光纤传光的原理和特性

1.光纤传光原理

光导纤维有芯型结构和芯皮结构两种。取一根芯型结构的光纤，把它切断后放在显微镜下观察，发现它的断面很像胡萝卜，中央有一个芯子，芯子的直径只有几十微米。芯的周围有一层包皮，整个纤维的外径约为100～200μm。芯子用高折射率的石英玻璃做成，包层是低折射率的玻璃或塑料做成。芯皮结构的光纤是先用包层材料做成空心毛细管，中间孔径很小，然后再用高压将折射率高的液体注入管中而制成。

从物理光学可知，当光线从光密介质进入光疏介质时，它的传播方向将发生改变。一般情况下，光线就在该处一部分折射到光疏介质中，一部分反射回光密介质。但是，如果光线的入射角增大到一定角度时，光线就会从两种介质的分界面上全部反射回光密介质中，而没有光线透射到光疏介质，这就是全反射现象。产生全反射的光的入射角叫做临界角。这时，对光来说，两种介质的界面就起到了壁垒的作用，如图10.3-1所示。

光导纤维芯子的折射率n1要略大于皮层介质的折射率n2，当光线从芯子入射，其入射角大于或等于临界角时，光线就会产生全反射。在界面经过无数次反射，呈锯齿状线路在芯子内向前传播，最后送至光纤的另一端，这就是光纤传光的基本原理。光线在光纤中的传播形式如图10.3-2所示。

2.光纤的主要特性参数

（1）数值孔径（NA）。光线在光纤中全反射的入射角大小称为光导纤维的孔径角，孔径角的正弦与入射光线所在媒质的折射率的乘积称之为数值孔径。

数值孔径是表示光导纤维集光能力的一个参量，它越大表示光导纤维接收的光通量越多。这有利于耦合效率的提高。但数值孔径越大，光信号畸变也越严重，所以要适当选择。

图10.3-1　光的折射和反射

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图10.3-2　光在光纤中的传播

（2）光纤模式。光纤模式简单地说就是光波沿着光纤传播的途径和方式。不同入射角度的光线，在界面上反射的次数是不同的，传递的光波之间的干涉所产生的横向强度分布叫模式。在光纤中传播的模式很多对信息的传播是不利的，因为同一种光信号采取很多模式传播就会使这一光信号分为不同时间到达接收端的多个小信号，从而导致合成信号的畸变，因此，希望光纤模式数量越少越好。

（3）传输损耗。由于光纤纤芯材料的吸收、散射、光纤弯曲处的辐射损耗等的影响，光信号在光纤中的传播不可避免地要有损耗，光纤的传输损耗A可用下式表示

式中 l——光纤长度；

　　 α——光纤单位长度上的损耗；

　　 I0——光纤入射端光强；

　　 I——光纤输出端光强。

图10.3-3　全反射式位移传感器