光纤导光的基本原理

1. 光的全反射

根据光的反射定律，反射角等于入射角。而对应于折射角等于90的入射角叫做临界角，很容易可以得到临界角：

当光在光纤中发生全反射现象时，由于光线基本上全部在纤芯区进行传播，没有光跑到包层中去，所以可以大大降低光纤的衰耗。早期的阶跃光纤就是按这种思路进行设计的。

2. 光在阶跃光纤中的传播

阶跃型光纤折射率是沿径向呈阶跃分布，在轴向呈均匀分布， 是包层折射率， 是纤芯折射率。假设图中的阶跃型光纤为理想的圆柱体，光线若垂直于光纤端面入射，并与光纤轴线重合，或平行，这时光线将沿纤芯轴线方向向前传播。若光线以某一角度入射到光纤端面时，光线进入纤芯会发生折射。当光线到达纤芯与包层的界面上时，发生全反射或折射现象。

若要使光线在光纤中实现长距离传输，必须使光线在纤芯与包层的界面上发生全反射，即入射角大于临界角。由前面分析已知光纤的临界角为：

数值孔径 NA：

假设是n1包层折射率，n2是纤芯折射率, 且n1＞ n2，n1和n2的差值大小直接影响光纤的性能。故引入相对折射率差Δ表示其相差程度。n1约等于n2

对于渐变型光纤，若轴心处（r=0）的折射率为n(0),则相对折射率差定义为:

得：

可见，光纤的数值孔径与纤芯与包层直径无关，只与两者的相对折射率差有关。若 纤芯和包层的折射率差越大，NA值就越大，即光纤的集光能力就越强。

对于阶跃型光纤，由于纤芯折射率均匀分布，纤芯端面各点的数值孔径都相同，即各点收光能力相同。对于渐变型光纤，纤芯折射率分布不均匀，光线在其端面不同点入射，光纤的收光能力不同，因此渐变型光纤数值孔径定义为：