光线方程光线方程.pptVIP

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光线方程光线方程

第三章 光线方程 2012.03.02 星期五 复习 几个基本概念 1、什么是子午平面 与光纤轴相交且与光纤壁垂直的平面 2、什么是子午光线 在子午平面上传输的光线 3、斜光线 与光纤轴不相交又不限于单一平面的光线 光纤的数值孔径NA 子午光线光路长度 设光路长度为S子,总反射系数为R子 。则有 子午光线的色散 程函方程 在几何光学中,光线定义为等相面的法线,光线有时也称为射线,其方向为光的传播方向,射线的长短称为光程,用?(r)表示 光线方程 光线方程应用例子 * ?越大,则NA,意味着?? 光纤收集光的能力越强,光信号源与光纤的耦合能力越高。这是否意味着?越大越好呢? d=2a 模式色散:是指发射端的脉冲同时激励起许多传输模式,由于不同模式的速度不同,导致各个脉冲到达接收端的时间不同,引起脉冲展宽的现象 子午光线传输所用的最短时间和最长时间分别为: 最大时延差为: 令(r,t)表示时空坐标,则电场和磁场的表达式为 对他们取旋度,并略去时间项得: 同理可得 (1) (2) 考虑到光纤为透明介质(无自由电荷、无传导电流、无磁性),麦克斯韦方程为: 物质方程为 由于光纤为无磁性介质,所以?= ?0 考虑到 所以 (3) 联立(1),(2),(3)式,可得 (4) 考虑几何光学近似,短波长?0?0,所以k0 ??,所以上式,右侧项为零。所以有: 表明,??,E0,H0互相垂直,所以 (5) 消去H0,得 再观察下式 ?? 即: (6) (6)式描述了光波的光程函数?(r)的变化,故称之为程函方程。 物理意义:在介质中,某一点平面波的最大相位变化与该点的折射率成正比 根据折射率分布,可由程函方程求出光程函数,进而由?(r)=常数,确定等相位面。于是光线轨迹就可确定了。但程函方程不能直接确定光线轨迹的数学表达式,可以从光线轨迹的微分方程来解决这个问题。 各向同性介质中光线轨迹的示意图 设光波在各向同性介质中传播,坡印亭矢量S和k同方向,令s为光纤上某一点量起的弧长,ds为光线上一微分段,r为光线上任一点的矢径,则光线上任一点的切线方向的单位矢量为 由于?垂直于等相面,所以应与??(r)平行,由程函方程得 由?的两个表达式可得: 上式两边对s求导得: 利用了 该式即为光线方程,是r的二阶微分方程,它将光线轨迹(由r确定)和空间折射率分布n(r)联系起来。 若已知n(r)的分布,并选定坐标系,由初始条件及上式就可以确定光线方程了。 *

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