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光學纖維
鎖定
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硅(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温爐中熔化,經高速拉制成細絲。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。
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- 中文名
- 光學纖維
- 外文名
- optical fiber
- 特 徵
- 用於傳導光的人造纖維
- 主要應用
- 光纖通信
光學纖維反射型光纖
光學纖維結構
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,但有一層貼着界面的隱失波(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。
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光學纖維數值孔徑
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(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。
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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。
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光學纖維折射型光纖
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週期性曲線。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。
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光學纖維光纖的應用
光學纖維非相關傳光束
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。
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光學纖維相關傳光束
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。
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光學纖維光纖面板
光學纖維光纖通信
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