光学纤维

用于传导光的人造纤维

光学纤维（optical fiber）是指用于传导光的人造纤维。又称光导纤维，简称光纤。基本结构是圆柱形的细长丝，直径在1—100微米之间。制造光纤的材料最常用的是二氧化硅（石英），也有用多组分玻璃或有机玻璃等。光纤的材料都要高度透明，对材料的纯度要求非常高，如通信用的光纤其材料纯度有的要求达到8个9以上。如果材料的纯度低，光在传输过程中的衰减就会很快。光纤的制造过程是将材料放在高温炉中熔化，经高速拉制成细丝。拉制工艺要求拉出的丝粗细均匀，符合光学要求。使用的光纤有两种类型：一种是反射型光纤，利用光的全反射使光沿折射路径在光纤内传播；另一种是折射型光纤，利用折射率逐渐变化使光沿曲线路径在光纤内传播。

反射型光纤

反射型光纤又称阶跃折射率光纤。

结构

如下图所示，一根纤维由两种均匀介质组成，内部叫作芯线，外部包住芯线的叫作包层。它们的折射率分别为n1和n2，且n1>n2。

传输光时在芯线内进行，光从芯线内射到包层的交界面上，入射角大于临界面角θc=arcsin(n2/n1)发生全反射。这样光就被限制在芯线内沿折线向前传播。包层的作用是减少损失和保护芯线。因为光在全反射时在界面外虽没有折射波，但有一层贴着界面的隐失波（又称衰逝波或指数衰减波），如果没有包层隐失波会被界面上和附近的微粒所散射，造成光的能量损失。

数值孔径

要使光在光纤内传播，必须保证光在芯线和包层的交界面上发生全反射。光射到交界面上的入射角φ1必须大于临界角θc。根据折射定律，这就要求光进入光纤的端面时，入射角θ0应小于θM=arcsin(n12－n22)1/2。通常把 (n12－n22)1/2=N.A. 叫作光纤的数值孔径。数值孔径越大，能够进入光纤并被传输的光就越多。

当N.A.=1时，θM=90°，这时以任何角度入射到光纤端面上的光，都能进入光纤被传输。光纤的数值孔径仅由芯线和包层的折射率n1和n2决定，而与光纤的尺寸无关。因此，选用适当的n1和n2值，可制成数值孔径较大而半径又很小的光纤，这样的光纤既便于光的输入，又柔软易于弯曲。

折射型光纤

折射型光纤又称变折射率光纤或梯度折射率光纤，它的折射率在轴线上最大，离轴线越远就越小。根据折射定律，光从折射率较大的介质进入折射率较小的介质时，光会偏离交界面的法线；反之，光从折射率较小的介质进入折射率较大的介质时，光会靠近交界面的法线。因此，光进入折射型光纤后，所走的路径便是一条周期性曲线。光到轴线的最大距离Rs相当于反射型光纤中芯线的半径，光在该处被全反射回来。但由于光不到达边界，因此就没有全反射损耗。

折射率满足一定的条件，折射型光纤可使光线聚焦。发出的光前进一段距离后，又会聚于一点，这种光纤称为自聚焦光纤。它可用来成像。

光纤的应用

光纤从20世纪60年代进入工业生产以来，理论研究和生产工艺都迅速发展，现略作介绍如下。

非相关传光束

将多根光纤捆成一束用于传光，就成为传光束。仅用于传光时，输出端面上各根光纤的排列并不需要与输入端面上的排列一一对应，这种传光束称为非相关传光束。优点是：①可以弯曲传光。直径为50微米的光纤可弯成1.0毫米的半径，光纤既不会碎裂，对传光效率的影响也很小。②入射光的孔径可以很大，有需要时可做到N.A.=1。③光束中各根光纤可任意组合或分开。④光束的横截面可任意改变形状。传光束通常作成一条绳状，常用于将光传进或传出普通光学系统不能到达的或危险的地方，尤其是需要较强光照明而又怕热的仪器设备。有的传光束一端捆在一起，另一端则分开，成为分叉传光束，以便将一个光源的光通过各支分叉传到需要光的各处。