揭秘光导纤维

随着科学技术的迅速发展，光导纤维现已成为大有前途的新型基础材料。与之相伴的光纤技术也以新奇、便捷受到人们的喜爱。

　　

　　诞生源于做实验

　　

　　1870年初春的一天，英国著名的物理学家丁铎尔在暗室里做试验，一股水流从容器的侧壁孔中向外流㈩。当人们从侧壁给水照明吋，惊奇地发现，本来直线传播的光，现在竟沿着这股弯曲的水流在耀动，变得弯曲了。这个有趣的实验，给大家留下了深刻的印象，并因此而产生人们难以估量的社会影响。

　　后来，人们用玻璃纤维模拟这股水流，制成了玻璃光导纤维。玻璃纤维的一端截面对准某一物体，不管它弯曲成什么样的角度和形状，都能从另一端的截面上清楚地看出射入的图像。

　　光是沿直线传播的，而光导纤维则是弯弯曲曲的，光是怎样从这一端传送到那一端呢?原来，光由折射率大的物质进入折射率小的物质时，在两种物质的交界面上会产生全反射，使光不进入折射率小的物质，而全部返回到折射率大的物质中。光导纤维一般由两层组成，里面一层称为内芯，直径几十微米，但折射率较高：外面一层称包层，折射率较低。从光导纤维一端入射的光线，经内芯反复折射而传到末端，由于两层折射率的差别，使进入内芯的光始终保持在内芯中传输。

　　

　　结构新奇有特性

　　

　　光纤按传递光的波长分为可见光、红外线、紫外线和激光传导纤维。根据其纤维结构的不同，又有芯皮型和自聚集型两大类。取下一截芯皮型结构光导纤维放在显微镜下观察，会看到断面中央有一根芯、直径只有几十微米，芯的四周是一圈包皮。芯是用折别率高的透明玻璃材料做成，包皮则用折射串低的玻璃或塑料做成。另一类自聚焦光导纤维传导光线的工作原理和芯皮型结构光导纤维有很大不同。这类光导纤维由许多微型透镜组成，能迫使入射光线逐渐自动吔向纤维的中心轴方向靠拢，进行聚焦，由此保证入射光线不会从纤维材料中漏出去。 光纤根据其芯材的不同，有石英系光纤、多组分玻璃光纤和塑料光纤之分。二氧化硅是制造前两种光导纤维的重要原料，从高纯度的二氧化硅或称石英玻璃熔融体中，拉出直径约100微米的细丝，称为石英玻璃纤维。普通玻璃虽然可以透光，但在传输过程中损耗大，用石英玻璃纤维光损耗则可大为降低。塑料光纤直径大、弯曲特性好、不易破断、重量轻、色散小、成本低，具有更多的优点。光的传输距离与光导纤维的光损耗大小有关，光损耗小，传输距离就长，否则就需要用中继器把衰减的信号放火。用最新的氟玻璃制成的光导纤维，可以把光信号传输到太平洋彼岸而不需任何中继站。

　　在实际使用时，常把千百根光导纤维组合在一起并加以增强处理，制成像电缆一样的光缆，这样既提高了光导纤维的强度，又大大增加了通信容量。同样100米长的铜电缆和光缆，若传递信息的频带宽同为40000兆赫兹，铜电缆需直径58毫米的铜缆656股，总重量近220吨，电缆外部的直径为1458毫米，耗资131万美元。而光缆只要一根直径为8.7毫米的光纤，其总重量仅为6.6千克，费用只需680美元。

　　

　　电信领域显身手

　　

　　光也是一种电磁波，它可以像无线电波那样，作为一种载体来传递息。载有声音、图像以及各种数字信号的激光从光纤的一端输入，就可以沿着光纤传到千里以外的另一端，实现光纤通信。光纤通信的优点是容量大、衰减小、抗干扰性强，

　　法国专门从事计算机、电子设备、信号处理和图像技术的波根实验室，利用光的孤波子和短脉冲，可在光纤内实现无失真传输。这一技术可解决色散和非线性效应问题，无需沿光缆设置多个再生装置。工作时只需在每100千米左右的地方设置一个放大器。孤波子波就可以相互穿越，互不干扰。

　　用光缆代替通信电缆，可以节省大量有色金属，每千米可节省铜1.1吨、铅2～3吨。光缆有质量轻、体积小、结构紧凑、绝缘性能好、寿命长、输送距离长、保密性好、成本低等优点。光纤通信与数字技术及计算机结合起来，可以用于传送电话、图像、数据、控制电子设备和智能终端等，起到部分取代通信卫星的作用。

　　近年来，由于光纤通信的异军突起，以海底光缆代替海底电缆已成为发展趋势。目前，全世界已经铺设海底光缆达40万千米，这个长度可以绕地球10圈。而且，由于两端采用了激光器，在传输中已经不再需要放大信号的中继器，这样，就会使成本大大降低，通话费用相应减少。在现代化的全球通信网络中，最长的海底光缆达3万多千米，能够把32个国家和地区连通在一起。现在，连接全世界的海底通信光纤电缆正在铺设之中。这是现今通信领域最宏伟的工程，得到全世界30个国际电信组织的支持。它横跨大西洋、穿越地中海、经红海和印度洋，穿过马六甲海峡进入太平洋，连接175个国家和地区，能够同时使240万部电话通话或同时传输几十万幅压缩的画面。

　　

　　应用涵盖各方面

　　

　　随着时光的变迁、技术的发展，光纤的应用领域在日益扩展，现已涉及人类社会的各个方面。

　　光导纤维在医学上可以用于食道、直肠、膀胱、子宫、胃等深部探查内窥镜，还可以用于不必切开皮肉直接插入身体内部的手术激光刀；在国防军事上用光导纤维制成纤维光学潜望镜，装备在潜艇坦克和飞机上，能够准确地侦察复杂地形或深层屏蔽的敌情：光导纤维可以传输激光进行机械加工，制成各种传感器用于测量压力、温度、流量、位移、光泽、颜色、产品缺陷等；在照明和光能传送方面，利用光导纤维可以实现一个光源多点照明和光缆照明。利用塑料光纤光缆传输太阳光，可以为水下地下照明。与太阳能利用结合起来，将成为最经济实用的光源。

　　现在，美国拉里安公司成功地运用光纤完成了输电功能，在电力领域中开拓出一条崭新的途径。他们在发送端利用半导体激光二极管，把电能转变为激光在光纤中传送，在接收端采用太阳能电池。当由光纤传来的激光照射到太阳能电池时，光能立即变成电能。如果把激光二极管的功率继续提高，再配上整套的电能传送系统，光纤输电就可以广泛地使用于各个方面。

　　美国通信保密专家研制的一种无规律载波信号光纤技术，专门用以对付当今日益猖獗、手段高明的窃听高手。该技术首先将话音之类的有用信息转换为数字脉冲信号，然后再将这些数字脉冲信号编码，调制到无规律变化的随机微波载体上。发送时，激光发射装置将载有信息的无规律载波信号经光纤通信系统发射至接收方。接收方的激光接收机以专用技术与发送激光装置同步动态协调工作，最终完成将有用信号从无规律载体上解调的任务。使用该技术，窃听高手们只会听到杂乱无章的噪音，再也没有他们的用武之地。

　　澳大利亚研制出一种光纤秤，利用一根光纤和一个激光器就可以给卡车称重。由于光纤是由玻璃制作的，它具有耐湿、耐辐射的性能，更重要的是，它易于安装和保养，适用于安装在城区的主干道、工厂周围、机场和跑道、仓库以及港口等地，进行24小时的连续工作。除了可以进行称重之外，还能够起到监控作用，精确程度远远超过现有的电子装置。

　　此外，光纤技术还可用于火车站、机场、广场、证券交易场所等大型显示屏幕。将光电池纤维布与光导纤维布巧妙地结合在一起制成夜间放光的夜行衣，不仅为夜行人起照明作用，还可提高司机的观察视距，能够有效地减少交通事故的发生。

　　

　　(文章代码：1506)

　　

　　[责任编辑]庞　云