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光纤光学知识教学案例.ppt第十一章光纤光学系统11-1概述光纤一般是指由透明介质构成的,直径与长度之比小于1:1000的细丝。光线由光纤的一端入射,沿着光纤传播,最后由另一端出射。单条光纤只能起传光的使用,不能成像,如图11-1所示,如果把许多光纤固定在一起,构成光纤束,就可以把具有一定面积的像面,通过每根光纤,逐点地把像山光纤束的一端传至另一端。图11-1用来传递光能的单根光纤或光纤束,统称为光纤光学元件。它早在本拙纪50年代就开始出现,目前巳影减一系列实用化的光纤光学仪器,它们能够完成很多传统光学仪所无法完成的任务。其中应用最广的是医学私工业上广泛使用的各种内窥镜。近年来,一种新的梯度折射率光纤,在通讯系统中得到了迅速的发展,它正在使整个通讯系统发生一次革命,由于光纤的应用日益扩大,因此对光纤的研究也不断深入。光纤根据它们传输光线的方式不同,可以分成两大类,一类是由均匀透明介质构成的,光线使光纤内部通过表面的全反射和直线传播进行传输,称为全反射光纤或阶梯型光纤。另一类光纤由非均匀介质构成,中心折射率高,边缘折射率低,光线在光纤内部沿着曲线传播,称为梯度折射率光纤,这两类光纤传播光线的方式不同,应用的范围也不同,本章将分别介绍它们的工作原理和应用。$11-2全反射光纤的光学性质图11-2大多数光纤的直径比光的波长大得多,对这类光纤可以用几何光学的方法研究它的光学性质,本节研究全反射光纤的光学性质。最简单的光纤是由均匀透明介质构成的圆柱形细丝,称为单质光纤,如图11-2所示。光线在光纤内表面发生多次全反射,使光线由一端沿着光纤传播至另一端。这种光纤的缺点是光纤表面的很小的缺陷,尘埃,污物都将使光发生散射而射出光纤,引起光能损失。在一般光学系统中的全反射棱镜的反射面上,虽然也存在这些缺陷,但是在一个棱镜系统中只有若干次反射,因而影响不大。而在光纤中,光线可能要经过上千次上万次全反射,如果每次全反射都损失一部分光能,总的损失就十分可观了。这种单质光纤特别不适用于传像的光纤束,因为在光纤束中,光纤之间是紧密接蚀的,光线有可能从一根光纤透人另一根光纤,这将影响传像的清晰度。外包光纤的光学性质设光纤芯料的折射率为n,外包材料的折射率为n',并且n>n',光纤所在空间介质的折射率为n0,如图11-4所示。欲使光线在光纤的内外介质分界面上发生全反射,则入射角I须大于或等于临界角Imin。由图11-4得由上式得到将代人上式简化得光线在光纤端面上发生折射,根据折射定律有以上公式中,为光线在光纤端面与光纤轴线的夹角,称为光纤的数值孔径。和一般光学系统对应,数值孔径用符号NA代表(11-1)对位在空气中的单质光纤,可以看作是n‘=l的外包光纤,将n’=l代入NA公式,得到单质光纤的数值孔径公式(11-2)由公式11-1、11-2可以看到,外包光纤的数值孔径总是比同一芯料的单质光纤小。在实际使用中,一般入射光束的数值孔径都小于光纤的数值孔径,因此光纤的数值孔径代表了光纤的传光能力,它是光纤的重要性能指标。图11-4欲增大光纤的数值孔径,必须增加内外两种玻璃的折射率差。由于高折射率光学玻璃的发展,。当然对NA大于1的情形,光纤的两端必须位在浸液中,好象显微物镜的数值孔径大于l肘,必须采用浸液物镜一样。超出光纤数值孔径的光线,就会漏出光纤,并进入相邻的光纤,这种光线,对传像光纤束就会降低像的清晰度,形成噪声。为了防止漏光,在光纤的外包层外边,再用一层由高吸收玻璃构成的包层。它可以把漏光吸收,防止嗓声的产生。上面的讨论实际上仅限于位在过光纤对称轴线的截面内的光线,相当于共轴系统中的子午光线。这些光线在光纤中永远位在同一平面内。假定光纤是直的,则出射光线与光纤轴线的夹角等于入射光线与光纤轴线的夹角,但角度可能是负,也可能是正,视光线在光纤内部反射次数的奇偶而定。如果是一束具有一定口径的平行光射入光纤,位在子午面外的光线每经过一次反射都将扩散,因此最后射出光纤时将形成一个锥面,如图11-5(a)所示。如果入射光是一束斜入射的光线,出射光束如图11-5(b)所示。光通过光纤的光能损失,可以分成两部分,一部分是入射端面和出射端面上的反射损失,它的计算和一般透镜表面的反射损失计算相似。另一陪分是光纤内都的光能损失,它是由很多因素造成的,包括吸收,散射,和非全反射等等,综合的结果可用下式表示I0和I分别为入射和透射的光强度,L为光纤的长度,为衰减系数,它是入射光锥角U和波长λ的函数,同时也和光纤类型有关。对一般的高透过率光纤,在可见光的中心波段,-1当光纤发生弯曲时,一般弯曲半径比光纤直径大得多,对光纤的工作性质几乎没有影响,实验证明当弯曲半径大于20倍光纤直径时,光纤的数值孔径,透过率等光学性质仍无显著变化。(a)(b)图1