神通激光

第三節 纖纖細絲傳圖像

　　光導纖維不但能夠傳輸光，還能夠傳送圖像。那麽，光導纖維又是怎樣傳送圖像的呢？

　　把一定數量的單根纖維合在一起，就構成了多芯的光導纖維束，或叫做光纜。在光導纖維束中，每根光導纖維之間有良好的光學絕緣，也就是說，每根光導纖維都獨立傳光，而不會發生光“串門”——從一根纖維串入另一根纖維的現象，並且，光導纖維束的兩端都一一對應地相關排列，這樣就構成了傳像的光導纖維束。

　　當來自圖像的光束入射在傳像光導纖維束的端麵上時，光導纖維束就按自己的排列規律，把圖像的光束分成一個一個像元，數目和光導纖維束中的纖維根數相等。這正像大型團體操表演時，在主席台對麵的看台上，巨幅的背景畫麵被分割成許多小塊，由每一個人手中的一塊一塊的圖形拚起來的那樣。其中，每一小塊圖形，就是一個“像元”。從這裏可以看出，光導纖維束的每一根光導纖維的入射端麵就像一個取像孔，將圖像的一個像元“攝取”來；每一根光導纖維都獨立地“攜帶”一個像元，由入射端傳送到出射端。換句話說，傳像纖維束把入射端的圖像分成一個一個像點，傳到出射端之後，又由一個一個像點組合成圖像，就好像網紋照片都是由一個一個小黑點組成的。不過，光導纖維傳像的像點非常細密，因此，在光導纖維束的出射端就可以得到和入射端的圖像完全一樣的圖像。

　　光導纖維傳送圖像，是由光信號在纖維內傳輸完成的。如前麵介紹的，光波是電磁波，而電磁波是以電磁場在空間相互交替著向前傳播的。光波在光導纖維內傳播時，有通過完全內反射而向前傳播的波，又有從中途或末端反射回來的波，還有在不均勻的界麵上反射的波，這些光波在纖維芯內相互重迭、相互幹涉，形成了各種各樣的電磁場分布形式。這樣一來，激光器發射給圓柱形纖維入射端的一個完整圓形光斑的信號，經過纖維傳送一段距離之後，在纖維出射端的截麵上的信號卻分裂成幾個小光斑。這種光斑，正是出射端截麵處的電磁場分布“圖像”。我們把電磁場的各種分布形式稱為“模式”。要想使光導纖維傳輸無失真，就是說，從激光器發射給纖維入射端麵的是圓形光斑，在纖維終端仍然能得到圓形光斑，那麽，就要保持纖維以不變的模式——基模傳輸。如果一個圓形光斑經過纖維傳輸後分裂成許多小光斑，就出現了許多雜散的“模式”，叫做高次模。這些雜散模在纖維中傳輸的速度和基模不一樣，因而到達終端的時間不一樣，產生了所謂的“延時失真。”。

　　一束光線投射到光導纖維端麵上，光線入射角度越大，在光導纖維中傳輸的反射次數就越多，經過的路程也越長，因而所需要的時間將越長。於是，本來同時射入纖維端麵的一束光線，由於其中各光線入射角度不同，到達終端時就出現了有先有後的時間差，因而造成光信號中各模式光波之間在時間上的延遲。光導纖維越長，“先進的”光線把“落後的”光線拉下的越遠，也就是說，延遲時間就越長。如果給入射端送入的是一個具有一定寬度的脈衝，那麽，由於在纖維中存在著高次模，光脈衝傳到終端時展寬了。這種現象叫做脈衝信號的“延時失真”。

　　入射到光導纖維的光，如果不是單一頻率的光，而是由不同頻率所組成的光，那麽，光的頻率不同，在纖維中的傳播速度也就不同。所以，一束光從空氣射入纖維之後，在纖維中將產生不同角度的折射，以致到達出射端時就會出現時間上的差別，這種現象叫做色散效應。這種現象是造成信號失真或脈衝展寬的另一原因。例如，一種镓鋁砷發光二極管發出的光，譜線寬度為0.055微米，造成脈衝響應展寬為1.75——2納秒/公裏；一種名叫雙異質結半導體激光器發出的光，譜線寬度不到0.002微米，造成脈衝響應展寬很小；另一種Nd：YAG固體激光器發出的光，譜線寬度不到0.0001微米，造成的脈衝響應展寬可以忽略不計。

　　那麽，怎樣減少信號的延時失真呢？采用自聚焦多模纖維，可以顯著改善信號的延時失真。自聚焦纖維與包層式纖維的結構不同，傳光方式也不同。包層式纖維由兩種具有不同折射率的玻璃拉製成，芯纖維與包皮有明顯的界麵，光在界麵上產生全反射，形成鋸齒形反射傳播路線。而自聚焦纖維的橫截麵上，折射率從軸心沿半徑方向大致以拋物線形狀連續下降，軸心折射率最大，邊緣折射率最小。由於纖維中各處折射率不同，光在纖維中傳播時方向就要改變。

　　一根自聚焦光導纖維相當於許多微型透鏡的組合。一束平行光通過一個雙凸透鏡後向中部會聚起來，叫做光的聚焦。自聚焦光導纖維就是利用這種聚焦性質製成的。自聚焦光導纖維對光產生聚焦作用，迫使光在纖維芯內傳播，光自動地向軸線方向逐漸折回靠攏，形成一個形近正弦曲線的傳播途徑。

　　光線在自聚焦纖維中是沿著近似於正弦形路線傳播的，它經過的光程要短得多，而且沒有界麵上的全反射損耗。因此，自聚焦光導纖維的光透過率比包層式光導纖維的光透過率要高得多。

　　自聚焦光導纖維不僅可以改善延時失真，而且可以簡化圖像傳輸係統，這樣，用一根光導纖維就能夠傳送一幅完整的圖像。這對於光導纖維傳送圖像來說是很有利的。

　　光導纖維能夠以任意彎曲形狀、任意長度來傳送圖像，使一些光學係統結構得到簡化、像質得到改善。由於這個緣故，光導纖維作為一種性能優良的光學元件，不僅在光纖通信和圖像信息處理領域發揮著重要作用，而且在多種光學儀器和光電子器件製造方麵得到了廣泛的應用。

　　一種光導纖維潛望鏡。它的基本結構像醫用聽診器。它是一種叉形纖維束：上端有兩個分支，一支是觀察目鏡或者同光電接收器連接，用來觀察或接收圖像、信號；另一支同光源相接，用來傳輸光，以照明被觀測的物體或目標。它的下端，是兩支任意並在一起的探測頭。為了提高探測效果，前端可采用成像物鏡，以使所觀測的物體或目標成像在探頭的端麵上。這種潛望鏡，可以直接用於觀察，也可以同光電係統接起來，用於對危險區域或快速運動物體、目標的觀測。

　　醫用的光導纖維內窺鏡。它包括成像、傳像和觀察記錄3個部分。一種高強度光源的光通過光導纖維束的傳光束送到內窺鏡探測頭，通過導光孔照明被觀測物體。被觀測物體的像通過觀察窗而入射，經物鏡成像後，由光導纖維束送到目鏡和照相機。

　　光導纖維的成功應用，使激光已經能夠隨各種體腔鏡進入人體體腔內部，施行直觀手術處理。如光纖可通過血管直入心髒，並且已經有人成功地完成了栓塞汽化的手術，從而使激光進入人體禁區。

　　如果將大量的光導纖維相互平行整齊地排列而熔壓在一起，就形成了傳遞光學像的光導纖維麵板。它能夠直接將光學像從麵板入射麵移到出射麵，大大縮小係統的體積，因此已普遍地用在需要接觸照相、記錄和耦合技術方麵。光導纖維麵板在陰極射線管中的應用，它大大提高了傳真圖像質量和記錄速度。此外，它還可以用於變像管和攝像管中。