0_纤维光学与光纤技术的发展概述.pptVIP

纤维光学与光纤应用技术 主讲： 李武森 1.1 基本概念 纤维光学/光纤光学： 研究光学纤维传递光、信息和图像的科学称为纤维光学。 主要研究方向：光通讯、光数据处理、光纤传感等。 1.1 基本概念 光学纤维束：光纤组合而成。 按用途分为两类：一类是只用来传输光能的，称为非相关传光束；另一类是要用来传输图像的，称为相关传光束。 纤维面板：属于相关传光束。 典型设备：内窥镜，可用于工业和医疗。 通讯光缆：由光学纤维组合，用于通信。也是一种专用的纤维束。光缆代替传统的电缆，是纤维光学在实际应用上的重大发展。 1.沃勒的光传送装置 1881年，美国马萨诸塞州Concord市，20岁的工程师威廉.沃勒申请了在建筑物内传输光线的专利。 他计划用地下室里明亮眩目的电弧光照亮远处的房间。并设计了一套反射光路和传播装置在建筑内输送光线，传播到其他房间。 沃勒的本意大概是想证明，托马斯·爱迪生新发明的白炽灯并不实用。但后来的事实证明爱迪生的白炽灯即使在今天也非常实用。 图1.1表示沃勒在专利申请原件中表述的想法。 1.2 光纤的发明 2.全内反射 沃勒时代以前人们对于光纤的基本认识已十分普及。 全内反射：如果玻璃中的光束以一个特殊的角度入射到内表面，光束不能穿过介质而是被反射回玻璃内部，这样光的传播就被限制在玻璃或其它密度比空气大的透明介质中。 1841年，瑞士物理学家丹尼尔·科拉登第一次在他的大众科学讲座中提到这一现象，称为“科拉登喷射光流”。 1.2 光纤的发明 图1.2光束被限制在喷射的水流中传播 1.2 光纤的发明 应用： 1853年在芭蕾舞和歌德的歌剧“浮士德”表演期间，巴黎歌剧院使用科拉登喷射的光流获得了特殊的艺术效果。 19世纪80年代的维多利亚女王时代展览采用了这一精彩的装饰,建造了一个照明喷泉吸引了很多前去参观的人。 但是弯曲的喷射水流很少有别的价值,而且随着水流变粗光束不可避免地要泄漏出去。 1.2 光纤的发明 3.玻璃光导和成像 干净的玻璃棒能导光,在20世纪早期,它们被用来照明显微镜玻璃片。 发明者申请了一系列的专利：比如，用弯曲的玻璃棒引导光照明人的口腔内侧，以便于牙科医生进行治疗。在此之前则是在病人的嘴里放一个气体灯。 玻璃导光并没有被广泛利用，它的特性没有充分展现出来。 1.2 光纤的发明 光纤的出现：玻璃光导越来越细，就成为光纤。它能够以同样的方式传播光。同时还可以弯曲。 光纤传像束专利：将光纤集合成束,用于传输图像的专利是美国电子工程师Clarence W. Hansell在20世纪20年代末申请的。 Heinrich Lamm的传像束：德国医科学生Heinrich Lamm在1930年首先制作了图像传输光纤束，但是得到的图像模糊不清。 1.2 光纤的发明 Lamm传像光纤的两个问题： 一是排列不整齐； 二是没有包层，即让许多裸露的光纤捆束在一起。这样，光纤的表面接触引起光从一根光纤泄漏到另一根光纤中。而且光纤间相互摩擦,在摩擦处也会引起光泄漏,光甚至会从粘附在光纤上的指尖大小的油迹上泄漏出去。 1.2 光纤的发明 图1.3包层光纤 不会泄漏光 1.2 光纤的发明 1950年代，从事光纤束改进的还有另外三人。即： 丹麦工程师和发明家Holger Moller Hanse； 杰出的光学教授荷兰人Abraham van Heel； 杰出的光学教授英格兰人Harold H.Hopkins。 1.2 光纤的发明 美国著名的光物理学家Brian O’Brien在1951年和Van Heel分别独自提出了“包层”的概念。 Moller Hansen用人造黄油覆盖在玻璃外以产生全内反射,但是结果并不实用。 Van Heel使用蜂蜡和塑料,它们比人造黄油实用得多。 玻璃包层光纤的出现 1956年12月,密歇根大学的一个本科生Lany Curtiss制作了第一个包裹良好的玻璃包层光纤,他用一个低折射率的玻璃管熔化到高折射率的玻璃棒上。 玻璃包层很快成为一种标准，但塑料包层的光纤也相继出现。 1.2 光纤的发明 玻璃包层光纤，能够做成灵活的内窥镜进入咽喉，或观察人的胃部，还能检查结肠，关节等。 光纤还能够熔合在一起并拉制成极好的坚硬的光波导束。 柔软的光纤束还能将光输送到难以到达的地方用来照明。 1.3 光纤和通信 光通信的历史追溯：山顶上的史前烽火。 古希腊人用火光来传播特洛伊战争的消息； 美洲土著人用烟表示信息； 中国的万里长城上每隔一段距离都有一个烽火台。 1790年代，法国工程师Claude Chappe发明的最早的“电报”-光电报。 信号员在一个山顶的电报塔上，用手臂挥动旗子。利用旗语将信息传播到下一个电报塔。 Samuel Morse发明的电电报使光电报退出了历史