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光纖光學系統

11-1概述光纖一般是指由透明介質構成的，直徑與長度之比小於1：1000的細絲。光線由光纖的一端入射，沿著光纖傳播，最後由另一端出射。單條光纖只能起傳光的使用，不能成像，如圖11-1所示，如果把許多光纖固定在一起，構成光纖束，就可以把具有一定面積的像面，通過每根光纖，逐點地把像山光纖束的一端傳至另一端。圖11-1用來傳遞光能的單根光纖或光纖束，統稱為光纖光學元件。它早在本拙紀50年代就開始出現，目前巳影減一系列實用化的光纖光學儀器，它們能夠完成很多傳統光學儀所無法完成的任務。其中應用最廣的是醫學私工業上廣泛使用的各種內窺鏡。近年來，一種新的梯度折射率光纖，在通訊系統中得到了迅速的發展，它正在使整個通訊系統發生一次革命，由於光纖的應用日益擴大，因此對光纖的研究也不斷深入。光纖根據它們傳輸光線的方式不同，可以分成兩大類，一類是由均勻透明介質構成的，光線使光纖內部通過表面的全反射和直線傳播進行傳輸，稱為全反射光纖或階梯型光纖。另一類光纖由非均勻介質構成，中心折射率高，邊緣折射率低，光線在光纖內部沿著曲線傳播，稱為梯度折射率光纖，這兩類光纖傳播光線的方式不同，應用的範圍也不同，本章將分別介紹它們的工作原理和應用。$11-2全反射光纖的光學性質圖11-2大多數光纖的直徑比光的波長大得多，對這類光纖可以用幾何光學的方法研究它的光學性質，本節研究全反射光纖的光學性質。最簡單的光纖是由均勻透明介質構成的圓柱形細絲，稱為單質光纖，如圖11-2所示。光線在光纖內表面發生多次全反射，使光線由一端沿著光纖傳播至另一端。這種光纖的缺點是光纖表面的很小的缺陷，塵埃，汙物都將使光發生散射而射出光纖，引起光能損失。在一般光學系統中的全反射棱鏡的反射面上，雖然也存在這些缺陷，但是在一個棱鏡系統中只有若干次反射，因而影響不大。而在光纖中，光線可能要經過上千次上萬次全反射，如果每次全反射都損失一部分光能，總的損失就十分可觀了。這種單質光纖特別不適用於傳像的光纖束，因為在光纖束中，光纖之間是緊密接蝕的，光線有可能從一根光纖透人另一根光纖，這將影響傳像的清晰度。為了克服光纖的上述缺點，在光纖的外面包上一層折射率比芯料低的玻璃，如圖11-3所示，這樣的光纖稱為外包光纖。在這種光纖中，光線在光纖內外兩種玻碗的分界面上進行全反射。這樣光纖表面的缺陷和汙物，就不會影響全反射。目前使用的光纖大多屬於外包光纖。圖11-3外包光纖的光學性質設光纖芯料的折射率為n，外包材料的折射率為n，並且nn，光纖所在空間介質的折射率為n0，如圖11-4所示。欲使光線在光纖的內外介質分界面上發生全反射，則入射角I須大於或等於臨界角Imin。由圖11-4得由上式得到將代人上式簡化得光線在光纖端面上發生折射，根據折射定律有以上公式中，為光線在光纖端面與光纖軸線的夾角，稱為光纖的數值孔徑。和一般光學系統對應，數值孔徑用符號NA代表（11-1）對位在空氣中的單質光纖，可以看作是n‘=l的外包光纖，將n’=l代入NA公式，得到單質光纖的數值孔徑公式（11-2）由公式11-1、11-2可以看到，外包光纖的數值孔徑總是比同一芯料的單質光纖小。在實際使用中，一般入射光束的數值孔徑都小於光纖的數值孔徑，因此光纖的數值孔徑代表了光纖的傳光能力，它是光纖的重要性能指標。圖11-4欲增大光纖的數值孔徑，必須增加內外兩種玻璃的折射率差。由於高折射率光學玻璃的發展，目前玻璃光纖的最大放值孔徑可以達到1.4。當然對NA大於1的情形，光纖的兩端必須位在浸液中，好象顯微物鏡的數值孔徑大於l肘，必須採用浸液物鏡一樣。超出光纖數值孔徑的光線，就會漏出光纖，並進入相鄰的光纖，這種光線，對傳像光纖束就會降低像的清晰度，形成雜訊。為了防止漏光，在光纖的外包層外邊，再用一層由高吸收玻璃構成的包層。它可以把漏光吸收，防止嗓聲的產生。上面的討論實際上僅限於位在過光纖對稱軸線的截面內的光線，相當於共軸系統中的子午光線。這些光線在光纖中永遠位在同一平面內。假定光纖是直的，則出射光線與光纖軸線的夾角等於入射光線與光纖軸線的夾角，但角度可能是負，也可能是正，視光線在光纖內部反射次數的奇偶而定。如果是一束具有一定口徑的平行光射入光纖，