光學纖維

光學纖維(optical fiber)是指用於傳導光的人造纖維。又稱光導纖維,簡稱光纖基本結構是圓柱形的細長絲,直徑在1—100微米之間。製造光纖的材料最常用的是二氧化矽石英),也有用多組分玻璃有機玻璃等。光纖的材料都要高度透明,對材料的純度要求非常高,如通信用的光纖其材料純度有的要求達到8個9以上。如果材料的純度低,光在傳輸過程中的衰減就會很快。光纖的製造過程是將材料放在高溫爐熔化,經高速拉製成細絲。拉制工藝要求拉出的絲粗細均勻,符合光學要求。使用的光纖有兩種類型:一種是反射型光纖,利用光的全反射使光沿折射路徑在光纖內傳播;另一種是折射型光纖,利用折射率逐漸變化使光沿曲線路徑在光纖內傳播。

基本介紹

  • 中文名:光學纖維
  • 外文名:optical fiber 
  • 特徵:用於傳導光的人造纖維
  • 主要套用:光纖通信
反射型光纖,結構,數值孔徑,折射型光纖,光纖的套用,非相關傳光束,相關傳光束,光纖面板,光纖通信,

反射型光纖

反射型光纖又稱階躍折射率光纖

結構

如下圖所示,一根纖維由兩種均勻介質組成,內部叫作芯線,外部包住芯線的叫作包層。它們的折射率分別為n1n2,且n1>n2
光學纖維
傳輸時在芯線內進行,光從芯線內射到包層的交界面上,入射角大於臨界面角θc=arcsin(n2/n1)發生全反射。這樣光就被限制在芯線內沿折線向前傳播。包層的作用是減少損失和保護芯線。因為光在全反射時在界面外雖沒有折射波,但有一層貼著界面的隱失波(又稱衰逝波或指數衰減波),如果沒有包層隱失波會被界面上和附近的微粒所散射,造成光的能量損失

數值孔徑

要使光在光纖內傳播,必須保證光在芯線和包層的交界面上發生全反射。光射到交界面上的入射角φ1必須大於臨界角θc。根據折射定律,這就要求光進入光纖的端面時,入射角θ0應小於θM=arcsin(n12n22)1/2。通常把 (n12n22)1/2=N.A. 叫作光纖的數值孔徑。數值孔徑越大,能夠進入光纖並被傳輸的光就越多。
當N.A.=1時,θM=90°,這時以任何角度入射到光纖端面上的光,都能進入光纖被傳輸。光纖的數值孔徑僅由芯線和包層的折射率n1n2決定,而與光纖的尺寸無關。因此,選用適當的n1n2值,可製成數值孔徑較大而半徑又很小的光纖,這樣的光纖既便於光的輸入,又柔軟易於彎曲。

折射型光纖

折射型光纖又稱變折射率光纖或梯度折射率光纖,它的折射率軸線上最大,離軸線越遠就越小。根據折射定律,光從折射率較大的介質進入折射率較小的介質時,光會偏離交界面的法線;反之,光從折射率較小的介質進入折射率較大的介質時,光會靠近交界面的法線。因此,光進入折射型光纖後,所走的路徑便是一條周期性曲線。光到軸線的最大距離Rs相當於反射型光纖中芯線的半徑,光在該處被全反射回來。但由於光不到達邊界,因此就沒有全反射損耗。
折射率滿足一定的條件,折射型光纖可使光線聚焦。發出的光前進一段距離後,又會聚於一點,這種光纖稱為自聚焦光纖。它可用來成像

光纖的套用

光纖從20世紀60年代進入工業生產以來,理論研究和生產工藝都迅速發展,現略作介紹如下。

非相關傳光束

將多根光纖捆成一束用於傳光,就成為傳光束。僅用於傳光時,輸出端面上各根光纖的排列並不需要與輸入端面上的排列一一對應,這種傳光束稱為非相關傳光束。優點是:①可以彎曲傳光。直徑為50微米的光纖可彎成1.0毫米的半徑,光纖既不會碎裂,對傳光效率的影響也很小。②入射光孔徑可以很大,有需要時可做到N.A.=1。③光束中各根光纖可任意組合或分開。④光束的橫截面可任意改變形狀。傳光束通常作成一條繩狀,常用於將光傳進或傳出普通光學系統不能到達的或危險的地方,尤其是需要較強光照明而又怕熱的儀器設備。有的傳光束一端捆在一起,另一端則分開,成為分叉傳光束,以便將一個光源的光通過各支分叉傳到需要光的各處。

相關傳光束

光束中的光纖都平行排列,每根光纖兩端在光束端面上的位置相對應,這樣的傳光束就稱為相關傳光束。傳光時每根光纖單獨傳遞一個信息元,合起來便能將圖像從一端傳到另一端。這樣的傳光束稱為傳像束,通常用作纖維內窺鏡,已在工業和醫療中普遍使用。

光纖面板

將多根光纖聚配成一定的幾何結構。經熱溶、加壓切斷研磨而成,已廣泛用作各種陰極射線管攝像管面板。特點是有很高的集光能力,可消除用普通玻璃面板對成像所造成的變形。

光纖通信

利用光纖傳光束傳送信息。光纖通信容量大(一條光纖中可同時傳輸一萬多路電話)、成本低、損耗小、絕緣好、抗干擾性保密性都好,而且光纖耐腐蝕性強,能自由彎曲傳輸。用金屬塑膠將多根光纖或多組光纖絞合在一起,加上包帶和護層而成的光纜,已逐漸取代了傳統的電纜,發展成為通信的重要工具。

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