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），也有用多組分玻璃或有機玻璃等。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中熔化，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

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n₁和n₂，且n₁>n₂。

傳輸光時在芯線內進行，光從芯線內射到包層的交界面上，入射角大於臨界面角θ_c=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θ_c。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θ_M=arcsin(n₁²－n₂²)^1/2。通常把 (n₁²－n₂²)^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，θ_M=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n₁和n₂決定，而與光纖的尺寸無關。因此，選用適當的n₁和n₂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，它的折射率在軸線上最大，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R_s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入射光的孔徑可以很大，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、切斷和研磨而成，已廣泛用作各種陰極射線管和攝像管的面板。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、抗干擾性和保密性都好，而且光纖耐腐蝕性強，能自由彎曲傳輸。用金屬或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。