光纤光学知识ppt课件

1、第十一章第十一章 光纤光学系统光纤光学系统11-1 概概 述述 光纤普通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运用，不能成像，如图11-1所示，假设把许多光纤固定在一同，构成光纤束，就可以把具有一定面积的像面，经过每根光纤，逐点地把像山光纤束的一端传至另一端。图11-1 用来传送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年代就开场出现，目前巳影减一系列适用化的光纤光学仪器，它们可以完成很多传统光学仪所无法完成的义务。其中运用最广的是医学私工业上广泛运用的各种内窥镜。近年来，一种新的

2、梯度折射率光纤，在通讯系统中得到了迅速的开展，它正在使整个通讯系统发生一次革命，由于光纤的运用日益扩展，因此对光纤的研讨也不断深化。 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，光线使光纤内部经过外表的全反射和直线传播进展传输，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，运用的范围也不同，本章将分别引见它们的任务原理和运用。$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讨它的光学性质

3、，本节研讨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。 光线在光纤内外表发生多次全反射，使光线由一端沿着光纤传播至另一端。这种光纤的缺陷是光纤外表的很小的缺陷，尘埃，污物都将使光发生散射而射出光纤，引起光能损失。在普通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需假设干次反射，因此影响不大。而在光纤中，光线能够要经过上千次上万次全反射，假设每次全反射都损失一部分光能，总的损失就非常可观了。这种单质光纤特别不适用于传像的光纤束，由于在光纤束中，光纤之间是严密接蚀的，光线有能够从一根光纤透人另一根光纤，这将影

4、响传像的明晰度。 为了抑制光纤的上述缺陷，在光纤的外面包上一层折射率比芯料低的玻璃，如图11-3所示，这样的光纤称为外包光纤。 在这种光纤中，光线在光纤内外两种玻碗的分界面上进展全反射。这样光纤外表的缺陷和污物，就不会影响全反射。目前运用的光纤大多属于外包光纤。 图11-3外包光纤的光学性质设光纤芯料的折射率为n，外包资料的折射率为n，并且nn，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，那么入射角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

5、轴线的夹角， 称为光纤的数值孔径。和普通光学系统对应，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。在实践运用中，普通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才干，它是光纤的重要性能目的。图11-4nnII/ sinsinminminmax2/; ;2/IUIUmin2minminmaxsin1cos)2/sin(sinIIIUnnI/ sinmin22maxsinnnUn22maxmax

6、00sinsinnnUnUnmax0Umaxmax00sinsinUnUn或22 nnNA12nNA欲增大光纤的数值孔径，必需添加内外两种玻璃的折射率差。由于高折射率光学玻璃的开展，目前玻璃光纤的最大放值孔径可以到达1.4。当然对NA大于1的情形，光纤的两端必需位在浸液中，好象显微物镜的数值孔径大于l肘，必需采用浸液物镜一样。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明晰度，构成噪声。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。上面的讨论实践上仅限于位在过光纤对称轴线的截面内的光线，相当于共

7、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，那么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，但角度能够是负，也能够是正，视光线在光纤内部反射次数的奇偶而定。假设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分散，因此最后射出光纤时将构成一个锥面，如图11-5(a)所示。假设入射光是一束斜入射的光线，出射光束如图11-5(b)所示。光经过光纤的光能损失，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，它的计算和普通透镜外表的反射损失计算类似。另一陪分是光纤内都的光能损失，它是由很多要素呵斥的，包括吸收，散射，和非全反射等等，

8、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和波长的函数，同时也和光纤类型有关。对普通的高透过率光纤，在可见光的中心波段，值大约为0.0025cm-1当光纤发生弯曲时，普通弯曲半径比光纤直径大得多，对光纤的任务性质几乎没有影响，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11-5),(U除了圆柱形光纤之外，有时也运用圆锥形光纤，如图11-6所示，由光纤大端入射的光线，在光纤内都每经过一次反射，入射角I减个圆锥的二倍，直到I小干临界角而逸出光纤。因此，普通圆锥光纤的长度都比较短

9、，相反，由光纤小端入射的光线，每经过一次反射，人射角I将添加2 ，光线与光纤轴线的夹角逐次试小，直到光线从大端射出光纤为止。 锥状光纤主要用于紧缩光束的截面积，增大孔径角，提高出射面的光照度。人射端的直径d1和光锥角 1与出射端的直径d2和光锥角2之间满足以下关系ll-4 在锥状光纤的外面如再包上一层高吸收率的介质，可以用来防止有效孔径之外的杂光。图11-62211sinsindd$11-3 全反射光纤的运用光纤的运用大致可以分成两大类，第一类用于传送光能，称为导光束:第二类用于传送图像称为传像束。下面分别引见这两个方面的运用一、导光束导光束可由刚性或柔性的光纤束构成，光纤束中光纤在入射端和出

10、射端的陈列顺序可以是恣意的，导光束普通用于目的的照明。导光束的输入端和输出端，光纤可以陈列成不同的截面外形，以 图11-7满足各种特殊的照明需求。例如用一个点状光源照明一个长狭缝，可以把导光束的捕人端排成圆形，经过透镜把光源发出的光聚焦在导光束的输大端面上，而把光纤束的输出端陈列成线状，以照明整个狭缝，假设用普通光学系统，直接把光源成像在狭缝上，那么像的直径必需大于狭缝长度，如图11-7所示，这样大部分光线都不能进入狭缝而被浪费了。导光束的另一种运用是用于扫描系统，把光纤的一端与扫描头结合，另一端与光能接纳器结合，可以进展大面积的扫描，它比用普通光学系统来完成同样的义务要简单得多。 二、传像束

11、 用于传像束的光纤必需有很好的外包层，并且输入端和输出端的陈列顺序应完全一样。用传像束传像有许多特殊的优点，如长度和空间无严厉限制，具有很大的数值孔径，没有像差，它的缺陷是:光纤束中的少数光纤能够被折断，使输出像面上出现盲点；输入输出端的陈列外形能够有变形，引起像的变形；只存在一对共轭面，而且景深很小；分辨率受光纤直径的限制。 传像光纤束的用途很多，下面分别引见儿种主要的运用。一内窥镜内窥镜的主要构造是在光纤束输入端前面用一个物镜把察看目的成像在光纤束的输入端面上，经过光纤束把像传至输出端，然后经过目镜来察看输出端的像，或者经过透镜组把像成到感光底片上。由于光纤束能恣意弯曲，可以用来观真人眼无

12、法直接看到的目的。例如检查祸轮发动机的叶片，现察人体内陪的组织和器官，如胃，肠胃。这些内窥镜往往还需求同时进展照明，可用另一条导光束，把光从外部引人到内部目的上，普通把导光束和传像束装在同一根软臂内。内窥镜运用的传像束端面直径 ，普通在10mm25mm，长度最大可以到达4m-5m。假设要传送更长的间隔，也可以把两根传像束结合起来运用，不过这将添加光的损失和降低分辨率。假设将假设干条传像束结合起来运用，那么最后的分辨率R以每毫米能分辨的线对数表示lp/mm)与每条光纤束分辩率R1，R2lp/mm)之间近似符合以下关系 11-5.11122212RRR续前面说过传像束的景深比较小，可以近似按以下公

13、式计算以上公式中 为景深，B为允许的弥散斑直径，Umax为光纤的最大孔径角。用作传像束的单根光纤的直径大约为0.0lmm,光纤束的分辨率能够超越50lp/mm在计算光纤束的光能损失肘，除了前面巳经提到的单根光纤端面的反射损失和光纤内部的损失而外，还要思索实践导光面积和光纤端面总面积的比，如图11-8所示，实践界光面积只是每条光纤的芯料面之和，它显然要比光纤束端面的总面积小。max2tgUBl l图11-8二光纤面板光纤面板是把很多光纤经过加温，加压熔接在一同的光纤棒，然后把它切成叶状。光纤面板用光纤的直径普通为5-7um，适中选择光纤的芯料和外包层玻璃的折射率，数值孔径可达0.20.85。假设

14、把输入和输出端浸在液体中，好象显微镜的浸液物镜那样，数值孔径可达1.4。光纤面板的最大用途是作为各种电子束成像器件的输出，输入面板运用。图11-9为一种运用光纤面板作为输出端的阴极射线管记录安装。光纤面板封接在管子的输出端，荧光层直接镀在光纤面板的内侧，电子束打在荧光层上产生的像，经过光纤面板直接传送到紧贴光纤面板外侧的感光胶片上，被记录下米，假设不用光纤面板，而用透镜把荧光屏成像到感光胶片上，光能的利用率只需前一种安装的1/201/40。而且束个安装的体积加大。图11-9 图11-10 图11-10是把光纤面板运用在像加强器的输入和输出端，经过光纤面板可以把假设干个像加强器结合起来运用，使提

15、个系统获得极大的增益，光纤面板的内侧做成球面，可以用来补偿电子光学系统的像面弯曲，外侧做成平面，以便多级耦合运用，用于上述电真空器件的光纤面板一个最重要的要求是保证不能漏气。阴极面 阳极 荧光屏三光学系统平场器光纤面板的另一个用途是在普通光学系统中，作为补偿像面弯曲的平场器，在设计大视场大孔径的光学系统时，经常遇到系统像面弯曲的校正和其他像差的校正发生矛盾，假设光学系统不校正像面弯曲，那么往往可以使其他像差到达更好的校正，这样的光学系统可以在一个曲面上得到明晰的像。假设直接用感光底板来接纳，依然不能使整个像面明晰，假设在系统的像面上放置一块光纤面板，把光纤面板的一面磨成和弯曲的像面相一致，另一

16、面磨成平面，如图11-11所示，就可以在光纤面板的平面上得到一个明晰的平面像。当然光纤面板的参与，会带来附加的光能损失和分辨率下降。图11-11$11-4 梯度折射率光纤在全反射光纤中，不同入射角的光线，在光纤内部所走的路程和全反射的次数都不一样，因此每次光线的光程都不相等。由同一点进入光纤的光线，在输出端将产生位相差，假设输入的是瞬时的光脉冲，那么同一个脉冲中以不同入射角入射的光线，到达输出端的时间不同，瞬肘脉冲将被展宽，即同一脉冲的延续时间添加。假设把光纤用来作为传送信息的导体，可以传送的信息员就会遭到限制。由于信息都是以脉冲的方式采传送的，脉冲的时间宽度越大，单位时间内可以传送的信息越少

17、，为了抑制上述缺陷，产生了梯度折射率光纤。梯度折射率光纤的折射率在光纤截面内是不均匀分布的，巾心折射率最高，随着半径添加，折射率逐渐下降，折射率分布近似符合以下关系公式中no为光纤中心的折射率，为常数，r为光纤截面内的半径，如图11-12(a)所示。榜度折射率光纤也叫变折射率光纤，图如11-12(b)就表示折射率随半径r变化的曲线。)1 (22202rnn图11-12 下面讨论光线在变折射率光纤中的传播途径。这是一个非均匀介质中光线的传播问题。我们先来找出非均匀介质中光线传播的积分方程式，再将它运用于光纤，根据光纤的特点作某些近似，得出简化的在梯度折射率光纤由近轴光线的轨迹方程。一、非均匀介质

18、中的光线微分方程式梯度折射率光纤的介质折射率是延续变化的，因此，为讨论光线在梯度折射率光纤中的轨迹，必需首先导出非均匀介质中的光线传播方程式。光波是一种电磁波，光波在空间的传播应严厉遵照电磁场在空间传播的麦克斯韦动摇方程。假设把光波波长看作无限小，便可得到不均匀介质中动摇方程式的几何光学近似式，即程函方程式中，L为光程； L为光程的梯度；n是光传输空间介质折射率假设用直角坐标表示，程函方程又可以写成为程函方程是几何光学中描画光程传播的根本方程式。它指出，光程梯度的绝对值与介质的折射率相等。22)(nL2222nzLyLxL下面再将程函方程作适当变换，让它表示成折射率的不均匀性和光线的弯曲途径之

19、间的关系式。设光线在空间传播的方向单位矢量为S，光的传播方向就是波面法线的方向，也就是光程的梯度方向，即 L的方向。所以，沿光线方向的单位矢量为利用程函方程(118)，单位矢量S又可表示为 11-10为了用坐标表示光线的途径，把S表示成位置矢量的变化更为方便，所以，需求求出S和位置矢量的关系。在图1113中，曲线表示在非均匀介质中传播的恣意一条光线途径。曲线上恣意点P(x，y，z)的位置矢量为r，当沿曲线挪动ds间隔后，位置矢量的变化量为dr=Sds，所以 11-11将(1111)代入(1110)得 11-12将11-12写成分量方式式中，|LLSnLSdsdrS/LdsdrnzyxLdsdz

20、nLdsdynLdsdxn11-13zLLyLLxLLzyx,将公式11-13的第一式进展s全微分，由于x，y，z是s的函数，所以将11-13代入上式，得利用程函方程(11-9),上式又可写成对于y,z分量，也可用同样方法，归纳其结果 可得到下式上式的右边表示折射率的变化量，由于drds是沿途径的单位矢量S，所以，左边表示沿途径的单位矢量的变化，即途径的弯曲量。上式直接表示了光线传播途径与折射率变化呈之间的关系，称为在非均匀介质中的光线微分方程式。xzxyxxxxLdsdzLdsdyLdsdxLzdsdzydsdyxdsdxdsdLdsdxndsd)()(21)(1222zyxxzxxyxxx

21、xLLLxnLLLLLLndsdxndsdxnnxndsdxndsd221ndsdrndsd)(二、梯度折射率光纤中的光线轨迹利用非均匀介质的光线微分方程式，就可以求得光线在梯度折射率光纤中的传播途径，但上述微分方程在大多数情况下很难求解，假设光线和光纤对称轴之间的夹角很小，这样的光线称为近轴光线，和共轴系统的近轴光线相类似。对这类光线可以用dx替代ds，将ds=dx代入公式(1116)就得到近轴光线的微分方程式在梯度折射率光纤中，折射率n与x无关，上式可以写作设 ,得到 由于n与x无关，因此 简化为将 代入公式11-18，对y轴分量有ndxdrndxd)(ndxrdn22zkyjxirkdxzdjdxyddxrd222222nkznjynn(1118)(1117)ndxrd和22/yndxydn22(1119)把公式11-7中的r2用y2+z2替代得上式两边对y求偏导数得到或者将 代入公式(11-19),并将公式左边的n移到右边得对近轴光线可以近似地以为 ，因此上式变为上述微分方程的通解