1、光導(dǎo)纖維的原理及應(yīng)用廖浚竹物理學(xué)2015級摘要：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的通迅技術(shù)得到了前所未有的發(fā)展，自從1977年美國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，人們對提高無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，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)用日益擴展，而且在醫(yī)學(xué)檢測、太陽光照明、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)進入光疏介質(zhì)時，即n2n1時，折射光線將遠離法線。隨著入射角1的增大，折射角2增加很快，當(dāng)入射角1增加到c時，折射線延表面進行，即折射角為90，該入射角c稱為臨界角。若入射角大于臨界角，則只有反射沒有折射，此現(xiàn)象稱為全反射(圖1)。當(dāng)光線由光疏媒介射到光密媒介時，折射光線將靠近法線而折射，故這時不會發(fā)生全反射。臨界角：c=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為了使光發(fā)生全內(nèi)反射。大部分的

3、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)。涂覆層對在光纖里傳播的光沒有影響,它只是作為一個減震器?；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。入射進光纖中的光，當(dāng)入射角大于臨界角時,光在纖芯與包層之間界面上發(fā)生全反射,因為入射角等于反射角,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,光被折射進入包層,包層不是作為光的載體進入包層的光很快被吸收。圖2. 全反射型光纖中的光纖軌跡2、 梯度型（自聚焦型）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始向著徑向

4、逐漸減小。因此，入射光線進人光纖后，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，形成周期性的會聚和發(fā)散，呈波浪式曲線前進，如圖3所示。故梯度型光導(dǎo)纖維又稱聚焦型光導(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)衰減小，無中繼段長可達幾十到100多公里,銅線只有幾百米?；谶@一特點,我們可將網(wǎng)絡(luò)延伸到很遠的空間。(3)保真度高，因為不需要中繼放大，不會因為放大引來新的非線性失真。(4)不受電磁場和電磁輻射的影響。這樣一來,

5、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、易爆場所。(7)使用環(huán)境溫度范圍寬。耐化學(xué)腐蝕,使用壽命長。成本不斷下降。制作光纖的材料(石英)來源十分豐富，隨著技術(shù)的進步，成本還會進一步降低。噪聲小。在傳輸信息容量非常大時，光導(dǎo)纖維也不會發(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)用越來越廣泛。4、 光導(dǎo)纖維的應(yīng)用高分子光導(dǎo)纖維開發(fā)之初，僅用于汽車照明燈的控制和裝飾?，F(xiàn)在主要用于醫(yī)學(xué)、裝飾、汽車、船舶等方面，以顯示元件為主。在通信和圖像傳輸方面，高分子光導(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、標(biāo)識、開關(guān)類照明調(diào)節(jié)

6、、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，一條通路可同時容納數(shù)十人通話?？梢酝瑫r傳送數(shù)十套電視節(jié)目，供自由選看。利用光導(dǎo)纖維進行的通信叫光纖通信。一對金屬電話線至多只能同時傳送一千多路電話，而根據(jù)理論計算，一對細如蛛絲的光導(dǎo)纖維可以同時通一百億路電話！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

7、收發(fā)器光纖收發(fā)器是一種將短距離的雙絞線電信號和長距離的光信號進行互換的以太網(wǎng)傳輸媒體轉(zhuǎn)換單元，在很多地方也被稱之為光電轉(zhuǎn)換器。產(chǎn)品一般應(yīng)用在以太網(wǎng)電纜無法覆蓋、必須使用光纖來延長傳輸距離的實際網(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)在進行信息化基礎(chǔ)建設(shè)時，通常更多地關(guān)注路由器、交換機乃至網(wǎng)卡等用于節(jié)點數(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)流量較大的政府機構(gòu)和企業(yè)，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)時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

8、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太陽光照明與光能傳送基于光導(dǎo)纖維的太陽光照明系統(tǒng)是一種利用導(dǎo)光光纖將自然陽光引入室內(nèi)進行照明的技術(shù)，是一種新型照明產(chǎn)品，屬于新型太陽能利用范疇。它采用自動跟蹤技術(shù)實現(xiàn)太陽軌跡跟蹤，利用光學(xué)非球面透鏡將太陽光聚焦收集，通過大芯徑石英光導(dǎo)纖維把太陽光傳送到室內(nèi)或其它需要陽光的地方，并且可以實現(xiàn)一個光源多點照明。它具有控制精度高、靈活性強、易操作等優(yōu)點，可以實現(xiàn)綠色、環(huán)保、節(jié)能、健康的室內(nèi)照明。實驗證明，相對于傳統(tǒng)照明方式，經(jīng)光纖引入的太陽光更接近自然光譜，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，市場前景廣

9、闊，具有顯著的經(jīng)濟與社會效益。該成果在2014年北京召開的會議期間得到應(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)纖維可以把陽光送到各個角落，還可以進行機械加工。計算機、機器人、汽車配電盤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，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

10、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，可以通過食道插入胃里。光導(dǎo)纖維把胃里的圖像傳出來，醫(yī)生就可以窺見胃里的情形，然后根據(jù)情況進行診斷和治療。4.6工業(yè)領(lǐng)域在工業(yè)上，光導(dǎo)纖維可傳輸激光進行機械加工;可制成各種傳感器用于測量壓力、溫度、流量、位移、光澤、顏色、產(chǎn)品缺陷等;也可用于工廠自動化、辦公自動化、機器內(nèi)及機器間的信號傳送、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

11、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。 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的光，這種光為熒光劑所吸收，然后發(fā)出另一特定波長的光，由PO出射端面輸出?？捎脽晒釶OF制作特殊的光纖傳感器或功率放大器，極具發(fā)展?jié)摿?。偶極性有機材料比無機材料有更大的非線性光學(xué)效應(yīng)。帶偶極特性有機材料同芯材混合，用垂直機頭牽引擠出成型，并在靠近模頭處設(shè)置高強直流電場，這樣處于粘流態(tài)聚合物中的偶極性有

12、機物獲得電場取向，隨著粘流態(tài)聚合物的冷卻成型，非線性有機材料偶極取向固定，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國防軍事領(lǐng)域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照明已越來越成為藝術(shù)裝修美化的用途。例如： 1 門頭店名（標(biāo)設(shè)）和LOGO采用粗光纖制作光暈照明。 2 門頭的局部輪廓采用18（14）的側(cè)光纖進行照明。 3 場所外立面局部采用光纖三維鏡。

13、 4 采用藝術(shù)分布的光纖點陣，配置光纖照明YY-S150光纖掃描機。 5 在草坪上布置光纖地?zé)簟?6 光纖瀑布、光纖立體球等藝術(shù)造型。 7 同時也用在裝飾顯示、廣告顯示。 光纖也可以用作各種視覺藝術(shù)的展示等，光纖的特性得到充分的應(yīng)用。5、 結(jié)束語由于光導(dǎo)纖維較為簡單的結(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)絹碓綇V泛，使用人群也將會越來越多，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)纖維的開發(fā)生產(chǎn)應(yīng)用與發(fā)展前景分析。China Chemicals，化工文摘，2008年1期22-28頁【3】 馮震、魏秀珍、楊雙收、岳葉，基于光導(dǎo)纖維的陽光照明原理與應(yīng)用。2015年中國照明論壇LE