传导光线的玻璃纤维

传导光线的玻璃纤维

就像水在管子中流动，电用导线来输送一样，光也能在“管子”里传导，这种管子就是“光导纤维”，它和玻璃微珠一样也是玻璃家族新一代中耀眼的明星。现代科学技术中，尤其是通信技术领域和医学界，光导纤维得到了广泛的应用。

光导纤维在通信技术领域得到了最广泛的应用，即光导纤维通信。上世纪60年代以来，光源和光纤方面取得的光辉的成就，使光导纤维通信获得突飞猛进的发展。光源激光的方向性强、频率高，是进行光通信的理想光源；光波频带宽，与电波通信相比，能提供更多的通信通路，可满足大容量通信系统的要求。因此，光纤通信与卫星通信并称为通信领域里最活跃的两种通信方式。采用光导纤维通讯，可以能节省大量的金属资源，它使用寿命长，结构紧凑，体积小，性能比电缆好得多，而且具有容量大、抗干扰性好、能量衰耗小，传送距离远、重量轻、绝缘性能好、保密性强、成本低等优点。如果采用激光通讯，一条光电缆能同时接通100亿条电话线路和1000万套电视通讯，可供全世界每人2部电话使用。而且光导纤维通讯的频率范围宽、传递的音质好、图像清晰、色彩逼真。同时，由于光导纤维通讯的光能频率高，具有极好的抗干扰性，特别是使用激光光源时更为突出，把抗干扰性又提高了一步。光能在光导纤维中屏蔽传导、不易泄露、不易被截获、具有良好地保密性。更不受空间各种频率电磁波的干扰，也不会受到风、雨、雷、电的影响，是真正的全天候式安全通讯技术。

在医学界，光导纤维也是医生的宠儿，被用于制作观察食道、直肠、膀胱、子宫、胃等内部器官的内窥镜和不必开刀就可以直接插入身体内部，由光导纤维将激光传递到手术部位，将病变组织切除的外科手术激光刀。

现在你是不是心存疑惑呢，初中课本告诉我们“光沿直线传播”，那么长达万里的通讯光纤，还有那形态万千的医学仪器，是不是都是直线形的呢？当然不是。下面让我们看一下光在光导纤维中是怎么传播的吧。

其实，光沿着直线传播是千真万确的事实，而传播光的光导纤维是弯曲的也不假，这两个结论都是对的，互相并不矛盾。只是这两个结论都要是在一定条件下才能成立的。光在同一种物质里传播的路线确实是直线。但如果光从一种物质进入另一种物质时，光的传播方向通常会改变。平面镜将光线反射，光线斜射入水或玻璃等物质会发生折射，这些现象中光的传播方向也发生了变化。

往往光的折射和反射是相伴而生的，但当光由光密介质“折射率大的物质”进入光疏介质“折射率小的物质”时，能够在这两种介质的交界面上产生全反射，即光不进入折射率小的介质、而全部返回到折射率大的介质中。

因此，用玻璃纤维作为光密介质，光束玻璃纤维中传导时，光束遇到玻璃纤维的截面就发生全反射，所以不管玻璃纤维弯曲成什么形状，都能在终端接收到这束光线。这种利用光的全反射作用来传导光线的玻璃细丝，叫做光导纤维。为了更好的让光线在光导纤维中传播，我们长在这些玻璃细丝外加上一层外皮，外皮层的折射率通常比玻璃细丝的折射率要小。这样，进入玻璃细丝的光线在其中与外皮层的界面上作多次全反射而曲折前进，就像光线被外皮层紧紧地封闭在其中，不会外露。光线只能沿着玻璃细丝传送，就好像自来水只能在水管里流动那样。而我们通常将其中的玻璃纤维细丝叫做芯线。

大家都知道，光在物质中传导会被吸收或散射一部分而逐渐减弱。为了减少光在光导纤维中长距离传导时的损耗，应该采取以下技术措施：

首先，要采用超纯石英玻璃来制造光导纤维，以尽量减少光导纤维中的杂质。其次，尽量改善玻璃内部结构上的均匀性。第三，采用波长较长的激光束进行传导，以提高光导纤维的传导效果。

管棒法，是制作光导纤维的最常用的方法。管棒法，顾名思义就是将折射率较大的玻璃棒，插入到折射率较小的玻璃管中，加热至熔融状态，拉伸成内外两层的玻璃纤维长丝。

目前所生产的光导纤维分为单模光导纤维和多模光导纤维两种。模指的是传导光线的路径。单模光导纤维，芯线直径一般都在10微米以下，外径也不超过125微米，1000米长的单模光纤，重量只有27克，传送波长为1．55微米的激光时，每传播1000米，光能的损耗不到0．2分贝，一条单模光导纤维一次也只能有一束光线大致沿芯线的中心传播；而多模光导纤维比较粗，芯径为50微米，外径为125微米，光线可以在光纤中沿着多条路径传播。