光纖與光導管

光纖與光導管展示了頭髮絲般細的玻璃絲如何以光速傳輸全球互聯網流量。半透明的 3D 光纖顯示其高折射率內纖芯 (n₁)、低折射率外包層 (n₂)、入口接受錐和出口光電探測器。當學生拖動紅色雷射發射器或調整發射角時，一條連續的雷射光束和一串發光的光子脈衝折射進入纖芯端面，並以入射角 θᵢ 打擊纖芯-包層壁。只要 θᵢ 保持在臨界角 θc = arcsin(n₂/n₁) 之上，100% 的光就會在波導內內部反射；把中間的彎曲環拉得太急會使局部入射角降到 θc 以下並露出包層洩漏射線。

• 在入口端面上上下拖動紅色雷射發射器，找到精確的發射角，在此角度下纖芯入射角 θᵢ 降至臨界角 θc 以下，從而觸發紅色洩漏射線。
• 向上拖動金色中間環以彎曲光纖，看看緊密的彎曲如何導致先前被困住的光線洩漏到包層中。
• 將纖芯折射率 n₁ 從 1.50 提高到 1.80，同時將包層折射率 n₂ 保持在 1.38，並隨著數值孔徑 (NA) 的增長，觀看綠色接受錐變寬。
• 將包層折射率 n₂ 提高到更接近 n₁ 的水平，並觀察臨界角 θc 如何接近 90°，從而使保持光線被困變得更加困難。
• 按一下雷射發射器或彎曲環，以在無損耗全內部反射和包層洩漏模式之間切換。

1. 1計算高折射率纖芯 (n₁) 與低折射率包層 (n₂) 之間介面的臨界角 θc = arcsin(n₂ / n₁)。
2. 2陳述全內部反射所需的兩個物理條件：光必須從較高折射率傳播到較低折射率（n₁ 超過 n₂）並以大於 θc 的 θᵢ 打擊。
3. 3將光纖的數值孔徑 NA = √(n₁² − n₂²) 與其最大接受錐角聯絡起來。
4. 4解釋為什麼光纖電纜中的宏觀彎曲會導致信號衰減（彎曲損耗）。

教師常問的問題