舞动的激光

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  在追求速度的时代,光纤通信被广泛应用于人们的生活与社会生产。虽然光纤通信已走进千家万户,但是我们却没有见过它的真面目,通过以下三个小实验,观察激光在水中的精彩表现,我们能更好地了解光纤通信的原理。
  实验工具:一个透明的长方形玻璃小水缸、一个透明饮料瓶、一张白纸、一支激光笔、一根吸管、自来水、单晶冰糖、奶粉。
  实验一:在一个幽暗的房间,将小水缸装满自来水,用指尖稍微沾一点奶粉并将其融化在水中以增加光的散射。激光从侧面斜着射入,即可看到光线在水中来回反射了好几次。把一张白纸放在小水缸顶上,不会看到任何激光的光斑。
  实验二:在一个幽暗的房间,将小水缸装满自来水,把单晶冰糖均匀地铺在小水缸底部,不要搅动。当大部分冰糖融化后,再让激光从侧面水平射入,即可看到一条弯曲的光纤,仿佛光线在弯曲时空中的轨迹。
  实验三:在一个幽暗的房间,在饮料瓶底部钻一个小孔,在小孔处插入一短截吸管,将瓶子装满水。当水从小孔中流出时,让激光射向小孔,就可以看到光随水一起流动。
  实验原理:1.第一次实验中的现象叫全反射。光传播到两种介质的界面上时,通常会同时发生反射和折射现象。若满足了某种条件,光线不再发生折射现象,而全部返回原介质中传播的现象叫全反射现象。只有光从折射率比较大的物质(水)射向折射率比较小的物质(空气),且入射角大于等于临界角时,全反射现象才会发生。
  现在的光纤之所以能长距离输送信号,是因为光在光纤中通过全反射传播,光信号强度损失非常小。但“实验一”中的光线强度随着光的传播而减弱,这与“强度损失非常小”相矛盾吗?不矛盾。
  因为虽然反射的过程中没有光线损失,在传播过程中,光线被水中的微小颗粒散射,导致光强的损失。光在光纤中的传播也会与光纤玻璃中的杂质形成散射,使光强随传播距离衰减。
  2.冰糖在水中融化后不能均匀分布,靠近水底的地方浓度大,越往上浓度越小。而含糖越高的水折射率越大,光从折射率小的物质进入折射率大的物质时会弯折,如果这种折射率是连续变化的,就会使光线呈现出一道弧线。
  3.光线被“束缚”在水流中,是由于光在水流和空气的边界上发生了全反射,光线才能随着水流流动,这就是现代光纤的原理。
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