光導(dǎo)纖維的原理及應(yīng)用

1、光導(dǎo)纖維的原理及應(yīng)用廖浚竹物理學(xué)2015級(jí)摘要：介紹了階躍型和梯度型光導(dǎo)纖維內(nèi)光線傳輸原理，光導(dǎo)纖維的優(yōu)良特性和在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。關(guān)鍵詞：光導(dǎo)纖維、全反射、自聚焦、光纖應(yīng)用引言：光導(dǎo)纖維的研制成功使人類(lèi)的通迅技術(shù)得到了前所未有的發(fā)展，自從1977年美國(guó)加利福尼亞洲通用電話公司安裝第一套光纖通訊系統(tǒng)以后，發(fā)展十分迅猛,至今已普遍使用。于當(dāng)今信息爆炸的世界，人們對(duì)提高無(wú)線電波傳遞信息容量給予了極大的關(guān)注，光纖通信就是這一征程上的重大里程碑。近年來(lái)，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，光導(dǎo)纖維不僅在通信、電子和電力等領(lǐng)域的應(yīng)用日益擴(kuò)展，而且在醫(yī)學(xué)檢測(cè)、太陽(yáng)光照明、制作傳感器等方面也有了重要突破，成為大有

2、前途的新型基礎(chǔ)材料。1、階躍型（全反射型）光導(dǎo)纖維光線傳輸原理1.1全反射光由光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)時(shí)，即n2>n1時(shí)，折射光線將遠(yuǎn)離法線。隨著入射角e1的增大，折射角e2增加很快，當(dāng)入射角e1增加到ec時(shí)，折射線延表面進(jìn)行，即折射角為90°，該入射角ec稱(chēng)為臨界角。若入射角大于臨界角，則只有反射沒(méi)有折射，此現(xiàn)象稱(chēng)為全反射（圖1）。當(dāng)光線由光疏媒介射到光密媒介時(shí)，折射光線將靠近法線而折射，故這時(shí)不會(huì)發(fā)生全反射。臨界角：ec二arc（n1/n2）圖11.2光導(dǎo)纖維基本結(jié)構(gòu)光纖的內(nèi)層是純玻璃光芯，外包折射率低于玻璃折射率的摻雜物（包層）。內(nèi)芯是光傳播的部分，包層與纖芯折射率的差別就是

3、為了使光發(fā)生全內(nèi)反射。大部分的光纖在包層外還有一層涂覆層，它一般是一層或幾層聚合物，防止纖芯和包層受到震蕩而影響光學(xué)或物理性質(zhì)。涂覆層對(duì)在光纖里傳播的光沒(méi)有影響，它只是作為一個(gè)減震器?；驹砉鈱?dǎo)纖維就是利用全反射規(guī)律使光線沿著曲線傳播的光學(xué)元件。圖2顯示了光在光纖里的傳播特性。入射進(jìn)光纖中的光，當(dāng)入射角大于臨界角時(shí),光在纖芯與包層之間界面上發(fā)生全反射,因?yàn)槿肷浣堑扔诜瓷浣?反射光再次被反射,光將被光纖以鋸齒形傳播。但如果入射角小于臨界角,光被折射進(jìn)入包層,包層不是作為光的載體進(jìn)入包層的光很快被吸收。丸小于轉(zhuǎn)莽兩酎先it涂It展或a#A良*Av圖2.全反射型光纖中的光纖軌跡2、梯度型(自聚焦型

4、)光導(dǎo)纖維光纖傳輸原理梯度型光導(dǎo)纖維的纖芯折射率從中心軸線開(kāi)始向著徑向逐漸減小。因此，入射光線進(jìn)人光纖后，偏離中心軸線的光將呈曲線路徑向中心集束傳輸，光束在梯度型光導(dǎo)纖維中傳播時(shí)，形成周期性的會(huì)聚和發(fā)散，呈波浪式曲線前進(jìn)，如圖3所示。故梯度型光導(dǎo)纖維又稱(chēng)聚焦型光導(dǎo)纖維。圖3.自聚焦型光纖中的光線軌跡3、光導(dǎo)纖維的優(yōu)良特性(1) 光纖的通頻帶很寬.理論可達(dá)30億兆赫茲?；谶@一特點(diǎn),我們可在同一光纖通道上,同時(shí)傳輸許多路的信息,也不會(huì)相互干擾。(2) 衰減小，無(wú)中繼段長(zhǎng)可達(dá)幾十到100多公里,銅線只有幾百米。基于這一特點(diǎn),我們可將網(wǎng)絡(luò)延伸到很遠(yuǎn)的空間。(3) 保真度高，因?yàn)椴恍枰欣^放大，不會(huì)因

5、為放大引來(lái)新的非線性失真。(4) 不受電磁場(chǎng)和電磁輻射的影響。這樣一來(lái),信息傳輸?shù)目煽啃蕴岣吡撕芏唷?5) 重量輕,體積小。(6) 光纖通訊不帶電,使用安全,可用于易燃、易爆場(chǎng)所。(7) 使用環(huán)境溫度范圍寬。耐化學(xué)腐蝕，使用壽命長(zhǎng)。成本不斷下降。制作光纖的材料(石英)來(lái)源十分豐富，隨著技術(shù)的進(jìn)步，成本還會(huì)進(jìn)一步降低。噪聲小。在傳輸信息容量非常大時(shí)，光導(dǎo)纖維也不會(huì)發(fā)出大的噪音。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(lái)越廣泛。4、光導(dǎo)纖維的應(yīng)用高分子光導(dǎo)纖維開(kāi)發(fā)之初，僅用于汽車(chē)照明燈的控制和裝飾?，F(xiàn)在主要用于醫(yī)學(xué)、裝飾、汽車(chē)、船舶等方面，以顯示元件為主。在通信和圖像傳輸方面，高

6、分子光導(dǎo)纖維的應(yīng)用日益增多，工業(yè)上用于光導(dǎo)向器、顯示盤(pán)、標(biāo)識(shí)、開(kāi)關(guān)類(lèi)照明調(diào)節(jié)、光學(xué)傳感器等。4.1 通信應(yīng)用光導(dǎo)纖維可以用在通信技術(shù)里。1979年9月，一條33公里的120路光纜通信系統(tǒng)在北京建成，幾年后上海、天津、武漢等地也相繼鋪設(shè)了光纜線路，利用光導(dǎo)纖維進(jìn)行通信。多模光導(dǎo)纖維做成的光纜可用于通信，它的傳導(dǎo)性能良好，傳輸信息容量大，一條通路可同時(shí)容納數(shù)十人通話?？梢酝瑫r(shí)傳送數(shù)十套電視節(jié)目，供自由選看。利用光導(dǎo)纖維進(jìn)行的通信叫光纖通信。一對(duì)金屬電話線至多只能同時(shí)傳送一千多路電話，而根據(jù)理論計(jì)算，一對(duì)細(xì)如蛛絲的光導(dǎo)纖維可以同時(shí)通一百億路電話！鋪設(shè)1000公里的同軸電纜大約需要500噸銅，改用光纖

7、通信只需幾公斤石英就可以了。沙石中就含有石英，幾乎是取之不盡的。4.2 光纖收發(fā)器光纖收發(fā)器是一種將短距離的雙絞線電信號(hào)和長(zhǎng)距離的光信號(hào)進(jìn)行互換的以太網(wǎng)傳輸媒體轉(zhuǎn)換單元，在很多地方也被稱(chēng)之為光電轉(zhuǎn)換器。產(chǎn)品一般應(yīng)用在以太網(wǎng)電纜無(wú)法覆蓋、必須使用光纖來(lái)延長(zhǎng)傳輸距離的實(shí)際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，且通常定位于寬帶城域網(wǎng)的接入層應(yīng)用；同時(shí)在幫助把光纖最后一公里線路連接到城域網(wǎng)和更外層的網(wǎng)絡(luò)上也發(fā)揮了巨大的作用。企業(yè)在進(jìn)行信息化基礎(chǔ)建設(shè)時(shí)，通常更多地關(guān)注路由器、交換機(jī)乃至網(wǎng)卡等用于節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)交換的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，卻往往忽略介質(zhì)轉(zhuǎn)換這種非網(wǎng)絡(luò)核心必不可少的設(shè)備。特別是在一些要求信息化程度高、數(shù)據(jù)流量較大的政府機(jī)構(gòu)和企業(yè)，網(wǎng)絡(luò)

8、建設(shè)時(shí)需要直接上連到以光纖為傳輸介質(zhì)的骨干網(wǎng)，而企業(yè)內(nèi)部局域網(wǎng)的傳輸介質(zhì)一般為銅線，確保數(shù)據(jù)包在不同網(wǎng)絡(luò)間順暢傳輸?shù)慕橘|(zhì)轉(zhuǎn)換設(shè)備成為必需品。4.3 太陽(yáng)光照明與光能傳送基于光導(dǎo)纖維的太陽(yáng)光照明系統(tǒng)是一種利用導(dǎo)光光纖將自然陽(yáng)光引入室內(nèi)進(jìn)行照明的技術(shù)，是一種新型照明產(chǎn)品，屬于新型太陽(yáng)能利用范疇。它采用自動(dòng)跟蹤技術(shù)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)軌跡跟蹤，利用光學(xué)非球面透鏡將太陽(yáng)光聚焦收集，通過(guò)大芯徑石英光導(dǎo)纖維把太陽(yáng)光傳送到室內(nèi)或其它需要陽(yáng)光的地方，并且可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)光源多點(diǎn)照明。它具有控制精度高、靈活性強(qiáng)、易操作等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)綠色、環(huán)保、節(jié)能、健康的室內(nèi)照明。實(shí)驗(yàn)證明，相對(duì)于傳統(tǒng)照明方式，經(jīng)光纖引入的太陽(yáng)光更接近自然光

9、譜，顏色柔和，色彩還原度極高，非常適用于大跨度的公共和地下建筑物，市場(chǎng)前景廣闊，具有顯著的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。該成果在2014年北京召開(kāi)的APEC會(huì)議期間得到應(yīng)用，具有良好的綠色、健康、環(huán)保示范效果。4.4 傳感器應(yīng)用光導(dǎo)纖維可以把陽(yáng)光送到各個(gè)角落，還可以進(jìn)行機(jī)械加工。計(jì)算機(jī)、機(jī)器人、汽車(chē)配電盤(pán)等也已成功地用光導(dǎo)纖維傳輸光源或圖像。如與敏感元件組合或利用本身的特性,則可以做成各種傳感器,測(cè)量壓力、流量、溫度、位移、光澤和顏色等。在能量傳輸和信息傳輸方面也獲得廣泛的應(yīng)用4.5 醫(yī)學(xué)應(yīng)用光導(dǎo)纖維內(nèi)窺鏡可導(dǎo)入心臟和腦室，測(cè)量心臟中的血壓、血液中氧的飽和度、體溫等。用光導(dǎo)纖維連接的激光手術(shù)刀已在臨床應(yīng)用，

10、并可用作光敏法治癌。另外，利用光導(dǎo)纖維制成的內(nèi)窺鏡，可以幫助醫(yī)生檢查胃、食道、十二指腸等的疾病。光導(dǎo)纖維胃鏡是由上千根玻璃纖維組成的軟管，它有輸送光線、傳導(dǎo)圖像的本領(lǐng)，又有柔軟、靈活，可以任意彎曲等優(yōu)點(diǎn)，可以通過(guò)食道插入胃里。光導(dǎo)纖維把胃里的圖像傳出來(lái)，醫(yī)生就可以窺見(jiàn)胃里的情形，然后根據(jù)情況進(jìn)行診斷和治療。4.6 工業(yè)領(lǐng)域在工業(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(cè)量壓力、溫度、流量、位移、光澤、顏色、產(chǎn)品缺陷等;也可用于工廠自動(dòng)化、辦公自動(dòng)化、機(jī)器內(nèi)及機(jī)器間的信號(hào)傳送、光電開(kāi)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

11、。如美國(guó)杜邦公司的光纖有80%用于汽車(chē)工業(yè)，可用于前燈、尾燈、開(kāi)關(guān)和儀表盤(pán)的照明以及制動(dòng)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(dòng)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(kāi)關(guān)、飛點(diǎn)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。熒光POF是在芯材中摻人一定量的熒光劑，其人射端面輸人特定波長(zhǎng)的光，這種光為熒光劑所吸收，然后發(fā)出另一特定波長(zhǎng)的光，由PO出射端面輸出。可用熒光POF制作特殊的光纖傳感器或功率放大器，極具發(fā)展?jié)摿ΑＥ紭O性有機(jī)材料比無(wú)機(jī)材料有更大的非線性光學(xué)效應(yīng)。帶偶極特性有機(jī)材料同芯材混合，用

12、垂直機(jī)頭牽引擠出成型，并在靠近模頭處設(shè)置高強(qiáng)直流電場(chǎng)，這樣處于粘流態(tài)聚合物中的偶極性有機(jī)物獲得電場(chǎng)取向，隨著粘流態(tài)聚合物的冷卻成型，非線性有機(jī)材料偶極取向固定，從而獲得非線性POF。這種非線性POF可制作電光及非線性光學(xué)器件。4.7 國(guó)防軍事領(lǐng)域光纖通訊的另一特點(diǎn)是其保密性好、不受干擾且無(wú)法竊聽(tīng)，這一優(yōu)點(diǎn)使其廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。在國(guó)防軍事上，可以用光導(dǎo)纖維來(lái)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。4.8 光纖藝術(shù)應(yīng)用由于光纖的良好的物理特性，光纖照明和LED照明已越來(lái)越成為藝術(shù)裝修美化的用途。例如：門(mén)頭店名（標(biāo)設(shè)）和LOGO采用粗光纖制作光暈照明。門(mén)頭的

13、局部輪廓采用18（14）的側(cè)光纖進(jìn)行照明。場(chǎng)所外立面局部采用光纖三維鏡。采用藝術(shù)分布的光纖點(diǎn)陣，配置光纖照明YY-S150光纖掃描機(jī)。在草坪上布置光纖地?zé)?。光纖瀑布、光纖立體球等藝術(shù)造型。同時(shí)也用在裝飾顯示、廣告顯示。光纖也可以用作各種視覺(jué)藝術(shù)的展示等，光纖的特性得到充分的應(yīng)用。5、結(jié)束語(yǔ)由于光導(dǎo)纖維較為簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和十分優(yōu)良的性能，隨著光纖制作工藝的不斷發(fā)展，光纖的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)越來(lái)越廣泛，使用人群也將會(huì)越來(lái)越多，光導(dǎo)纖維具有非常廣泛的應(yīng)用前景和巨大的發(fā)展?jié)撃堋?、參考資料【1】姚啟鈞，光學(xué)教材（第五版），高等教育出版社【2】顧超英，世界光導(dǎo)纖維的開(kāi)發(fā)生產(chǎn)應(yīng)用與發(fā)展前景分析°ChinaChemicals，化工文摘，2008年1期22-28頁(yè)【3】馮震、魏秀珍、楊雙收、岳葉，基于光導(dǎo)纖維的陽(yáng)光照明原理與應(yīng)用。2015年中國(guó)