光導(dǎo)纖維的應(yīng)用及其發(fā)展前景

1、學(xué)號：20105043025本科學(xué)年論文學(xué) 院 物理電子工程學(xué)院 專 業(yè) 應(yīng)用物理學(xué) 年 級 2010級 姓 名 石鵬凱 論文題目 光導(dǎo)纖維的應(yīng)用及其發(fā)展前景 指導(dǎo)教師 張新偉 職稱 講師 成 績 2012年05月31日目 錄摘 要1Abstract11緒 論 12光導(dǎo)纖維的簡介12.1什么是光導(dǎo)纖維 2 2.2光導(dǎo)纖維的基本原理 23光導(dǎo)纖維的應(yīng)用 33.1光導(dǎo)纖維在通信系統(tǒng)方面的應(yīng)用 33.2光導(dǎo)纖維在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用 33.3光導(dǎo)纖維的其他應(yīng)用44 光導(dǎo)纖維的發(fā)展前景5結(jié)論 6參考文獻(xiàn) 6致謝7 光導(dǎo)纖維的應(yīng)用以及未來發(fā)展前景學(xué)生姓名：石鵬凱 學(xué)號：20105043025學(xué) 院：物理電子工

2、程學(xué)院 專業(yè)：應(yīng)用物理學(xué)指導(dǎo)老師：張新偉 職稱：講師摘 要: 30多年來，光導(dǎo)纖維取得了巨大的進(jìn)步，其中石英光導(dǎo)纖維的通信距離提高了2倍，容量提高了100倍,我國的日產(chǎn)量已突破8105 m。光纖的用途不斷擴(kuò)大，今后新興國家將成為推動光纖市場快速增長的牽引力。關(guān)鍵詞：光導(dǎo)纖維；光學(xué)纖維；新進(jìn)展；發(fā)展動向Application and future development of optical fiberAbstract：Light transmitting fibers are getting progress in more than 30 years, the data transmitti

3、ng distance raised2 times, the capacity of data communication raised 100 times, the output of plastic optical fiber broke800 km/d in China. The uses of light transmitting fibers are expanding incessantly, while the demand of new risingcountries will become the tractive power of quick rising market i

4、n future.Key words：light transmitting fiber; optical fiber; new development; developing trend1緒論 上世紀(jì)60年代，激光被發(fā)明了，它宣告:在光波波段中對應(yīng)于射頻源的新源出現(xiàn)了，對于通信有巨大潛力的光譜區(qū)域終于被開拓出來加以利用了。所需要的就是要有一組相適合的光源、檢波器和傳輸介質(zhì)1。隨后二十多年，人們對光傳輸介質(zhì)進(jìn)行了攻關(guān)，終于制成了輕質(zhì)量、低損耗、頻帶寬的光纖，從而奠定了光通訊的基石。從此，光導(dǎo)纖維的應(yīng)用進(jìn)入了飛速發(fā)展的階段，它的使用為我們的生活提供了很大的便利，同時它的未來發(fā)展前景為人們所看好。2

5、 光導(dǎo)纖維的簡介2.1什么是光導(dǎo)纖維光導(dǎo)纖維簡稱光纖，是一種透明的玻璃纖維絲，直徑只有1100m左右。它是由內(nèi)芯和外套兩層組成，內(nèi)芯的折射率大于外套的折射率，光由一端進(jìn)入，在內(nèi)芯和外套的界面上經(jīng)多次全反射，從另一端射出。它具有質(zhì)量輕、耗損地、頻帶寬，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點。2.2光導(dǎo)纖維的基本原理 由光學(xué)理論可知，可以用光線也就是幾何光學(xué)的方法來研究光的傳播現(xiàn)象。應(yīng)用兒何光學(xué)基本定律，來分析光纖中的多模光纖是完全適用的。2.2.1光的全反射原理當(dāng)光線由光密媒質(zhì)(折射率為n1)射入光疏媒質(zhì)(折射率為n2)且入射角大于臨界角( i )的時候，就會生全反射現(xiàn)象，如圖1所示。臨界角由下式?jīng)Q定: 式中n1n

6、2N1N2臨界角全反射光圖1：光全反射示意圖2.2.2.光纖結(jié)構(gòu)光導(dǎo)纖維分為反射型和折射型兩種，下面主要介紹反射型光纖基本結(jié)構(gòu)。如圖2所示，在光纖內(nèi)部，要求光線的反射是全反射射，整個纖維由兩層均勻介質(zhì)組成，內(nèi)層為玻璃纖維芯(纖芯)，外層為玻璃包皮(包層)的兩個同心圓柱的雙層結(jié)構(gòu)組成。纖芯傳輸。纖芯的折射率n1比包皮折射率n2稍大一點，兩層介質(zhì)之間形成良好的光學(xué)界面光線在界面的入射角沖要大于臨界角，以保證在光纖內(nèi)部產(chǎn)生全反射現(xiàn)象。光纖導(dǎo)光示意圖如圖3。位于光纖的中心部位，光主要在這一部分里2。外包纖芯圖2 光纖結(jié)構(gòu)圖3光導(dǎo)纖維示意圖3 光導(dǎo)纖維的應(yīng)用3.1光導(dǎo)纖維在通信系統(tǒng)方面的應(yīng)用首先我們來看

7、看光導(dǎo)纖維有什么優(yōu)點： (1)光纖的通頻帶很寬.理論可達(dá)30億兆赫茲?；谶@一特點,我們可在同一光纖通道上,同時傳輸許多路的信息,也不會相互干擾。 (2)無中繼段長可達(dá)幾十到100多公里,銅線只有幾百米?；谶@一特點,我們可將網(wǎng)絡(luò)延伸到很遠(yuǎn)的空間。 (3)不受電磁場和電磁輻射的影響。這樣一來信息傳輸?shù)目煽啃蕴岣吡撕芏唷?(4)重量輕,體積小。 (5)光纖通訊不帶電,使用安全,可用于易燃、易爆場所。 (6)使用環(huán)境溫度范圍寬。 (7)耐化學(xué)腐蝕,使用壽命長。正是由于光纖的這些優(yōu)良特性,使得光纖在網(wǎng)絡(luò)和通信中的應(yīng)用越來越廣泛3。正是由于光纖具有許多優(yōu)良的特性,使光導(dǎo)纖維在網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用越來越廣泛。我

8、們的INTERNET是一個星羅棋布遍及整個世界的大網(wǎng)絡(luò)。這樣龐大的一個網(wǎng)絡(luò)要連接起來,主要是靠光導(dǎo)纖維。首先,連接各大洲及各個國家之間的公共交換網(wǎng)絡(luò),依賴的是光導(dǎo)纖維,我們在陸地上、海洋底,都鋪設(shè)了相互連接的光纜,通過這些光纜,可以將我們的文字、圖形、圖像、聲音等信息相互傳遞;其次,在每個國家內(nèi)部,各城市地域之間的公共交換網(wǎng)絡(luò)之間的連接也完全是依賴于光導(dǎo)纖維;在城市網(wǎng)絡(luò)的主干上,也都是依靠光導(dǎo)纖維作為傳輸介質(zhì);在企業(yè)網(wǎng)絡(luò)、校園網(wǎng)絡(luò)的各大建筑之間的連接同樣也是依賴于光導(dǎo)纖。由于光導(dǎo)纖維的架設(shè)連接及其轉(zhuǎn)換制備的價格還比較高,我們還只能將它應(yīng)用于各網(wǎng)絡(luò)的主干。等到光導(dǎo)纖維及其轉(zhuǎn)換設(shè)備價格進(jìn)一步下降,

9、光纖這個網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)將會延伸到我們家中,延伸到我們生活的方方面面。那個時候,我們的網(wǎng)絡(luò)就成為名符其實的信息高速公路。而這個信息高速公路的跑道,就是我們的網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)光導(dǎo)纖維4。3.2 光導(dǎo)纖維在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用在醫(yī)學(xué)上，光導(dǎo)纖維可以用于食道、直腸、膀朧、胃等深部探查內(nèi)窺鏡(胃鏡、血管鏡等)的光學(xué)組件和不必切開皮肉直接插人身體內(nèi)部，切除癌瘤組織的外科手術(shù)激光刀，即由光導(dǎo)纖維將激光傳遞至手術(shù)部位，對診斷醫(yī)治各種疾病極為有利。因為光纖又細(xì)又軟，故可把醫(yī)生用來觀察人體內(nèi)部病變情況的內(nèi)窺鏡做得小巧玲瓏。胃鏡是內(nèi)窺鏡中比較粗得一種，也只有15毫米左右，其它如食道鏡、膀胱鏡還要細(xì)小得多。目前在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域上，普遍使用著

10、一種連接著許多光纖的胃鏡，這些光纖并成一束，束中各條光纖的相對位置保持不變。把胃鏡插入病人胃內(nèi)，胃鏡接收到的光線沿著這些光纖傳到體外，每條光纖中的光僅反映胃中一點的情況，整束光纖中的光就拼合成胃內(nèi)某一部分的圖象。光纖胃鏡的光源是在體外由光纖傳進(jìn)去的，它不產(chǎn)生熱輻射，能減輕病人的痛苦。在光導(dǎo)纖維的一頭裝上精致小巧的微型鏡頭，將胃內(nèi)的情況傳到體外拍攝下來或顯示在屏幕上。還可以在胃鏡光纖中留出空的通道，以插入切取生理切片的鑷子。近年來，一種激光光纖藥頭內(nèi)窺鏡碎石系統(tǒng)研制成功。這種系統(tǒng)利用胃鏡把帶有藥頭的光纖導(dǎo)管送入胃中，然后沿光纖通入激光。激光可以像引爆雷管一樣，使藥頭炸裂并產(chǎn)生沖擊波，擊碎胃石，再

11、用胃鏡把碎石取出。利用該系統(tǒng)已成功地?fù)羲椴⑷〕隽舜笮?106厘米的胃石，這種系統(tǒng)還可以用來治療膀胱結(jié)石、膽結(jié)石等。 光導(dǎo)纖維在醫(yī)學(xué)上的另一個重要應(yīng)用是通過微細(xì)的光纖將光強(qiáng)度的激光輸入人體的病變部位并切除。這種“手術(shù)”不開刀，減少了病人的痛苦，而且切割部位準(zhǔn)確，手術(shù)效果好。 可見，光導(dǎo)纖維的應(yīng)用，使醫(yī)用窺鏡從構(gòu)造到功能都發(fā)生了重要的變化5。3.3光導(dǎo)纖維在其它方面的應(yīng)用在照明和光能傳送方面，利用光導(dǎo)纖維短距離可以實現(xiàn)一個光源多點照明。光纜照明，可利用塑料光纖光纜傳輸太陽光作為水下、地下照明。光導(dǎo)纖維柔軟易彎曲變形，可做成任何形狀，并且耗電少、光質(zhì)穩(wěn)定、光澤柔和、色彩廣泛，是未來的最佳燈具，如與

12、太陽能的利用結(jié)合起來將成為最經(jīng)濟(jì)實用的光源。今后的高層建筑、禮堂、賓館、醫(yī)院、娛樂場所，甚至家庭依據(jù)都可直接使用光導(dǎo)纖維制成的天花板或墻壁，以及彩織光導(dǎo)纖維字畫等，也可用于道路、公共設(shè)施的路燈，廣場的照明和商店櫥窗的廣告。此外，它還可用于易燃、易爆、潮濕和腐蝕性強(qiáng)的環(huán)境中不宜架設(shè)輸電線及電氣照明的地方作為安全光源。光纖通訊的另一特點是其保密性好、不受干擾且無法竊聽，這一優(yōu)點使其廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。在國防軍事上，可以用光導(dǎo)纖維來制成纖維光學(xué)潛望鏡，裝備在潛艇、坦克和飛機(jī)上，用于偵察復(fù)雜地形或深層屏蔽的敵情。工業(yè)上，光導(dǎo)纖維可傳輸激光進(jìn)行機(jī)械加工;可制成各種傳感器用于測量壓力、溫度、流量、位移、光

13、澤、顏色、產(chǎn)品缺陷等;也可用于工廠自動化、辦公自動化、機(jī)器內(nèi)及機(jī)器間的信號傳送、光電開關(guān)、光敏組件等。此外，光纜可不受雷電的侵?jǐn)_而正常工作，從而保護(hù)與之聯(lián)結(jié)的家電和精密儀器免遭雷擊損壞。如美國杜邦公司的光纖有80%用于汽車工業(yè)，可用于前燈、尾燈、開關(guān)和儀表盤的照明以及制動器的監(jiān)控等。在自控領(lǐng)域，塑料光纖組成的控制線路可防止噪聲的產(chǎn)生及因外部噪聲引起的誤動作，在解決設(shè)備的抗電磁干擾方面效果顯著。此外，光纖技術(shù)還可用于閱讀穿孔卡片、光開關(guān)、飛點析像器、圖像的縮小和放大、火焰及高溫監(jiān)控、道路標(biāo)志裝飾照明等6。4光導(dǎo)纖維的發(fā)展前景 對于光纖的這些使用顯然不能滿足人們的需求，所以許多科學(xué)家一直在研究光導(dǎo)

14、纖維的其他應(yīng)用，當(dāng)然也發(fā)明出了不少有用的東西，比如“液體光纖溫度計”由于采用了鈕酸鏗熱釋電紅外探測器組合件 (帶阻抗變換)作探測器，其探側(cè)率和響應(yīng)率均較高，居里點溫度高達(dá)610，故能在寬范圍、高靈敏地工作。采用薄片狀表面鉑熱電阻作為環(huán)境溫度檢側(cè)元件，它的精確度和再現(xiàn)性都較好，其檢側(cè)信號通過電路實現(xiàn)了自動補(bǔ)償環(huán)境沮度后，沮度計能直觀、穩(wěn)定地顯示被側(cè)目標(biāo)的溫度。用814料m的工作波段后，避開了太陽光反射、大氣中的水蒸汽和二氧化碳等氣體的吸收影響區(qū)域，有利于沮度計作室外側(cè)量7。又如“太陽能光纖燈”這是一種不需要進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換及電光轉(zhuǎn)換的，直接進(jìn)行光光轉(zhuǎn)換，且轉(zhuǎn)換效率高，不污染環(huán)境的綠色太陽能燈8.還有

15、一種“可見光隱形外套”一種前后兩側(cè)可見光隱形外套，它是利用光導(dǎo)纖維的導(dǎo)光特性，將穿套者一側(cè)的景象傳導(dǎo)到對側(cè)，造成一種前后透明效果。它是將光導(dǎo)纖維作外套織物的經(jīng)線，與緯線交織成型;光導(dǎo)纖維前后對稱連通，左右對稱排布;每根光導(dǎo)纖維的兩端頭配制凸透鏡，分別正對前方和后方9。還有一種可以測量電場的光纖應(yīng)用，采用光導(dǎo)纖維傳輸技術(shù)作高壓測量，測量點和地之間是電絕緣的，而且，光導(dǎo)纖維不受電磁干擾的影響10。近年光導(dǎo)纖維傳感器也是新型的產(chǎn)業(yè)，比如光導(dǎo)纖維溫度傳感器11、光導(dǎo)纖維壓力傳感器12最近，日本富士基美拉綜合研究所針對目前世界經(jīng)濟(jì)不景氣和新興國家特別是中國、印度等光通信需求的急劇增長，對2013年的世界

16、光纖市場作了預(yù)測。調(diào)查結(jié)果表明，電纜芯線及城市網(wǎng)絡(luò)光傳輸裝置的市場，2009年比2008年增長了8.0%，達(dá)到了1.07104億日元，而石英光纖市場增長了44.4%，擴(kuò)大至1.422 1104億日元，而2008年石英光纖的市場比2007年增長24.3%，即9 839億日元。其中10 GB/s的無線電收發(fā)兩用機(jī)元件的市場規(guī)模，2009年比2008年增長了66.2%，預(yù)測為1 617億日元。FTTx的需求除在北美是順利外，在亞洲隨著中國3G手機(jī)基地局的投資需求和FTTx化的推進(jìn)，光纖的需求預(yù)期會好轉(zhuǎn)，在印度預(yù)測的結(jié)果也同樣。隨著中國3G手機(jī)電話局大型投資計劃的推進(jìn)，中國傳輸裝置廠家的業(yè)績也會增長，

17、并將成為牽動光纖市場急速增長的主要因素。5結(jié)論 光導(dǎo)纖維的特性決定了其廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。由光導(dǎo)纖維制成的各種光導(dǎo)線、光導(dǎo)桿和光導(dǎo)纖維面板等，廣泛地應(yīng)用在工業(yè)、國防、交通、通訊、醫(yī)學(xué)和宇航等領(lǐng)域。特別是便宜和易于使用的塑料光纖已受到人們的青睞。用塑料光纖制的光纜比普通電纜更為快捷地傳送信息，并幾乎可提供無限容量來滿足信息時代的需要，POF(塑料光纖)必將成為光纖人戶和到桌面工程理想的首選材料，在信息高速公路工程中產(chǎn)生舉足輕重的作用，具用廣闊的應(yīng)用前景和巨大的社會和經(jīng)濟(jì)效益。參考文獻(xiàn)：1 高橋聰高性能聚合物光纖J工業(yè)材料，2008，56(4)：24 -272 馮書安，龐永振光導(dǎo)纖維及其應(yīng)用J機(jī)械工程

18、師，1988，43 楊麗君，余雷，伍艷澤等基于光導(dǎo)纖維的傳輸原理c甘肅科技，2004，20(4)：53-544 阿龍光通信走過的路 http:/media. ccidnet. com/media/ciw/958/b1501.htm,2000.09.5顧錫榮醫(yī)用激光的幾個方面應(yīng)用概況及發(fā)展J光學(xué)儀器，1995，17：4-56 顧超英世界光導(dǎo)纖維的開發(fā)應(yīng)用與發(fā)展前景分析J中國國際化工網(wǎng)，化工文摘，2008，(1)：24-287 張厚民光導(dǎo)纖維溫度計J，自動化儀表,1986.04.018 楊志剛,任浩,然文雅等一種太陽能光纖燈，中華人民共和國國家知識產(chǎn)權(quán)局，CN201731427Up, 2011.0

19、2.0220 屈百達(dá)，可見光隱形外衣，中華人民共和國國家知識產(chǎn)權(quán)局，CNIO2119788Ap, 2011.07.132012.05.28. 10 IEEE Trans on Electrical Insulation，Vol.EI-14，N0.5，1979，PP.250-255.11 harmerA.L. Measurement and Control，1982，VOI.15，No.4.P143.12 Meltz G. etc Appl optics,1983 vol,22,No,3,p,464致謝 ：本論文是在張新偉老師精心指導(dǎo)下完成的。張老師淵博而扎實的理論知識，對新知識的渴求以及待人處事的熱情影響著我，使我受益終生。張老師在論文寫作上給我耐心的指導(dǎo)和啟發(fā)性的建議，值此論文完成之際，我謹(jǐn)向張老師表示最衷心的感謝！感謝