤油，三种透明液体用于模拟光纤三种不同折射率的包层。由半导体激光器4出射的激光束透过玻璃棒3，形成激光片光源，激光片光源从导光板1-
1的后侧面同时入射到导光板1-1与半圆筒形水槽1内透明液体的界面上，激光片光源在导光板1-1与半圆筒形水槽1内透明液体界面上的投射光带与水平面垂直，激光片光源在导光板1-1与半圆筒形水槽1内透明液体的界面上产生反射和折射，折射光束进入透明液体中。
激光片光源在导光板1-1与透明液体界面上的入射角θ1可调，由于三种透明液体的折射率显著不同，激光片光源在三种液体中形成折射角不同的折射光束，折射角不同的折射光束投射到半圆筒形水槽1的圆柱侧壁外表面白色漆层2上，呈现出不同位置的线状投射光带。
逐渐增大激光片光源入射角θ1，观察线状投射光带向导光板1-1的移动情况，第一个移动到导光板1-1且刚好消失的线状投射光带所对应的导光板1-1与透明液体界面上首先形成全反射，在导光板1-1的上表面上观测这时激光片光源的入射角θ1，即为所对应的导光板1-1与透明液体界面上的全反射临界角。继续增大激光片光源入射角θ1，依次观测导光板1-1与另外两种透明液体界面上的全反射临界角。利用得到的不同固液界面上的全反射临界角，按照光纤数值孔径的定义，即可得到以有机玻璃为模拟纤芯，以蒸馏水、蓖麻油、航空煤油三种不同折射率的透明液体为模拟包层的不同光纤数值孔径。通过上述动态演示过程和全反射临界角的测量，直观、清晰地演示模拟光纤包层折射率大小与光纤数值孔径的定性的关系。
[0027] 采用上述模拟光纤数值孔径实验演示装置的实验演示方法步骤如下：
[0028] 1、模拟演示光纤的包层折射率与包层中折射光折射角的定性关系[0029] 如图1、2所示，半导体激光器4出射的激光束透过玻璃棒3后，成为激光片光源，激光片光源透过导光板1-1的后侧面同时斜射到导光板1-1与半圆筒形水槽1内三种不同折射率的透明液体的界面上产生反射和折射，自下而上的三种透明液体为蒸馏水、蓖麻油、航空煤油，从装置的上方向下观察透明液体中的折射光束，即可看到图2所示的同一入射角θ1的入射光，在不同折射率的透明液体中有不同的折射角的折射光，折射光在导光板1-1与蒸馏水界面上以折射角θ4进入蒸馏水、在导光板1-1与蓖麻油界面上以折射角θ2进入蓖麻油、在导光板1-1与航空煤油界面上以折射角θ3进入航空煤油，不同折射角的折射光束投射在半圆筒形水槽1的圆柱侧壁外表面白色漆层2上，就可看到不同位置的线状投射光带。位于半圆筒形水槽1下部的蒸馏水的折射率为1.332，同一入射角θ1的激光片光源，在蒸馏水中的折射角θ4最大，在半圆筒形水槽1的圆柱侧壁外表面白色漆层2上形成的线状投射光带，最靠近导光板1-1；位于半圆筒形水槽1中部的蓖麻油折射率为1.483，同一入射角θ1的激光片光源，在蓖麻油中的折射角θ2最小，在半圆筒形水槽1的圆柱侧壁外表面白色漆层2上形成的线状投射光带，离导光板1-1距离最大；位于半圆筒形水槽1上部航空煤油的折射率为1.436，同一入射角θ1的激光片光源，在航空煤油中的折射角θ3也介于蓖麻油中θ2与蒸馏水中的折射角θ4之间，在半圆筒形水槽1的圆柱侧壁外表面白色漆层2上形成的线状投射光带，离导光板1-1的距离也介于上述两条线状投射光带之间。通过线状投射光带的不同位置，直观呈现不同折射率透明液体的中不同折射角的折射光。
[0030] 通过上述演示，可以明确看出，同一入射角θ1的激光片光源，在以导光板1-1为模拟纤芯、不同折射率透明液体为模拟包层的界面上的折射角不同，且液体折射率与导光板1-1的折射率差值越大，则在相应液体中的折射光的折射角越大，直观演示了模拟光纤的包层折射率与包层中折射光束折射角的定性关系。
[0031] 2、模拟演示光纤的包层折射率决定光纤数值孔径的实验方法
[0032] (1)测量导光板1-1与蒸馏水界面上的全反射临界角
[0033] 在图1、2中，逐渐增大激光片光源在导光板1-1与透明液体界面上的入射角θ1，在图1中看到激光片光源在导光板1-1与蒸馏水界面上的折射光，在半圆筒形水槽1的圆柱侧壁外表面白色漆层2上的线状投射光带首先到达导光板1-1，即激光在导光板1-1与蒸馏水的界面上首先形成全反射。当线状投射光带刚好消失时，用量角器在导光板1-1上表面测量这时激光片光源在导光板1-1与透明液体界面上的入射角θ1，即为导光板1-1与蒸馏水界面上的全反射临界角。
[0034] (2)测量导光板1-1与航空煤油界面上的全反射临界角
[0035] 在图1、2中，进一步增大激光片光源在导光板1-1与透明液体界面上的入射角θ1，在图1中看到激光片光源在导光板1-1与航空煤油界面上的折射光，在半圆筒形水槽1的圆柱侧壁外表面白色漆层2上的线状投射光带到达导光板1-1，即激光在导光板1-1与航空煤油的界面上形成全反射。当线状投射光带刚好消失时，用量角器在导光板1-1上表面测量这时激光片光源在导光板1-1与透明液体界面上的入射角θ1即为导光板1-1与航空煤油界面上的全反射临界角。
[0036] (3)测量导光板1-1与蓖麻油界面上的全反射临界角
[0037] 在图1、2中，继续增大激光片光源在导光板1-1与透明液体界面上的入射角θ1，在图1中看到激光片光源在导光板1-1与蓖麻油界面上的折射光，在半圆筒形水槽1的圆柱侧壁外表面白色漆层2上的线状投射光带到达导光板1-1，即激光束在导光板1-1与蓖麻油的界面上形成全反射。当线状投射光带刚好消失时，用量角器在导光板1-1上表面测量这时激光片光源在导光板1-1与透明液体界面上的入射角θ1为导光板1-1与蓖麻油界面上的全反射临界角。
[0038] 由上述三种固液界面上的全反射临界角，按光纤数值孔径的定义以及光纤最大受光角和纤芯与包层界面上全反射临界角的关系：
[0039] NA＝sinα＝sin(90°-β1)
[0040] 式中NA为光纤数值孔径，α为光纤最大受光角，β1为导光板1-1与不同透明液体界面上的全反射临界角，可直观的看出以三种不同折射率液体为模拟光纤包层的光纤数值孔径的相对大小。
[0041] 通过上述演示过程，可明确看出，在纤芯折射率确定的情况下，包层材料的折射率越小，则光纤的数值孔径越大；包层材料的折射率越大，则光纤的数值孔径越小。
