神通激光

第三节 纤纤细丝传图像

　　光导纤维不但能够传输光，还能够传送图像。那么，光导纤维又是怎样传送图像的呢？

　　把一定数量的单根纤维合在一起，就构成了多芯的光导纤维束，或叫做光缆。在光导纤维束中，每根光导纤维之间有良好的光学绝缘，也就是说，每根光导纤维都独立传光，而不会发生光“串门”——从一根纤维串入另一根纤维的现象，并且，光导纤维束的两端都一一对应地相关排列，这样就构成了传像的光导纤维束。

　　当来自图像的光束入射在传像光导纤维束的端面上时，光导纤维束就按自己的排列规律，把图像的光束分成一个一个像元，数目和光导纤维束中的纤维根数相等。这正像大型团体操表演时，在主席台对面的看台上，巨幅的背景画面被分割成许多小块，由每一个人手中的一块一块的图形拼起来的那样。其中，每一小块图形，就是一个“像元”。从这里可以看出，光导纤维束的每一根光导纤维的入射端面就像一个取像孔，将图像的一个像元“摄取”来；每一根光导纤维都独立地“携带”一个像元，由入射端传送到出射端。换句话说，传像纤维束把入射端的图像分成一个一个像点，传到出射端之后，又由一个一个像点组合成图像，就好像网纹照片都是由一个一个小黑点组成的。不过，光导纤维传像的像点非常细密，因此，在光导纤维束的出射端就可以得到和入射端的图像完全一样的图像。

　　光导纤维传送图像，是由光信号在纤维内传输完成的。如前面介绍的，光波是电磁波，而电磁波是以电磁场在空间相互交替着向前传播的。光波在光导纤维内传播时，有通过完全内反射而向前传播的波，又有从中途或末端反射回来的波，还有在不均匀的界面上反射的波，这些光波在纤维芯内相互重迭、相互干涉，形成了各种各样的电磁场分布形式。这样一来，激光器发射给圆柱形纤维入射端的一个完整圆形光斑的信号，经过纤维传送一段距离之后，在纤维出射端的截面上的信号却分裂成几个小光斑。这种光斑，正是出射端截面处的电磁场分布“图像”。我们把电磁场的各种分布形式称为“模式”。要想使光导纤维传输无失真，就是说，从激光器发射给纤维入射端面的是圆形光斑，在纤维终端仍然能得到圆形光斑，那么，就要保持纤维以不变的模式——基模传输。如果一个圆形光斑经过纤维传输后分裂成许多小光斑，就出现了许多杂散的“模式”，叫做高次模。这些杂散模在纤维中传输的速度和基模不一样，因而到达终端的时间不一样，产生了所谓的“延时失真。”。

　　一束光线投射到光导纤维端面上，光线入射角度越大，在光导纤维中传输的反射次数就越多，经过的路程也越长，因而所需要的时间将越长。于是，本来同时射入纤维端面的一束光线，由于其中各光线入射角度不同，到达终端时就出现了有先有后的时间差，因而造成光信号中各模式光波之间在时间上的延迟。光导纤维越长，“先进的”光线把“落后的”光线拉下的越远，也就是说，延迟时间就越长。如果给入射端送入的是一个具有一定宽度的脉冲，那么，由于在纤维中存在着高次模，光脉冲传到终端时展宽了。这种现象叫做脉冲信号的“延时失真”。

　　入射到光导纤维的光，如果不是单一频率的光，而是由不同频率所组成的光，那么，光的频率不同，在纤维中的传播速度也就不同。所以，一束光从空气射入纤维之后，在纤维中将产生不同角度的折射，以致到达出射端时就会出现时间上的差别，这种现象叫做色散效应。这种现象是造成信号失真或脉冲展宽的另一原因。例如，一种镓铝砷发光二极管发出的光，谱线宽度为0.055微米，造成脉冲响应展宽为1.75——2纳秒/公里；一种名叫双异质结半导体激光器发出的光，谱线宽度不到0.002微米，造成脉冲响应展宽很小；另一种Nd：YAG固体激光器发出的光，谱线宽度不到0.0001微米，造成的脉冲响应展宽可以忽略不计。

　　那么，怎样减少信号的延时失真呢？采用自聚焦多模纤维，可以显著改善信号的延时失真。自聚焦纤维与包层式纤维的结构不同，传光方式也不同。包层式纤维由两种具有不同折射率的玻璃拉制成，芯纤维与包皮有明显的界面，光在界面上产生全反射，形成锯齿形反射传播路线。而自聚焦纤维的横截面上，折射率从轴心沿半径方向大致以抛物线形状连续下降，轴心折射率最大，边缘折射率最小。由于纤维中各处折射率不同，光在纤维中传播时方向就要改变。

　　一根自聚焦光导纤维相当于许多微型透镜的组合。一束平行光通过一个双凸透镜后向中部会聚起来，叫做光的聚焦。自聚焦光导纤维就是利用这种聚焦性质制成的。自聚焦光导纤维对光产生聚焦作用，迫使光在纤维芯内传播，光自动地向轴线方向逐渐折回靠拢，形成一个形近正弦曲线的传播途径。

　　光线在自聚焦纤维中是沿着近似于正弦形路线传播的，它经过的光程要短得多，而且没有界面上的全反射损耗。因此，自聚焦光导纤维的光透过率比包层式光导纤维的光透过率要高得多。

　　自聚焦光导纤维不仅可以改善延时失真，而且可以简化图像传输系统，这样，用一根光导纤维就能够传送一幅完整的图像。这对于光导纤维传送图像来说是很有利的。

　　光导纤维能够以任意弯曲形状、任意长度来传送图像，使一些光学系统结构得到简化、像质得到改善。由于这个缘故，光导纤维作为一种性能优良的光学元件，不仅在光纤通信和图像信息处理领域发挥着重要作用，而且在多种光学仪器和光电子器件制造方面得到了广泛的应用。

　　一种光导纤维潜望镜。它的基本结构像医用听诊器。它是一种叉形纤维束：上端有两个分支，一支是观察目镜或者同光电接收器连接，用来观察或接收图像、信号；另一支同光源相接，用来传输光，以照明被观测的物体或目标。它的下端，是两支任意并在一起的探测头。为了提高探测效果，前端可采用成像物镜，以使所观测的物体或目标成像在探头的端面上。这种潜望镜，可以直接用于观察，也可以同光电系统接起来，用于对危险区域或快速运动物体、目标的观测。

　　医用的光导纤维内窥镜。它包括成像、传像和观察记录3个部分。一种高强度光源的光通过光导纤维束的传光束送到内窥镜探测头，通过导光孔照明被观测物体。被观测物体的像通过观察窗而入射，经物镜成像后，由光导纤维束送到目镜和照相机。

　　光导纤维的成功应用，使激光已经能够随各种体腔镜进入人体体腔内部，施行直观手术处理。如光纤可通过血管直入心脏，并且已经有人成功地完成了栓塞汽化的手术，从而使激光进入人体禁区。

　　如果将大量的光导纤维相互平行整齐地排列而熔压在一起，就形成了传递光学像的光导纤维面板。它能够直接将光学像从面板入射面移到出射面，大大缩小系统的体积，因此已普遍地用在需要接触照相、记录和耦合技术方面。光导纤维面板在阴极射线管中的应用，它大大提高了传真图像质量和记录速度。此外，它还可以用于变像管和摄像管中。