CN104732853B - 光纤导光物理条件的模拟实验演示装置与演示方法 - Google Patents
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Abstract
光纤导光物理条件的模拟实验演示装置与演示方法。一种光纤导光物理条件的模拟实验演示装置，在底座上设置有支架和水槽，支架上设置有半导体激光器、水槽上设置用于模拟光纤纤芯的导光条，水槽内装有用于模拟光纤包层的透明液体，导光条有两条，为有机玻璃导光条和石英玻璃导光条；水槽内的透明液体为水以及位于水上表面的液体石蜡，有机玻璃导光条和石英玻璃导光条的中心线相平行位于水与液体石蜡的界面上。该装置模拟演示光纤导光的全反射临界角的实验、模拟演示光纤导光的全反射临界角的实验、模拟演示纤芯包层折射率决定光纤数值孔径的实验，这种结构的光纤导光物理条件的模拟实验装置，结构简单、产品成本低、演示效果直观，可作为光学演示和实验仪器。
Description
技术领域
本发明属于光学实验仪器技术领域，具体涉及到光导纤维导光的演示实验仪器。
背景技术
光纤作为高科技标志性成果之一，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电信号经过光电转换后从光纤的一端传输到另一端，即只能演示弯曲的光纤可以传输光信号这一事实，而学生并不能看到光线在光纤中的传输路径，特别是针对物理专业学生，无法直观的看到决定光纤导光的物理条件，即光的入射临界角的观察和纤芯包层折射率大小对光纤导光效能的决定性影响。在光纤实验仪器技术领域，当前需迫切解决的一个技术问题是提供一种光纤导光物理条件的实验模拟装置。
专利申请号为201310012168.X、发明名称为《一种模拟光纤演示装置》的发明专利，在光滑白板与长边平行的中心线处安装有模拟光纤，模拟光纤的主体为圆柱体结构，其外周制作有圆筒玻璃容器，圆筒玻璃容器内与圆筒玻璃容器同轴心处制有实心玻璃圆柱体，圆筒玻璃容器的内径大于实心玻璃圆柱体的外径，两者之间的空间内充满填充液，光滑白板的中心线上侧前端制有准直调节器，对应准直调节器的外侧处制有可见光源；模拟光纤的前端处固定制有弧形滑道，模拟光纤的前端点与弧形滑道的中心重合；准直调节器固定于弧形滑道上并沿弧形滑道滑动，模拟光纤由圆筒玻璃、实心玻璃圆柱、填充液同轴心组合构成。该专利虽然用实心玻璃圆柱和其周围的填充液，较形象的模拟了光纤的“纤芯”和“包层”结构，但作为演示实验装置，其结构特征所决定的演示效果有明显不足。其一，利用实心玻璃圆柱和其周围不同折射率的填充液构成的整体透明圆柱体结构，让观察者从侧面观察实心玻璃圆柱中的光线传输径迹，但观察者看到的光线，实际上是透过实心玻璃圆柱外包裹的不同折射率的透明液体形成的“柱透镜”看到的，本专业领域的技术人员公知，这会使光线严重变形，无法看清楚光线径迹，因此也就无法看清楚入射角达到临界角的过程。无法实现所想象的演示效果。其二，实心玻璃圆柱体的圆柱形表面在反射传输光线的过程中，经过一次反射就会破坏激光束的单向性，使光束明显发散，发散的光束再透过***透明液体形成的“柱透镜”观察，更会模糊不清，无法实现所要求的演示效果。其三，该发明中所采用的液体折射率均小于玻璃圆柱体的折射率，因此只能用其观察“包层”折射率小于“纤芯”折射率时玻璃圆柱体的光传输情况，而无法面向学生演示当“包层”折射率大于“纤芯”折射率时，光纤不能导光的情况。其四，该发明采用玻璃圆柱体作为模拟“纤芯”，无法实现将玻璃圆柱体同时浸入两种不同折射率的液体中，同时观察同一激光束在不同液体中的不同折射角的折射光束，即学生不能通过其直观的对比、感受“包层”折射率对光纤数值孔径的决定作用。由上述可明确看出，该发明虽然从结构上模拟了光纤的结构特征，但其演示效果很不理想。因此研制一种可清晰直观演示激光束在模拟“纤芯”中反射传输的“光线径迹”，演示入射角达到全反射临界角的动态过程，以及演示光纤“包层”折射率对“纤芯”导光的决定性作用的教学演示装置，具有重要意义。
发明内容
本发明所要解决的一个技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种设计合理、结构简单、演示效果直观、可动态演示的光纤导光物理条件的模拟实验演示装置。
本发明所要解决的另一个技术问题在于提供一种使用上述光纤导光物理条件的模拟实验演示装置的演示实验方法。
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水槽，支架上设置有半导体激光器、水槽上设置用于模拟光纤纤芯的导光条，水槽内装有用于模拟光纤包层的透明液体，所述的导光条有两条，为有机玻璃导光条和石英玻璃导光条。所述水槽内的透明液体为水以及位于水上表面的液体石蜡，有机玻璃导光条和石英玻璃导光条的中心线相平行位于水与液体石蜡的界面上。
本发明的有机玻璃导光条和石英玻璃导光条为几何形状相同的四棱柱体，竖截面为长方形或正方形。
本发明的有机玻璃导光条和石英玻璃导光条为几何形状相同的四棱柱体，竖截面为长方形，长方形截面的长×宽最佳为8×5cm2。
本发明的有机玻璃导光条与石英玻璃导光条之间的距离与有机玻璃导光条的宽度相同。
使用上述的光纤导光物理条件的模拟实验演示装置模拟演示光纤导光的全反射临界角的实验方法如下：
由半导体激光器射出的激光束从有机玻璃导光条一端面上水平中心线的上方、水平斜射到有机玻璃导光条左侧面与液体石蜡的界面上产生折射和反射，折射光束进入液体石蜡中。反射光束到达有机玻璃导光条右侧面与液体石蜡的界面上产生折射和反射，折射光束进入液体石蜡中。改变激光束的入射角θ1大小，在水槽1上方向下观察有机玻璃导光条2两侧液体石蜡中折射光束折射角θ2的变化趋势；转动半导体激光器使激光束的入射角θ1逐渐增大，液体石蜡中的折射光束折射角θ2趋向90°，进一步增大激光束的入射角θ1，液体石蜡中折射光刚好消失，有机玻璃导光条中折线传输的激光束亮度突然增强，光被完全限制在有机玻璃导光条中，此时激光束的入射角θ1即为有机玻璃导光条与液体石蜡界面上的全反射临界角。
使用上述的光纤导光物理条件的模拟实验演示装置模拟演示光纤的包层折射率大于和小于纤芯折射率对光纤导光影响的实验方法如下：
1、由半导体激光器射出的激光束通过石英玻璃导光条端面上水平中心线的上方，水平斜射到石英玻璃导光条右侧面与液体石蜡的界面上产生折射和反射，折射光束进入液体石蜡中；反射光束到达石英玻璃导光条左侧面与液体石蜡的界面上产生折射和反射，折射光束进入液体石蜡中。改变激光束的入射角θ1大小，在水槽上方向下观察石英玻璃导光条两侧液体石蜡中折射光束折射角θ3的变化趋势。转动半导体激光器使激光束的入射角θ1逐渐增大，在液体石蜡中的折射光束折射角θ3也随着增大，目测比较激光束由石英玻璃导光条到液体石蜡界面上激光束的入射角θ1与折射角θ3的大小，分析激光束由石英玻璃导光条到液体石蜡的界面上不能形成全反射的原因。
2、半导体激光器射出的激光束通过石英玻璃导光条端面中心线下方、水平斜射到石英玻璃导光条右侧面到水的界面上产生折射和反射，折射光束进入水中。反射光束到达石英玻璃导光条左侧面与水的界面上产生折射和反射，折射光束进入水中。转动半导体激光器改变激光束入射角θ1大小，在水槽上方向下观察石英玻璃导光条两侧水中折射光束折射角θ4的变化趋势，目测比较激光束由石英玻璃导光条到水界面上激光束的入射角θ1与折射角θ4的大小，分析激光束由石英玻璃导光条到水的界面上能形成全反射的原因。
3、比较1、2演示实验结果，分析光纤的包层折射率大于和小于纤芯折射率对光纤导光影响。
使用上述的光纤导光物理条件的模拟实验演示装置模拟演示纤芯包层折射率决定光纤数值孔径的实验方法如下：
半导体激光器射出的激光束从有机玻璃导光条端部垂直中心平面上，斜射到有机玻璃导光条上表面与液体石蜡的界面上，激光束在有机玻璃导光条上表面与液体石蜡的界面上产生折射和反射，折射光束进入液体石蜡中。反射光束到达有机玻璃导光条下表面与水的界面上并产生折射和反射，折射光束进入水中。目测比较液体石蜡中折射光束的折射角θ5与水中折射光束折射角θ6的大小，转动半导体激光器逐渐增大激光束在有机玻璃导光条上表面与液体石蜡界面上的激光束的入射角θ1，观察激光束在液体石蜡中的折射角θ5和水中的折射角θ6的同步变化，逐渐增大激光束入射角θ1，使激光束在有机玻璃导光条下表面到水的界面上刚好形成全反射，用量角器测量这时的激光束入射角θ1，即为有机玻璃与水的界面上的全反射临界角。
进一步增大激光束入射角θ1，使激光束在有机玻璃导光条与液体石蜡的界面上刚好达到全反射，用量角器测量这时的激光束入射角θ1即为有机玻璃与液体石蜡界面上的全反射临界角。
根据光纤数值孔径的定义以及光纤最大受光角和光纤纤芯与包层界面上全反射临界角的关系：
NA＝sinα＝sin(90°-β1)
式中NA为光纤数值孔径，α为光纤最大受光角，β1为有机玻璃与不同液体界面上的全反射临界角，分析光纤包层折射率、纤芯与包层界面上全反射临界角同光纤数值孔径的关系。
本发明以光纤导光的物理条件的演示为视角，采用以横截面为矩形、折射率有显著差异的有机玻璃导光条和石英玻璃导光条为模拟光纤纤芯，以折射率小于石英玻璃折射率的水和比重小于水而折射率介于有机玻璃与石英玻璃折射率之间的液体石蜡为模拟光纤包层，以可移动的半导体激光器为光源，在水槽中水平设置有机玻璃导光条和石英玻璃导光条的下半部浸入水中、上半部浸入液体石蜡中。这一结构特征保证本发明在使用过程中，可清晰直观地演示入射角趋向全反射临界角的全过程，定性了解全反射临界角与包层折射率大小的关系，直观感受光纤数值孔径的物理意义。这种结构的光纤导光物理条件的模拟实验装置，结构简单、产品成本低、演示效果直观，可作为光学演示和实验仪器。
附图说明
图1是本发明实施例1的结构示意图。
图2是图1的俯视图。
图3是采用实施例1装置模拟演示光纤导光全反射临界角的光路图。
图4是采用实施例1装置模拟演示光纤包层的折射率大于纤芯折射率时光纤无法导光的光路图。
图5是采用实施例1装置模拟演示光纤包层的折射率小于纤芯折射率时光纤导光的光路图。
图6是采用实施例1装置模拟演示光纤包层折射率决定光纤的数值孔径的光路图。
具体实施方式
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。
实施例1
在图1、2中，本实施例的光纤导光物理条件的模拟实验演示装置由水槽1、有机玻璃导光条2、石英玻璃导光条3、支架4、半导体激光器5、底座6联接构成。
在底座6上用螺纹紧固联接件固定联接有支架4，支架4上安装有半导体激光器5，半导体激光器5用于产生激光，为本发明的光源，半导体激光器5可在支架4上转动或移动，转动半导体激光器5，可改变激光的出射方向。底座6上放置有水槽1，水槽1采用有机玻璃制成，为透明水槽1，水槽1内的前后侧壁上安装有机玻璃导光条2和石英玻璃导光条3，有机玻璃导光条2和石英玻璃导光条3的前后两端穿出水槽1的前后侧壁，有机玻璃导光条2和石英玻璃导光条3与水槽1侧壁之间用玻璃胶密封粘接，有机玻璃导光条2位于水槽1内的左侧，石英玻璃导光条3位于水槽1内的右侧，有机玻璃导光条2和石英玻璃导光条3的几何形状为长方体，几何形状相同，竖截面为长方形，也可为正方形，长方形的长×宽为8×5cm2，有机玻璃导光条2与石英玻璃导光条3的中心线相平行，并位于同一水平高度，有机玻璃导光条2与石英玻璃导光条3之间的距离与有机玻璃导光条2的宽度相同，即为5cm，有机玻璃导光条2的折射率为1.49，石英玻璃导光条3的折射率为1.4601，实验时，有机玻璃导光条2和石英玻璃导光条3用于模拟两种不同折射率的光纤纤芯。水槽1内充满有比重不同、互不混溶、体积相等的两种透明液体，其中比重大的透明液体的折射率小于石英玻璃导光条3的折射率，比重小的透明液体的折射率大于石英玻璃导光条3的折射率、小于有机玻璃导光条2的折射率。本实施例采用在水槽1的下部装水，水的折射率为1.332，上部装液体石蜡，液体石蜡的折射率为1.4732，有机玻璃导光条2和石英玻璃导光条3的水平中心平面和水与液体石蜡的界面相重合，水和液体石蜡用于模拟光纤的两种不同包层。接通半导体激光器5的电源，半导体激光器5射出的激光从有机玻璃导光条2或石英玻璃导光条3的端部水平斜射到有机玻璃导光条2和石英玻璃导光条3与水、液体石蜡的界面上，产生反射和折射，改变入射角，观察水和液体石蜡中折射光折射角的变化情况，模拟演示光纤导光的全反射临界角和光纤的包层折射率的大小对光纤导光的影响。
采用上述光纤导光物理条件的模拟实验装置的演示实验方法如下：
1、模拟演示光纤导光的全反射临界角
在图1、3中，由半导体激光器5产生的激光束从有机玻璃导光条2一端面上水平中心线的上方，水平斜射到有机玻璃导光条2左侧面与液体石蜡的界面上产生折射和反射，折射光束进入液体石蜡中；反射光束到达有机玻璃导光条2右侧面与液体石蜡的界面上产生折射和反射，折射光束进入液体石蜡中；改变激光束的入射角θ1大小，在水槽1上方向下观察有机玻璃导光条2两侧液体石蜡中折射光束折射角θ2的变化趋势。当激光束的入射角θ1逐渐增大时，液体石蜡中的折射光束折射角θ2趋向90°。进一步增大激光束的入射角θ1，液体石蜡中折射光刚好消失，有机玻璃导光条2中折线传输的激光束亮度突然增强，激光束被完全“限制”在有机玻璃导光条2中，此时激光束的入射角θ1即为有机玻璃导光条2与液体石蜡界面上的全反射临界角。
上述过程直观演示了激光束在光纤纤芯与包层界面上的入射角等于、大于全反射临界角，是实现光纤导光的必要物理条件。
2、模拟演示光纤包层的折射率大于和小于纤芯折射率对光纤导光的决定作用
(1)在图1、4中，由半导体激光器5射出的激光束通过石英玻璃导光条3端面上水平中心线的上方，水平斜射到石英玻璃导光条3右侧面与液体石蜡的界面上产生折射和反射，折射光束进入液体石蜡中；反射光束到达石英玻璃导光条3左侧面与液体石蜡的界面上产生折射和反射，折射光束进入液体石蜡中；改变激光束的入射角θ1大小，在水槽1上方向下观察石英玻璃导光条3两侧液体石蜡中折射光束折射角θ3的变化趋势。当激光束的入射角θ1逐渐增大时，液体石蜡中的折射光束折射角θ3也随着增大。目测比较激光束由石英玻璃导光条3到液体石蜡界面上的入射角θ1与折射角θ3的大小，由于液体石蜡的折射率大于石英玻璃的折射率，可看到液体石蜡中折射光束折射角θ3明显小于激光束入射角θ1，使得激光束入射角θ1趋于90°时，液体石蜡中折射光束折射角θ3仍明显小于90°，因此入射激光束在石英玻璃导光条3与液体石蜡的界面上不会形成全反射。
(2)在图1、5中，半导体激光器5射出的激光束通过石英玻璃导光条3端面上中心线下方、水平斜射到石英玻璃导光条3右侧面与水的界面上产生折射和反射，折射光束进入水中；反射光束到达石英玻璃导光条3左侧面与水的界面上产生折射和反射，折射光束进入水中；转动半导体激光器5改变激光束入射角θ1大小，在水槽1上方向下观察石英玻璃导光条3两侧水中折射光束折射角θ4的变化趋势，目测比较激光束由石英玻璃导光条3到水界面上激光束的入射角θ1与折射角θ4的大小，当激光束入射角θ1逐渐增大时，水中的折射光束折射角θ4趋向90°。进一步增大入射角θ1时，水中折射光刚好消失，石英玻璃导光条3中激光束亮度突然增强，即激光束在石英玻璃导光条3左右侧面形成全反射，激光束在石英玻璃导光条3中以折线的形式向前传输。
上述(1)、(2)实验演示过程，直观地演示了光纤包层的折射率大于纤芯折射率时光纤无法导光，只有光纤包层折射率小于纤芯折射率时光纤才能导光。因此，光纤包层折射率小于纤芯折射率，是光纤导光的又一必要物理条件之一。
3、模拟演示光纤包层折射率决定光纤的数值孔径
在图1、6中，半导体激光器5射出的激光束从有机玻璃导光条2端部垂直中心平面上，斜射到有机玻璃导光条2上表面与液体石蜡的界面上，在图1所示的水槽1左方观察到的现象如图6所示，激光束在有机玻璃导光条2上表面与液体石蜡的界面上产生折射和反射，折射光束进入液体石蜡中；反射光束到达有机玻璃导光条2下表面与水的界面上产生折射和反射，折射光束进入水中。目测比较液体石蜡中折射光束的折射角θ5与水中折射光束折射角θ6的大小，在液体石蜡中折射光束折射角θ5明显小于水中折射光束折射角θ6，逐渐增大激光束在有机玻璃导光条2上表面与液体石蜡界面上的入射角θ1，观察激光束在液体石蜡中的折射光束折射角θ5和水中折射光束折射角θ6的同步变化，当激光束在有机玻璃导光条2上表面与液体石蜡界面上的入射角θ1达到一定值时，折射进入水中的折射光束的折射角θ6首先趋于90°，在水中折射光束刚好消失，即激光束在有机玻璃下表面与水的界面上刚好形成全反射时，这时的激光束在有机玻璃导光条2上表面与液体石蜡界面上的入射角θ1即为有机玻璃与水的界面上的全反射临界角，在图1所示的水槽1左侧面平视有机玻璃导光条2中的入射激光束，在水槽1左侧面上用量角器测量图6中有机玻璃与水的界面上的全反射临界角。
进一步增大激光束入射角θ1，使激光束在有机玻璃导光条2与液体石蜡的界面上刚好达到全反射，测量这时的激光束入射角θ1即为有机玻璃与液体石蜡界面上的全反射临界角，在水槽1左侧面上用量角器测量图6中有机玻璃与液体石蜡界面上的全反射临界角。
由上述演示过程可知，激光束在有机玻璃导光条2与液体石蜡界面上的全反射临界角，大于有机玻璃导光条2与水界面上的全反射临界角。即说明模拟包层的折射率越大，激光束在模拟纤芯与模拟包层界面上的全反射临界角就越大，由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：
NA＝sinα＝sin(90°-β1)
式中NA为光纤数值孔径，α为光纤最大受光角，β1为有机玻璃与不同液体界面上的全反射临界角，可看出，全反射临界角越大，光纤数值孔径越小。
上述演示过程表明，以有机玻璃为模拟光纤纤芯，液体石蜡为模拟光纤包层的光纤的数值孔径，明显小于以有机玻璃为模拟光纤纤芯，水为模拟光纤包层的光纤的数值孔径，即直观演示了同一折射率的光纤纤芯，光纤包层的折射率越小，光纤的数值孔径越大；光纤包层的折射率越大，光纤的数值孔径就越小。
Claims (7)
1.一种光纤导光物理条件的模拟实验演示装置，在底座(6)上设置有支架(4)和水槽(1)，支架(4)上设置有半导体激光器(5)、水槽(1)上设置用于模拟光纤纤芯的导光条，水槽(1)内装有用于模拟光纤包层的透明液体，其特征在于：所述的导光条有两条，为有机玻璃导光条(2)和石英玻璃导光条(3)；所述水槽(1)内的透明液体为水以及位于水上表面的液体石蜡，有机玻璃导光条(2)和石英玻璃导光条(3)的中心线相平行位于水与液体石蜡的界面上。
2.根据权利要求1所述的光纤导光物理条件的模拟实验演示装置，其特征在于：所述的有机玻璃导光条(2)和石英玻璃导光条(3)为几何形状相同的四棱柱体，竖截面为长方形或正方形。
3.根据权利要求2所述的光纤导光物理条件的模拟实验演示装置，其特征在于：所述的有机玻璃导光条(2)和石英玻璃导光条(3)为几何形状相同的四棱柱体，竖截面为长方形，长方形截面的长×宽为8×5cm2。
4.根据权利要求2或3所述的光纤导光物理条件的模拟实验演示装置，其特征在于：所述的有机玻璃导光条(2)与石英玻璃导光条(3)之间的距离与有机玻璃导光条(2)的宽度相同。
5.一种使用权利要求1所述的光纤导光物理条件的模拟实验演示装置的演示实验方法，其特征在于使用该装置模拟演示光纤导光的全反射临界角的实验方法如下：
由半导体激光器(5)射出的激光束从有机玻璃导光条(2)一端面上水平中心线的上方、水平斜射到有机玻璃导光条(2)左侧面与液体石蜡的界面上产生折射和反射，折射光束进入液体石蜡中；反射光束到达有机玻璃导光条(2)右侧面与液体石蜡的界面上产生折射和反射，折射光束进入液体石蜡中；改变激光束的入射角(θ1)大小，在水槽(1)上方向下观察有机玻璃导光条(2)两侧液体石蜡中折射光束折射角(θ2)的变化趋势；转动半导体激光器(5)使激光束的入射角(θ1)逐渐增大，液体石蜡中的折射光束折射角(θ2)趋向90°，进一步增大激光束的入射角(θ1)，液体石蜡中折射光刚好消失，有机玻璃导光条(2)中折线传输的激光束亮度突然增强，光被完全限制在有机玻璃导光条(2)中，此时激光束的入射角(θ1)即为有机玻璃导光条(2)与液体石蜡界面上的全反射临界角。
6.一种使用权利要求1所述的光纤导光物理条件的模拟实验演示装置的演示实验方法，其特征在于使用该装置模拟演示光纤的包层折射率大于和小于纤芯折射率对光纤导光影响的实验方法如下：
1)由半导体激光器(5)射出的激光束通过石英玻璃导光条(3)端面上水平中心线的上方，水平斜射到石英玻璃导光条(3)右侧面与液体石蜡的界面上产生折射和反射，折射光束进入液体石蜡中；反射光束到达石英玻璃导光条(3)左侧面与液体石蜡的界面上产生折射和反射，折射光束进入液体石蜡中；改变激光束的入射角(θ1)大小，在水槽1上方向下观察石英玻璃导光条(3)两侧液体石蜡中折射光束折射角(θ3)的变化趋势；转动半导体激光器(5)使激光束的入射角(θ1)逐渐增大，在液体石蜡中的折射光束折射角(θ3)也随着增大，目测比较激光束由石英玻璃导光条(3)到液体石蜡界面上激光束的入射角(θ1)与折射角(θ3)的大小，分析激光束由石英玻璃导光条(3)到液体石蜡的界面上不能形成全反射的原因；
2)半导体激光器(5)射出的激光束通过石英玻璃导光条(3)端面中心线下方、水平斜射到石英玻璃导光条(3)右侧面到水的界面上产生折射和反射，折射光束进入水中；反射光束到达石英玻璃导光条(3)左侧面与水的界面上产生折射和反射，折射光束进入水中；转动半导体激光器(5)改变激光束入射角(θ1)大小，在水槽(1)上方向下观察石英玻璃导光条(3)两侧水中折射光束折射角(θ4)的变化趋势，目测比较激光束由石英玻璃导光条(3)到水界面上激光束的入射角(θ)1与折射角(θ4)的大小，分析激光束由石英玻璃导光条(3)到水的界面上能形成全反射的原因；
3)比较1)、2)演示实验结果，分析光纤的包层折射率大于和小于纤芯折射率对光纤导光影响。
7.一种使用权利要求1所述的光纤导光物理条件的模拟实验演示装置的演示实验方法，其特征在于使用该装置模拟演示纤芯包层折射率决定光纤数值孔径的实验方法如下：
半导体激光器(5)射出的激光束从有机玻璃导光条(2)端部垂直中心平面上，斜射到有机玻璃导光条(2)上表面与液体石蜡的界面上，激光束在有机玻璃导光 条(2)上表面与液体石蜡的界面上产生折射和反射，折射光束进入液体石蜡中；反射光束到达有机玻璃导光条(2)下表面与水的界面上并产生折射和反射，折射光束进入水中；目测比较液体石蜡中折射光束的折射角(θ5)与水中折射光束折射角(θ6)的大小，转动半导体激光器(5)逐渐增大激光束在有机玻璃导光条(2)上表面与液体石蜡界面上的激光束的入射角(θ1)，观察激光束在液体石蜡中的折射角(θ5)和水中的折射角(θ6)的同步变化，逐渐增大激光束入射角(θ1)，使激光束在有机玻璃导光条(2)下表面到水的界面上刚好形成全反射，用量角器测量这时的激光束入射角(θ1)，即为有机玻璃与水的界面上的全反射临界角；
进一步增大激光束入射角(θ1)，使激光束在有机玻璃导光条(2)与液体石蜡的界面上刚好达到全反射，用量角器测量这时的激光束入射角(θ1)即为有机玻璃与液体石蜡界面上的全反射临界角；
根据光纤数值孔径的定义以及光纤最大受光角和光纤纤芯与包层界面上全反射临界角的关系：
NA＝sinα＝sin(90°-β1)
式中NA为光纤数值孔径，α为光纤最大受光角，β1为有机玻璃与不同液体界面上的全反射临界角，分析光纤包层折射率、纤芯与包层界面上全反射临界角同光纤数值孔径的关系。
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