第十一章 光纤光学系统 11-1 概 述.pptVIP

用来传递光能的单根光纤或光纤束，统称为光纤光学元件。它早在本拙纪50年代就开始出现，目前巳影减一系列实用化的光纤光学仪器，它们能够完成很多传统光学仪所无法完成的任务。其中应用最广的是医学私工业上广泛使用的各种内窥镜。近年来，一种新的梯度折射率光纤，在通讯系统中得到了迅速的发展，它正在使整个通讯系统发生一次革命，由于光纤的应用日益扩大，因此对光纤的研究也不断深入。 光纤根据它们传输光线的方式不同，可以分成两大类，一类是由均匀透明介质构成的，光线使光纤内部通过表面的全反射和直线传播进行传输，称为全反射光纤或阶梯型光纤。另一类光纤由非均匀介质构成，中心折射率高，边缘折射率低，光线在光纤内部沿着曲线传播，称为梯度折射率光纤，这两类光纤传播光线的方式不同，应用的范围也不同，本章将分别介绍它们的工作原理和应用。 $11-2 全反射光纤的光学性质 图11-2 大多数光纤的直径比光的波长大得多，对这类光纤可以用几何光学的方法研究它的光学性质，本节研究全反射光纤的光学性质。 最简单的光纤是由均匀透明介质构成的圆柱形细丝，称为单质光纤，如图11-2所示。 光线在光纤内表面发生多次全反射，使光线由一端沿着光纤传播至另一端。这种光纤的缺点是光纤表面的很小的缺陷，尘埃，污物都将使光发生散射而射出光纤，引起光能损失。在一般光学系统中的全反射棱镜的反射面上，虽然也存在这些缺陷，但是在一个棱镜系统中只有若干次反射，因而影响不大。而在光纤中，光线可能要经过上千次上万次全反射，如果每次全反射都损失一部分光能，总的损失就十分可观了。这种单质光纤特别不适用于传像的光纤束，因为在光纤束中，光纤之间是紧密接蚀的，光线有可能从一根光纤透人另一根光纤，这将影响传像的清晰度。 为了克服光纤的上述缺点，在光纤的外面包上一层折射率比芯料低的玻璃，如图11-3所示，这样的光纤称为外包光纤。 在这种光纤中，光线在光纤内外两种玻碗的分界面上进行全反射。这样光纤表面的缺陷和污物，就不会影响全反射。目前使用的光纤大多属于外包光纤。 图11-3 外包光纤的光学性质 设光纤芯料的折射率为n，外包材料的折射率为n，并且nn，光纤所在空间介质的折射率为n0，如图11-4所示。 欲使光线在光纤的内外介质分界面上发生全反 射，则入射角I须大于或等于临界角Imin。 由图11-4得 由上式得到 将 代人上式简化得 光线在光纤端面上发生折射，根据折射定律有 以上公式中， 为光线在光纤端面与光纤轴线的夹角， 称为光纤的数值孔径。和一般光学系统对应，数值孔径用符号NA代表 （11-1） 对位在空气中的单质光纤，可以看作是n‘=l的外包光纤，将n’=l代入NA公式，得到单质光纤的数值孔径公式 （11-2） 由公式11-1、11-2可以看到，外包光纤的数值孔径总是比同一芯料的单质光纤小。在实际使用中，一般入射光束的数值孔径都小于光纤的数值孔径，因此光纤的数值孔径代表了光纤的传光能力，它是光纤的重要性能指标。 欲增大光纤的数值孔径，必须增加内外两种玻璃的折射率差。由于高折射率光学玻璃的发展，目前玻璃光纤的最大放值孔径可以达到1.4。当然对NA大于1的情形，光纤的两端必须位在浸液中，好象显微物镜的数值孔径大于l肘，必须采用浸液物镜一样。 超出光纤数值孔径的光线，就会漏出光纤，并进入相邻的光纤，这种光线，对传像光纤束就会降低像的清晰度，形成噪声。为了防止漏光，在光纤的外包层外边，再用一层由高吸收玻璃构成的包层。它可以把漏光吸收，防止嗓声的产生。 上面的讨论实际上仅限于位在过光纤对称轴线的截面内的光线，相当于共轴系统中的子午光线。这些光线在光纤中永远位在同一平面内。假定光纤是直的，则出射光线与光纤轴线的夹角等于入射光线与光纤轴线的夹角，但角度可能是负，也可能是正，视光线在光纤内部反射次数的奇偶而定。 如果是一束具有一定口径的平行光射入光纤， 位在子午面外的光线每经过一次反射都将扩散 ，因此最后射出光纤时将形成一个锥面，如图 11-5(a)所示。如果入射光是一束斜入射的光线， 出射光束如图11-5(b)所示。 光通过光纤的光能损失，可以分成两部分，一 部分是入射端面和出射端面上的反射损失，它的计算和一般透镜表面的反射损失计算相似。另一陪分是光纤内都的光能损失，它是由很多因素造成的，包括吸收