神通激光

第二节 光在“导线”中流过

　　光，能像电那样，在导线中流过吗？能。这种传光的“导线”，是一种内芯透明、外带包层的光导管。这种传光的“导线”，像电线有单芯的和多股的一样，也有单芯的和多芯复合的。由于它直径很小，只有几微米到几十微米，比头发丝还细，所以称之为光学纤维或光导纤维。

　　光导纤维为什么能够传输光呢？

　　我们先来看看日常生活中的情景吧。黑夜，我们打开手电筒，一束光就照射到对面的物体上，这因为光是直线传播的。如果要改变光的传播方向，可以在光束前进的路上放置一面反光的镜子。提到镜子，我们都不陌生，面对着镜子，可以看到身后的东西，这是因为光的反射的缘故。这些实例，都是普通光学系统传输光束和图像的原理。

　　同日常生活中的种种情景类似，光导纤维就是使光线在纤维丝内部多次反射而传输光的一种光学元件。

　　英国物理学家丁达尔曾做过一个有趣的实验，在暗室里放置一个容器，底部侧面开一个小口，水从小口自由地流出来。在对面用一束平行光束照射正在流出来的水，这时，看到一种奇妙的现象：直线前进的光，竟然顺从地沿着水流传播了。但是，光的传播方式并没有改变，仍是直线传播的，只不过由于光线在前进的路上多次碰“壁”——水流和空气的分界面，不得不调过头来——反射的结果。这样，经过多次完全内反射，光沿着弯曲的路径不断前进，最终随着水流而出。当然，也会有一部分光“掉队”的，这是由于界面上水中杂物和气泡使光发生散射而“遗漏”的，也正是因为这个缘故，水流看起来是闪亮亮的。

　　光导纤维就是这样构成的。

　　我们来看看包层式光导纤维吧。这种光导纤维，通常是由玻璃纤维芯和玻璃包皮构成的，芯的折射率比包皮的折射率略大些。芯和包皮之间有较好的光学接触，形成良好的光学界面。光导纤维的芯的直径为50—70微米，而芯和皮的总直径为100—200微米。外面，通常加有护套，带护套的光导纤维的直径也只有1毫米。

　　光在光导纤维中是怎样“流过”的呢？

　　如果光导纤维是直的，光线从垂直于纤维的端面入射，进入纤维以后，与纤维轴心线平行或重合，这时光线可以穿过纤维芯部，沿着直线方向向前传播。光线若以某一角度射到纤维的端面上，经过折射而进入纤维里面，在纤维内继续前进，又射到纤维芯与包皮之间的光滑界面上。如果入射角度选得适当，光线就会在界面上发生完全内反射，于是，就像丁达尔实验那样，光线将在纤维芯和包层的界面上不断地发生完全内反射，就这样向前传播过去。由于光导纤维的长度和直径不同，光线可能要经过几千次、几万次以至无数次反射，才能从光导纤维的一端传到另一端。

　　在实际应用中，光导纤维往往是弯曲的，只要弯曲程度在允许范围内，就不会影响光线在纤维内部的传播。这是一个很可贵的特性，正因为有这样的特性，才能利用来制造适用的光导纤维和光缆，引导激光转弯传输或辐射。

　　在光导纤维的家族中，除了上面说的包层式光导纤维外，还有其他几种：（1）自聚焦式光导纤维，利用光的聚焦性质制成的，纤维内部各处折射率不同，使光在里面传播方向发生变化；（2）液芯光导纤维，通常石英毛细管作外套管，里面充入液体作为芯，就像普通光学传光原理一样；（3）单一材料光导纤维，用激光传播损耗最低的单一材料制成，例如采用熔融石英，芯可以是圆形、方形或其他形状的，用一条薄条板架空在套管内，芯、板与套管是同一种材料制成的；（4）塑料光导纤维，用一种高度透明的聚合物塑料制造，柔软性特别好。

　　一束光从光导纤维的一端射入而从另一端射出，在纤维内传播的过程中，光能将受到损耗，也就是说，光的强度会降低。光能损耗的原因是什么呢？主要是因为：（1）纤维材料吸收，这是由于制造光导纤维的材料吸收光能并转换为热能而散失掉所造成的。（2）纤维材料散射，这是由于光在纤维中传播遇到材料的不均匀或不连续，有一部分光被散射掉。（3）光导纤维不规则，光导纤维尺寸沿长度发生变化而造成的。（4）纤维的包层损失，即光在光导纤维中传播时，一部分光穿透纤维芯和包层之间的界面而进入包皮里去，甚至会穿出包皮而散射到空间去。这在多根纤维汇集在一起而组成的光缆中造成纤维与纤维之间发生串光，对于光纤通信来说就会引起串话。（5）纤维弯曲损耗，光导纤维柔软可弯，这对传光是极为有利的，但纤维弯曲却会使光传播路径改变，因而渗透到包皮或包皮之外去，造成泄漏损失。

　　光导纤维传输光不可避免地要有光能损耗，如果采用普通光源发出的光，那么传不了多远，光能就损耗尽了。只有采用强大的激光，才能利用光导纤维传输光信号，实现光纤通信。

　　光能损耗的大小与所采用的光的波长有关系，而光的波长又取决于光源。因此，在使用时，人们选用波长处于光导纤维低损耗区的光源。例如：一般光导纤维的低损耗区的波长范围，在0.65—0.73微米波段，可选用氦氖激光器；在0.75—0.85微米波段，可选用Nd：YAG激光器。