神通激光

第二節 光在“導線”中流過

　　光，能像電那樣，在導線中流過嗎？能。這種傳光的“導線”，是一種內芯透明、外帶包層的光導管。這種傳光的“導線”，像電線有單芯的和多股的一樣，也有單芯的和多芯複合的。由於它直徑很小，隻有幾微米到幾十微米，比頭發絲還細，所以稱之為光學纖維或光導纖維。

　　光導纖維為什麽能夠傳輸光呢？

　　我們先來看看日常生活中的情景吧。黑夜，我們打開手電筒，一束光就照射到對麵的物體上，這因為光是直線傳播的。如果要改變光的傳播方向，可以在光束前進的路上放置一麵反光的鏡子。提到鏡子，我們都不陌生，麵對著鏡子，可以看到身後的東西，這是因為光的反射的緣故。這些實例，都是普通光學係統傳輸光束和圖像的原理。

　　同日常生活中的種種情景類似，光導纖維就是使光線在纖維絲內部多次反射而傳輸光的一種光學元件。

　　英國物理學家丁達爾曾做過一個有趣的實驗，在暗室裏放置一個容器，底部側麵開一個小口，水從小口自由地流出來。在對麵用一束平行光束照射正在流出來的水，這時，看到一種奇妙的現象：直線前進的光，竟然順從地沿著水流傳播了。但是，光的傳播方式並沒有改變，仍是直線傳播的，隻不過由於光線在前進的路上多次碰“壁”——水流和空氣的分界麵，不得不調過頭來——反射的結果。這樣，經過多次完全內反射，光沿著彎曲的路徑不斷前進，最終隨著水流而出。當然，也會有一部分光“掉隊”的，這是由於界麵上水中雜物和氣泡使光發生散射而“遺漏”的，也正是因為這個緣故，水流看起來是閃亮亮的。

　　光導纖維就是這樣構成的。

　　我們來看看包層式光導纖維吧。這種光導纖維，通常是由玻璃纖維芯和玻璃包皮構成的，芯的折射率比包皮的折射率略大些。芯和包皮之間有較好的光學接觸，形成良好的光學界麵。光導纖維的芯的直徑為50—70微米，而芯和皮的總直徑為100—200微米。外麵，通常加有護套，帶護套的光導纖維的直徑也隻有1毫米。

　　光在光導纖維中是怎樣“流過”的呢？

　　如果光導纖維是直的，光線從垂直於纖維的端麵入射，進入纖維以後，與纖維軸心線平行或重合，這時光線可以穿過纖維芯部，沿著直線方向向前傳播。光線若以某一角度射到纖維的端麵上，經過折射而進入纖維裏麵，在纖維內繼續前進，又射到纖維芯與包皮之間的光滑界麵上。如果入射角度選得適當，光線就會在界麵上發生完全內反射，於是，就像丁達爾實驗那樣，光線將在纖維芯和包層的界麵上不斷地發生完全內反射，就這樣向前傳播過去。由於光導纖維的長度和直徑不同，光線可能要經過幾千次、幾萬次以至無數次反射，才能從光導纖維的一端傳到另一端。

　　在實際應用中，光導纖維往往是彎曲的，隻要彎曲程度在允許範圍內，就不會影響光線在纖維內部的傳播。這是一個很可貴的特性，正因為有這樣的特性，才能利用來製造適用的光導纖維和光纜，引導激光轉彎傳輸或輻射。

　　在光導纖維的家族中，除了上麵說的包層式光導纖維外，還有其他幾種：（1）自聚焦式光導纖維，利用光的聚焦性質製成的，纖維內部各處折射率不同，使光在裏麵傳播方向發生變化；（2）液芯光導纖維，通常石英毛細管作外套管，裏麵充入液體作為芯，就像普通光學傳光原理一樣；（3）單一材料光導纖維，用激光傳播損耗最低的單一材料製成，例如采用熔融石英，芯可以是圓形、方形或其他形狀的，用一條薄條板架空在套管內，芯、板與套管是同一種材料製成的；（4）塑料光導纖維，用一種高度透明的聚合物塑料製造，柔軟性特別好。

　　一束光從光導纖維的一端射入而從另一端射出，在纖維內傳播的過程中，光能將受到損耗，也就是說，光的強度會降低。光能損耗的原因是什麽呢？主要是因為：（1）纖維材料吸收，這是由於製造光導纖維的材料吸收光能並轉換為熱能而散失掉所造成的。（2）纖維材料散射，這是由於光在纖維中傳播遇到材料的不均勻或不連續，有一部分光被散射掉。（3）光導纖維不規則，光導纖維尺寸沿長度發生變化而造成的。（4）纖維的包層損失，即光在光導纖維中傳播時，一部分光穿透纖維芯和包層之間的界麵而進入包皮裏去，甚至會穿出包皮而散射到空間去。這在多根纖維匯集在一起而組成的光纜中造成纖維與纖維之間發生串光，對於光纖通信來說就會引起串話。（5）纖維彎曲損耗，光導纖維柔軟可彎，這對傳光是極為有利的，但纖維彎曲卻會使光傳播路徑改變，因而滲透到包皮或包皮之外去，造成泄漏損失。

　　光導纖維傳輸光不可避免地要有光能損耗，如果采用普通光源發出的光，那麽傳不了多遠，光能就損耗盡了。隻有采用強大的激光，才能利用光導纖維傳輸光信號，實現光纖通信。

　　光能損耗的大小與所采用的光的波長有關係，而光的波長又取決於光源。因此，在使用時，人們選用波長處於光導纖維低損耗區的光源。例如：一般光導纖維的低損耗區的波長範圍，在0.65—0.73微米波段，可選用氦氖激光器；在0.75—0.85微米波段，可選用Nd：YAG激光器。