光导纤维简介
7.5光导纤维
新型功能材料
• 晶体光纤 类型：a.单晶光纤，如CsBr，CsI使离子键晶体 化合物，通常由熔体生长制成。 b.多晶光纤，以TiBrI为代表，是通过加 压使熔体由细直径管口挤出而形成的， 晶体光纤在1~10um以上很宽的波长范 围内是低损耗的，可用于波长为10.6µm 的CO2气体激光的传送。
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材料化学
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材料化学
新型功能材料
•氟化物光纤 基本组成：ZrF4-BaF2-LaF3(GdF3)三元系， 添加NaF，CsF，AlF3，PbF2等。 特性：氟化物玻璃稳定性较差，有晶体析出的 倾向，因此制备成均质、光散射小的光 纤有很大难度。 • 硫族化合物玻璃光纤 典型例子：As-S及As-Se系。
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材料化学
材料化学
新型功能材料
7.6 光导纤维 7.6.1光导纤维（简称光纤） 由折射率较大的纤芯和折射率较小的包 层构成的可自由弯曲的导光材料。 纤芯的直径大约是几十微米。 光纤的作用：将始端的入射光线传输到终端， 利用光来传输信息和图象。
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材料化学
新型功能材料
7.6.2 光导原理 基本原理：全反射定理。 全反射即光从光密介质（折射率大的介质） 射到光疏介质（折射率小的介质）的界面时，全 部反射回原介质的现象。 光导纤维：利用纤芯和包层折射率的差别，依靠 全反射的原理实现光信息传输的。
新型功能材料
（4）聚合物光纤 组成：高折射率的均匀塑料芯； 低折射率的塑料涂层。 特点：质量轻、韧性好、接收光的能量强； 耐温较低，一般不超过100℃，特殊处 理后不超过200 ℃； 化学稳定性较差。
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材料化学
新型功能材料
制作聚合物光纤的材料：聚苯乙烯 聚甲基丙烯酸甲酯 聚碳酸酯等。 应用：当波长为0.3~0.6um时，聚合物光纤的 损耗低。 应用于汽车、飞机、通讯等部门，尤其 是大量用于仪器间连接等短距离通讯； 使用方便、抗振耐用。104材料化学
光导纤维的种类及其应用
光导纤维的种类及其应用光导纤维，即光纤，是一种能够将光信号传输的柔性透明纤维。
光导纤维分为多种类型，根据不同的用途和特性适用于各种不同领域的应用。
以下是一些常见的光导纤维种类及其应用。
1.多模光纤：多模光纤是一种具有大的孔径的光纤，可以传输多个模式的光信号。
它主要用于短距离的数据通信和局域网。
多模光纤具有较高的带宽，可以传输较高速率的数据，因此在计算机网络和通信领域得到广泛应用。
2.单模光纤：3.分束光纤：分束光纤是一种可以将一个入射的光束分成多个独立的光束的光纤。
它常被用于光纤传感器和光学测量中，可以将光信号分配到多个传感器或测量设备上，实现多点测量或多信号监测。
分束光纤对光信号的分割和传输起到了关键作用。
4.光纤光栅：光纤光栅是在光导纤维中周期性改变折射率的结构，可以将特定波长的光束从光纤中提取出来，实现滤波和波长选择。
光纤光栅广泛应用于通信领域，可以用于波分复用系统、滤波器和传感器等。
5.偏振保持光纤：偏振保持光纤是一种可以保持光信号偏振状态的光纤。
它主要用于需要保持光信号偏振特性的应用，如光纤传感器和光通信系统中的调制器和解调器。
偏振保持光纤可以确保信号的质量和可靠性。
6.光学附加单元光纤：光学附加单元光纤是一种用于光纤通信网络中的附加设备的光纤。
它具有低损耗和高带宽的特性，可以提供各种光信号处理功能，如增益、滤波、分光和光放大器等。
光学附加单元光纤被广泛用于增强光纤网络的性能和功能。
总的来说，光导纤维种类繁多，每种光纤都有其特定的应用领域和优势。
光纤的应用范围广泛，包括通信、传感器、医疗、工业和军事等领域。
随着光纤技术的不断发展和创新，光导纤维在未来将会继续发挥重要作用，并在各个领域中得到更广泛的应用。
什么是光导纤维
什么是光导纤维？它有什么用途？光通信的传输材料。
光通信的线路采用像头发丝那样细的透明玻璃纤维制成的光缆。
在玻璃纤维中传导的不是电信号,而是光信号,故称其为光导纤维。
远距离通信的效率高,容量极大,抗干扰能力极强。
现代科学创造的奇迹之一，是使光像电流一样沿着导线传输。
不过，这种导线不是一般的金属导线，而是一种特殊的玻璃丝，人们称它为光导纤维，又叫光学纤维，简称光纤。
1870年，英国科学家丁达尔做了一个有趣的实验：让一股水流从玻璃容器的侧壁细口自由流出，以一束细光束沿水平方向从开口处的正对面射入水中。
丁达尔发现，细光束不是穿出这股水流射向空气，而是顺从地沿着水流弯弯曲曲地传播。
这是光的全反射造成的结果。
光导纤维正是根据这一原理制造的。
它的基本原料是廉价的石英玻璃，科学家将它们拉成直径只有几微米到几十微米的丝，然后再包上一层折射率比它小的材料。
只要入射角满足一定的条件，光束就可以在这样制成的光导纤维中弯弯曲曲地从一端传到另一端，而不会在中途漏射。
科学家将光导纤维的这一特性首先用于光通信。
一根光导纤维只能传送一个很小的光点，如果把数以万计的光导纤维整齐地排成一束，并使每根光导纤维在两端的位置上一一对应，就可做成光缆。
用光缆代替电缆通信具有无比的优越性。
比如20根光纤组成的像铅笔精细的光缆，每天可通话7.6万人次，而1800根铜线组成的像碗口粗细的电缆，每天只能通话几千人次。
光导纤维不仅重量轻、成本低、敷设方便，而且容量大、抗干扰、稳定可靠、保密性强。
因此光缆正在取代铜线电缆，广泛地应用于通信、电视、广播、交通、军事、医疗等许多领域，难怪人们称誉光导纤维为信息时代的神经。
我国自行研制、生产、建设的世界最长的京汉广(北京、武汉、广州)通信光缆，全长3047公里，已于1993年10月15日开通，标志我国已进入全面应用光通信的时代。
光纤传导光的能力非常强，利用光缆通讯，能同时传播大量信息。
例如一条光缆通路同时可容纳十亿人通话，也可同时传送多套电视节目。
光导纤维
1966年，一位英籍华人高琨博士发表一篇著名的论文，首 1966年，一位英籍华人高琨博士发表一篇著名的论文，首 次提出，解决玻璃纯度和成分问题，就能够得到光传输衰 减很小的玻璃纤维 。光导纤维沉寂了近50年后终于迎来 。光导纤维沉寂了近50年后终于迎来 了它的曙光。 光导纤维的研制步入高速发拉制成功第 1970年，美国康宁玻璃公司首先拉制成功第 一根每千米只衰减20分贝的石英玻璃光导纤维。此 一根每千米只衰减20分贝的石英玻璃光导纤维。此 后，光导纤维的衰减率不断下降：1974年，每千米 后，光导纤维的衰减率不断下降：1974年，每千米 2分贝，1976年，每千米1分贝，1979年，每千米 分贝，1976年，每千米1分贝，1979年，每千米 0.2分贝，80年代达到每千米0.16分贝，90年代研 0.2分贝，80年代达到每千米0.16分贝，90年代研 制的氟化物玻璃纤维衰减更低，已降低到每千米 0.03分贝。这种高纯度氟化物玻璃光导纤维的传输 0.03分贝。这种高纯度氟化物玻璃光导纤维的传输 能力，十分高强，一次传送距离长达4800km，可 能力，十分高强，一次传送距离长达4800km，可 以在无中继站的情况下进行洲际光通信。今天可以 说，光导纤维是经过艰辛的历程，才取得辉煌的成 绩的。
光导纤维简介
光导纤维：
光导纤维简介
光导纤维是什么材料
光导纤维是什么材料光导纤维是一种能够传输光信号的特殊材料，它在现代通信和光学领域扮演着重要的角色。
光导纤维的材料是由玻璃或者塑料制成的，具有高折射率的特点，能够有效地将光信号传输到远距离。
光导纤维的材料选择对其性能和应用起着至关重要的作用。
光导纤维的材料一般是由高纯度的二氧化硅玻璃或者特殊的塑料材料组成。
这些材料具有非常高的折射率，使得光信号在纤维内部可以得到高效地传输。
另外，光导纤维的材料还需要具有良好的机械性能，能够在不同环境条件下保持稳定的性能。
因此，光导纤维的材料选择需要考虑其折射率、透明度、机械强度等因素。
在光通信领域，光导纤维的材料选择对信号传输的速度和质量有着直接的影响。
高纯度的二氧化硅玻璃具有优异的光学性能和稳定的化学性质，是目前最常用的光导纤维材料。
它能够在光信号传输过程中减少光信号的衰减和色散，保证信号的传输质量。
此外，二氧化硅玻璃还具有较高的抗拉强度和耐热性能，能够在复杂的环境条件下保持稳定的性能。
除了二氧化硅玻璃，特殊的塑料材料也被广泛应用于光导纤维的制造中。
这些塑料材料具有较低的折射率，适合于一些特定的光学应用。
与玻璃相比，塑料光导纤维具有重量轻、易加工成型等优点，能够在某些特殊场合下发挥其独特的优势。
总的来说，光导纤维的材料选择需要根据具体的应用需求来进行。
不同的材料具有不同的优缺点，需要综合考虑其光学性能、机械性能、成本等因素。
随着科技的不断进步，相信光导纤维的材料选择将会更加多样化，为光通信和光学领域的发展带来更多的可能性。
光导纤维作为一种重要的光学材料，将会在未来发挥着越来越重要的作用。
光导纤维是什么材料
光导纤维是什么材料光导纤维的材料特性。
光导纤维的材料主要包括玻璃和塑料两种。
玻璃光导纤维具有优异的光学特性，其主要成分是二氧化硅，通过特殊的工艺制备而成。
玻璃光导纤维具有低损耗、高折射率、耐高温、耐腐蚀等优点，因此在长距离、高速传输领域有着广泛的应用。
而塑料光导纤维则主要采用聚合物材料制备，具有柔韧、易加工、成本低等特点，适用于短距离、低速传输领域。
光导纤维的制备工艺。
玻璃光导纤维的制备工艺主要包括材料准备、预制棒制备、光纤拉制、包覆层制备等步骤。
首先，将高纯度的二氧化硅粉末与其他添加剂混合，然后在高温熔炼成玻璃棒。
接着，通过热拉制的方法将玻璃棒拉制成细长的光导纤维，并在表面涂覆一层包覆层以保护光导纤维。
而塑料光导纤维的制备工艺相对简单，主要包括原料混合、挤出成型、拉伸等步骤，适用于大批量生产。
光导纤维的应用领域。
光导纤维在通信领域是最为广泛的应用之一，它可以实现高速、大容量的光通信传输。
此外，在医疗领域，光导纤维可以用于内窥镜、激光手术等医疗器械中，实现非侵入式的检查和治疗。
在光学仪器领域，光导纤维可以用于激光器、光纤传感器等设备中，发挥其优异的光学特性。
此外，光导纤维还在工业控制、军事领域等方面有着重要的应用价值。
总结。
光导纤维作为一种能够传输光信号的特殊材料，具有玻璃和塑料两种材料，它们都具有优异的光学特性和机械性能。
通过特殊的制备工艺，光导纤维可以实现高效、稳定的光信号传输。
在通信、医疗、光学仪器等领域有着广泛的应用，发挥着重要的作用。
希望本文的介绍能够让大家更好地了解光导纤维是什么材料，以及其在各个领域的重要性和应用前景。
光导纤维介绍
光通信的传输材料。
光通信的线路采用像头发丝那样细的透明玻璃纤维制成的光缆。
在玻璃纤维中传导的不是电信号,而是光信号,故称其为光导纤维。
远距离通信的效率高,容量极大,抗干扰能力极强。
现代科学创造的奇迹之一，是使光像电流一样沿着导线传输。
不过，这种导线不是一般的金属导线，而是一种特殊的玻璃丝，人们称它为光导纤维，又叫光学纤维，简称光纤。
1870年，英国科学家丁达尔做了一个有趣的实验：让一股水流从玻璃容器的侧壁细口自由流出，以一束细光束沿水平方向从开口处的正对面射入水中。
丁达尔发现，细光束不是穿出这股水流射向空气，而是顺从地沿着水流弯弯曲曲地传播。
这是光的全反射造成的结果。
光导纤维正是根据这一原理制造的。
它的基本原料是廉价的石英玻璃，科学家将它们拉成直径只有几微米到几十微米的丝，然后再包上一层折射率比它小的材料。
只要入射角满足一定的条件，光束就可以在这样制成的光导纤维中弯弯曲曲地从一端传到另一端，而不会在中途漏射。
科学家将光导纤维的这一特性首先用于光通信。
一根光导纤维只能传送一个很小的光点，如果把数以万计的光导纤维整齐地排成一束，并使每根光导纤维在两端的位置上一一对应，就可做成光缆。
用光缆代替电缆通信具有无比的优越性。
比如20根光纤组成的像铅笔精细的光缆，每天可通话7.6万人次，而1800根铜线组成的像碗口粗细的电缆，每天只能通话几千人次。
光导纤维不仅重量轻、成本低、敷设方便，而且容量大、抗干扰、稳定可靠、保密性强。
因此光缆正在取代铜线电缆，广泛地应用于通信、电视、广播、交通、军事、医疗等许多领域，难怪人们称誉光导纤维为信息时代的神经。
我国自行研制、生产、建设的世界最长的京汉广(北京、武汉、广州)通信光缆，全长3047公里，已于1993年10月15日开通，标志我国已进入全面应用光通信的时代。
光纤传导光的能力非常强，能利用光缆通讯，能同时传播大量信息。
例如一条光缆通路同时可容纳十亿人通话，也可同时传送多套电视节目。
光导纤维
光导纤维，简称光纤，是一种达致光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理传输的光传导工具。
光缆是一定数量的光纤按照一定方式组成缆心，外包有护套，有的还包覆外护层，用以实现光信号传输的一种通信线路。
光纤在医学器械的应用包括光线照明，信息传输和激光传输。
光纤医用激光器械是以光纤为激光传播介质,通过对光信息的处理和光能的利用而进行诊断和治疗。
2石英光纤在医学治疗上的应用2.1光纤激光美容光纤激光美容术是近几年来发展较快的一种激光医疗新技术,激光可去除和改善影响美观的瑕疵或缺陷,如激光治疗鲜红斑痣,激光治疗太田痣纹身及激光去皱等2.2光纤激光手术治疗光纤激光手术可用于妇科、肛肠科、外科、皮肤科和泌尿科等,进行诸如恶性肿瘤的切除、性病治疗、宫颈糜烂治疗和皮肤表面各种瘤症的烧灼等治疗。
对于表面的肿瘤,激光可用简单的透镜传输,而对于内部的肿瘤,则需采用光纤输出,光纤的输出端安装球状和圆柱状的激光扩散装置,还可以在内填充散射介质,使光线向四周均匀地扩散。
2.2.2动脉内腔治疗cm时的可见光脉冲美国哈佛医学院通过直径320um户刀的软质石英光纤、强度为107W/2激光切除动脉钙化斑,脉冲时间<50us,这种脉冲激光不伤及正常动脉,提高了切除术的安全性和效率。
2.2.3激光角膜成形术激光角膜成形术是去除角膜上皮后,用激光消融角膜浅层基质,改变角膜曲率,达到矫正视力目的。
ArF准分子激光器系统采用SMA接口与直径为200-400um的石英光纤耦合，通过光纤传输高光子能量6.4eV，产生化学效应，打断有机分子化学键，产生非热致汽化达成切削的目的。
2.2.4激光血管成形术特制的石英光纤进人血管,将激光传送至病患处,激光的高能量“汽化”作用消除血管内的血栓和硬化斑块,从而改善心肌的血液供应,而不是用气囊导管扩张术。
光纤激光手术还可用于口腔硬组织治疗、咽部微创手术治疗、泌尿系结石治疗、尖锐湿疵等治疗。
3光动力学疗法治疗激光可通过光纤传送至病变组织作远距离照射,光纤端部可制成各种形状,主要用于体表或腔脏器官的多种肿瘤治疗,如头颅部恶性肿瘤、宫颈癌、膀胧癌、食道癌、直肠癌、肺癌、胃癌、结肠癌及各种体表癌等,平均有效率为70%-80%。
光导纤维简介
• 粗糙、不规则的表面，甚至在分子层次，也会使光线往随机方向反射， 称为漫反射或光散射，其特征是多种不同的反射角。
• 大多数物体表面的光散射，可被人类视觉侦测到。光散射跟入射光波长 有关。可见光波长约 1 微米。人类视觉无法侦测到小于该尺寸的物体。
径越大的光纤，越不需要精密的熔接和操 作技术
单模光纤的数值孔径较小，gt;10微米），其物理性质可用几何光学理论分析，称为 多模光纤；用于通信用途时，线材以橘色外皮做辨识。
• 在多模突变光纤内，当光线遇到核心-包覆边界时，若入射角>临界角，则 光线被完全反射；若入射角<临界角，则光线折射入包覆，无法继续传导于 核心。临界角又决定光纤的受光角，通常以数值孔径来表示大小。较高的 数值孔径会允许光线，以较近轴心和较宽松的角度传导于核心，造成光线 和光纤更有效率的耦合。但由于不同角度的光线会有不同的光程，较高的 数值孔径也增加色散。有时较低的数值孔径更适当。
人们曾发现，光沿着从酒桶中喷出的细流传输；光能顺着弯曲的玻璃棒前进。
这是为什么呢？难道光线不再直行了吗？
丁达尔研究发现，这是光的全反射作用，即光从水中射向空气，当入射角大于 某一角度时，折射光线消失，全部光线都反射回水中。
表面上看，光好像在水流中弯曲前进。实际上，在弯曲的水流里，光仍沿直线 传播，只不过在内表面发生多次全反射，光线经多次全反射向前传播。
• 在真空，光线传播速度最快，约为 3 亿米/秒 • 物质的折射率: 真空光速除以光线在该物质传播的速度 • 根据定义，真空折射率是 1 • 折射率越大，光线传播的速度越慢 • 通常，光纤核心的折射率是 1.48, 包覆的折射率 1.46 。所以，光纤
光导纤维的原理和应用
光导纤维的原理和应用1. 引言光导纤维是一种基于光传输的通信技术，通过利用光的特性传输信息。
光导纤维具有低损耗、高带宽和抗电磁干扰等优点，因此在现代通信领域得到了广泛的应用。
本文将介绍光导纤维的工作原理以及在通信、医疗和科学研究等领域的应用。
2. 光导纤维的工作原理光导纤维是由一种或多种具有不同折射率的材料制成的，通常由内核和包层构成。
光信号通过光导纤维的内核传输，而包层则用于保护内核和限制光的传播路径。
光信号在光导纤维内通过全内反射的方式传输。
光导纤维的工作原理主要基于两个基本的物理原理：2.1. 全内反射全内反射是光在两种折射率不同的介质边界上的反射现象。
当光从折射率较大的介质传播到折射率较小的介质时，如果入射角大于一个临界角，光将会完全反射回折射率较大的介质中。
光导纤维的内核折射率较大，而包层折射率较小，因此光信号在内核中可以实现全内反射，从而保证光信号在纤维中的衰减非常小。
2.2. 多模和单模传输光导纤维可以分为多模和单模两种传输模式。
多模传输模式下，纤维内可以传播多束光信号，而单模传输模式下，纤维内只传输一束光信号。
多模传输适用于短距离通信，而单模传输适用于长距离通信和高速数据传输。
3. 光导纤维的应用3.1. 通信领域光导纤维在通信领域有着广泛的应用。
由于光信号的高带宽和低损耗特性，光导纤维成为了长距离通信和高速数据传输的理想选择。
光导纤维可以用于光纤通信网络、光纤宽带接入和光纤传感等方面。
3.2. 医疗领域在医疗领域中，光导纤维被广泛用于光学成像和激光手术等应用。
光导纤维可以通过将光信号引导到患者体内，实现非侵入性的内窥镜检查和光学显微镜成像。
同时，光导纤维还可以用于激光手术中光的传输和聚焦，使手术更加精确和安全。
3.3. 科学研究领域在科学研究领域，光导纤维的应用也非常广泛。
光导纤维可以用于光学传感和光谱分析等实验。
光导纤维的特性使得其能够传输光信号并将其引导到实验仪器中进行分析和测量，从而实现对物质性质的研究和分析。
光导纤维简介分类及应用
硫 化 玻 璃 光 纤
7
2、重金属氧化物玻璃光纤 重金属氧化物玻璃光纤是以GeO2、La2O3、TeO3 和GOAL2O3等玻璃为基础的光纤。 重金属氧化物玻璃光纤声子具有声子能量小、红外透 过范围广、稀土掺杂浓度高、非线性折射率高等优点，在 光纤放大器、非线性光纤等方面得到了 广泛研究与应用。
• 主要应用于较长距离的光通信领域，取代同轴电缆和 微波通信，它又可分为石英光纤、氟化玻璃光纤和硫 化玻璃光纤等。
石英光纤
氟化物保编光纤
6
1、硫化玻璃光纤 硫化物玻璃光纤具有较宽的红外透明区域(1.2-12μm)， 有利于多信道的复用。 硫化物玻璃有较低的结晶趋势和高机械化学稳定性， 适 合作有源和无源光纤器件。
一、光导纤维的发现及 原理
2、原理 光能够在玻璃纤维或塑料纤维中 传递是利用光在折射率不同的两种物质 的交界面处产生“全反射”作用的原理。 3、结构 光纤主要由纤芯和包层两部分 组成。纤芯具有高折射率，包层是 低折射·率，最外面为塑料护套。这 样光在纤芯与包层的界面上作多次 全反射而曲折前进，不会透过界面
光纤内窥镜
枪用光纤传像瞄准镜
（三）特种光纤
15
• 3、液芯光纤 采用液体材料作为芯、聚合物 材料作为光学包层和保护层的光 纤。 特点：大芯径、大数值孔径、 光谱传输范围广、光谱传输效率 高、使用寿命长等。
液 体 光 导 管
特种光纤之-
16
光子晶体光纤(Photonic Crystal Fibers , PCF)又被称为 微结构光纤（MicroStructured Fibers, MSF)。 它 的横截面上有较复杂的折射 率分布，通常含有不同排列 形式的气孔，这些气孔的尺 度与光波波长大致在同一量 级且贯穿器件的整个长度， 光波可以被限制在低折射率 的光纤芯区传播。
光导纤维玻璃
赵静 12721752
光导纤维简介
定义：光导纤维又称导光纤维、光学纤维，是一种把光能闭合在
纤维中而产生导光作用的纤维。由两种或两种以上折射率不同的 透明材料通过特殊复合技术制成的复合纤维直径只有1~100μm左 右。
组成：由实际起着导光作用的芯材和能将光能闭合于芯材之中的
皮层构成。即纤芯、包层和涂覆层三部分。
发明和使用
光导纤维的发展
1870年英国物理学家丁达尔到皇家学会的演讲厅讲光的全反射原理，利用实验： 在装满水的木桶上钻个孔，然后用灯从桶上边把水照亮。结果是放光的水从水桶 的小孔里流了出来，水流弯曲，光线也跟着弯曲，光居然被弯弯曲曲的水俘获了。 之后人们造出一种透明度很高、粗细像蜘蛛丝一样的玻璃丝-玻璃纤维，由于这 种纤维能够用来传输光线，所以称它为光导纤维。
宇航飞秒激光
工业领域
在工业上，可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、等，也可用于工厂、办公自动化、 机器内及机器间的信号传送、光电开关、 光敏组件等。此外，光缆可不受雷电的侵 扰而正常工作，从而保护与之联结的家电 和精密仪器免遭雷击损坏。在自控领域， 塑料光纤组成的控制线路可防止噪声的产 生及因外部噪声引起的误动作，在解决设 备的抗电磁干扰方面效果显著。
光 纤 对 玻 璃 物 化 性 能 要 求
光纤的导光原理
• 光纤是利用光的全反射特性来导光的。 在物理中当光从一种介质向另一种介质 传播，由于它们在不同介质中传输速率 不一样，因此，当通过两个不同的介质 交界面就会发生折射。
若有两种不同介质，其折射率分 别为n0,n1，而且n1＞n0, 折射率小的称光疏煤质，折射率 大的称光密煤质； 假定光线从光疏煤质射向光密煤 质，其折射情况如图所示。 图中，入射角为i,为入射光线与法 线NN′夹角，折射角为r,为折射光 线与NN′夹角：由图可见， r＜i
光导纤维的材料
光导纤维的材料光导纤维是一种能够将光信号传输的特殊材料。
它由纯净高纯度的玻璃或塑料制成，具有较高的折射率，能够有效地将光线引导在纤维中传播。
光导纤维的材料具有许多独特的性质和应用，在通信、医疗、照明等领域发挥着重要作用。
光导纤维的主要材料之一是玻璃。
玻璃纤维具有较高的透明性和均匀性，能够有效地保持光信号的传输。
通常使用硅酸盐玻璃作为光导纤维的主要材料，因为它具有较高的折射率和低的传播损耗。
硅酸盐玻璃通常通过将二氧化硅和其他添加剂熔融、拉伸成纤维的方式制备而成。
硅酸盐玻璃的制备工艺较为复杂，但它具有较高的纯度和稳定性，适用于高效的光信号传输。
除了玻璃，光导纤维还可以使用某些特殊塑料材料。
光导塑料纤维通常由光学级塑料制成，具有较高的折射率和较低的传播损耗。
光导塑料纤维的制备工艺相对简单，并且成本较低，因此在一些特定的应用中被广泛使用。
然而，与玻璃相比，光导塑料纤维的传输性能相对较差，适用于短距离的光信号传输。
光导纤维的材料具有许多优点。
首先，它们能够将光信号引导在纤维内部，减小了信号的传播损耗。
其次，光导纤维的制备工艺成熟，可以按照需求制备不同规格和长度的纤维。
由于纤维具有较小的体积和灵活性，因此可以方便地进行布线和安装。
此外，由于光信号传输的速度较快，光导纤维可用于高速通信和数据传输。
光导纤维的材料在许多领域都有广泛的应用。
在通信领域，光导纤维被广泛应用于电话和互联网的传输信号。
光导纤维的高速传输能力和较低的传输损耗，使得数据可以在长距离进行快速可靠地传输。
此外，光导纤维也被应用于医疗领域，用于内窥镜和激光手术等现代医疗技术。
光导纤维的高透明性和灵活性，使得医生可以在身体内部进行精确的观察和操作。
总的来说，光导纤维的材料具有较高的透明性、低的传播损耗和灵活性等特点，适用于高效、可靠的光信号传输。
随着科技的发展，光导纤维将在更多领域发挥重要作用，推动人类社会的进步和发展。
光导纤维简介分类及应用
增
益 可 调 掺 铒 光 纤 放 大 器
微
型
掺
铒
光
纤
Байду номын сангаас
放
8
大 器
（二）塑料光纤（POF）
• 塑料光纤(Polymer Optical Fiber，简写POF)是由高折射率的 聚合物材料为纤芯和低折射率的聚合物材料为包层所构成 的光纤。
0．23微米的光纤。 特点：损耗大、带宽低。
光纤内窥镜
枪用光纤传像瞄准镜
（三）特种光纤
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• 3、液芯光纤
采用液体材料作为芯、聚合物
材料作为光学包层和保护层的光 纤。
特点：大芯径、大数值孔径、
光谱传输范围广、光谱传输效率
高、使用寿命长等。
液 体
光
导
管
特种光纤之-
16
光子晶体光纤(Photonic Crystal Fibers , PCF)又被称为 微结构光纤（MicroStructured Fibers, MSF)。 它 的横截面上有较复杂的折射 率分布，通常含有不同排列 形式的气孔，这些气孔的尺 度与光波波长大致在同一量 级且贯穿器件的整个长度， 光波可以被限制在低折射率 的光纤芯区传播。
硫化物玻璃光纤具
有很大的非线性系
数，用它制作的非
硫 化 玻
线性器件，可以有 效地提高光开关的
璃
速率，开关速率可
光
以达到数百Gb/s以
纤
上.
7
2、重金属氧化物玻璃光纤
重金属氧化物玻璃光纤是以GeO2、La2O3、TeO3 和GO-
光导纤维的特点和工作原理
光导纤维的特点和工作原理
光导纤维（Optical Fiber）是一种将光信号进行传输的光学器件。
其主要特点如下：
1. 高带宽：光导纤维的带宽很大，相比于传统的铜线缆和同轴电缆，其传输速度更快，可以同时传输多个高清视频、数据或者电话信号。
2. 光通信：光导纤维在光通信领域有广泛的应用，可以用于长距离数据传输、互联网和电话网络等领域。
3. 阻燃等特性：光导纤维的材质不易燃烧，低烟无毒；其耐高温、耐紫外线等性质也得到了充分利用。
4. 抗干扰：光导纤维的信号传输与周围环境几乎没有电磁干扰，对信号的保护和传输起到了很好的作用。
工作原理：
光导纤维的工作原理基于全内反射。
当光线沿着纤维中心轴传播时，由于纤维芯中的折射率高于纤维衬套中的折射率，光线会一直在纤维芯内全反射而不会泄漏出来。
这使得光信号可以在纤维长度范围内进行传输，并且保持较高的信号质量。
光纤的芯径相对较小（一般为几个微米），外部覆盖有衬套（包覆层），可以防止外界的光干扰和光散失。
在光模式和适当的材料选择下，光导纤维可以实现单模和多模以及不同波长的光传输。
光导纤维的概念
光导纤维（Optical fiber）是一种用于传输光信号的纤维，也被称为光纤。
它是由玻璃或塑料制成的细长管状结构，内部充满了折射率比空气高的透明介质，通常是玻璃或塑料。
当光信号通过光导纤维传输时，它会沿着纤维内部的折射率变化方向发生折射，最终在纤维末端形成一个光信号的聚焦点，从而实现光信号的传输。
光导纤维具有传输速度快、带宽大、抗干扰能力强、传输距离远等优点，被广泛应用于通信、广播、电视、医疗、科学研究等领域。
光导纤维的传输速度可以达到每秒几十亿位，远远超过了传统的电信传输方式，因此被誉为信息时代的“信息高速公路”。
光导纤维简介
单模光纤是当前计算机网络中研究和应用的重点，也是光 纤通信与光波技术发展的必然趋势。
衰减机制
随着传输距离的增加，光束（信号）强度会减 低。衰减系数的单位通常是 dB/km 。
衰减原因：光纤的固有损耗，包括： 瑞利散射，固有吸收等。光纤弯曲、 挤压、杂质、不均匀、对接。
光散射
光学光纤内，光散射是由分子层次的不规则玻璃结构所造成的。当光学倍 率变高时，光纤的非线性光学行为也可能会造成光散射。
光吸收
除了光散射以外，光纤材料会选择性地吸收某些特定波长的光波，这也会造 成衰减或信号损失。
新型光纤
3月28日上午消息，英国南安普顿大学的研究人员制作出一种 新bps的数据传输速度——大约相当于10TB/s， 较当今最先进的49Gb光导纤维快了1000倍。
研究人员使用了 一种几乎完全填 充空气的中空光 导纤维，使用光 子带隙边缘的设 计。使得光线和 数据的传输速度 提升了31%
参考资料来源：维基百科、
当光纤芯直径很小时，光纤只允许与光纤轴方向一致的 光线通过（即基模），称为单模光纤。不能用几何光学 分析其物理性质。 单模光纤线材会以黄色外皮做为辨识。
核心： 直径 8 µm 包覆： 直径 125 µm 缓冲层：直径 250 µm 外套： 直径 400 µm
比较
单模光纤的纤芯较细，传输频带宽、容量大，传输距离长， 总色散为零；采用固体激光器做光源，成本较高，通常在 建筑物之间或地域分散时使用。 多模光纤的芯线粗，传输速度低、距离短，整体的传输性 能差；采用发光二极管做光源，成本比较低，一般用于建 筑物内或地理位置相邻的环境下。
光导纤维简介
光纤简介
光导纤维，简称光纤，是一种达致光在玻璃或塑料 制成的纤维中的全反射原理传输的光传导工具。
光导纤维
光导纤维1．简介：光导纤维又称导光纤维﹑光学纤维，是一种把光能闭合在纤维中而产生导光作用的玻璃细丝纤维。
它能将光的明暗﹑光点的明灭变化等信号从一端传送到另一端。
光导纤维是由两种或两种以上折射率不同的透明材料通过特殊复合技术制成的复合纤维。
为了防止光线在传导过程中的“泄漏”，必须给玻璃细丝穿上“外套”。
所以它的基本类型是由实际起着导光作用的芯材和能将光能闭合于芯材之中的皮层构成。
外包层的折射率通常比芯线折射率小。
这样光线进入芯线在芯线和外包皮层的界面上作多次全反射而曲折前进，不会透过界面。
为了减少光在长距离传导中的损耗，要采用超纯石英玻璃来制造光导纤维；同时尽量改善玻璃内部结构上的均匀性；还有采用波长较长的激光速进行传导以提高光导纤维的传导效果。
光导纤维有各种分类方法：按材料组成万分可分为玻璃﹑石英和塑料光导纤维；按形状和柔性分为可挠性和不可挠性光导纤维；按纤维结构分为皮芯型和自聚集型（又称梯度型）；按传递性分为传光和传象光导纤维；按传递光的波长分为可见光﹑红外线﹑紫外线﹑激光等光导纤维。
2．制造：制造光导纤维的方法有多种，常见的是管棒法。
即将折射率较大的玻璃棒插入折射率较小的玻璃管中，一起放入电炉加热，在高温熔融状态下拉成内外两层的玻璃纤维长丝。
为了保证光导纤维的内外两层玻璃间有良好的接触，玻璃管和棒料必须经过严格的质量检验，棒料外表面要进行研磨抛光。
目前生产的光导纤维有单模和多模两种。
所谓“模”就是指传导光线的路径。
单模光纤十分细，芯经在10um以下，外经为125um，只能有一速光线沿芯线的中心传播。
多模光纤较粗，芯经为50um，外经125um，光线在光纤中沿着多条路径行进。
3．应用：（1）光纤通信（光缆）：是利用激光作载波由光导纤维传送信息的有线通信方式。
通讯形式是：声音和图像――电信号――光信号――传到接收端――电信号――声音和图像。
光纤有许多优点：（2）医生的好助手：光导纤维可以用于食道﹑直肠﹑膀胱﹑子宫﹑胃等深部探查内窥镜（胃镜﹑血管镜等）的光学元件和不必切开皮肉直接插入身体内部，切除癌瘤组织的外科手术激光刀，即由光导纤维将激光传递至手术部位。
高二化学选修1_阅读材料：光导纤维
光导纤维介绍
（一）光纤的工作原理
光导纤维是一种能引导光线进行曲线传播的光传输材料，简称光纤。
它是由两种不同的玻璃制造的，中央的纤芯玻璃被包层玻璃包围。
纤芯玻璃和包层玻璃具有不同的折射率，光沿着中央纤芯传播，当光线到达纤芯和包层交界处，光线被反射回纤芯，这样光就被保持在纤芯里，因此无论光纤如何弯曲，光总能从光纤的一端射进，从另一端射出，而且所受的影响非常微小，就像电流能沿着弯曲的电线传输一样。
制造光纤的最大困难就是保持玻璃足
够纯净，因为不纯净将会散射和吸收光。
激光能沿着一条由相当纯净的玻璃制成的光纤传播100多千米而强度又很少损失。
用于制光纤的玻璃是如此纯净，以至于你能看透用这种玻璃制成的1km厚的玻璃块（普通玻璃在lm厚时就不透明了）。
（二）光纤和远距离通信
由于光纤具有纤细、柔软、质轻、透光性好、不受干扰、成本低等优点，故在信息社会的今天，光纤已成为一种极其重要的信息传输工具。
作为远距离通信的一种载体，光导纤维正迅速地代替铜导线。
一根细如发丝（直径为几十微米）的光纤传送几千路通话，而一根铜导线只能传输几十路通话。
一个发达国家，没有一个好的远距离通信系统，发展就会受到阻碍。
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所谓光导纤维是细如毛发并可自 由弯曲的导光材料。
光导纤维的曲折发展
光通讯是人类最早应用的通讯方式之一。 从烽火传递信号，到信号灯﹑旗语等通讯方式， 都是光通讯的范畴。但由于受到视距﹑大气衰减 ﹑地形阻挡等诸多因素的限制，光通讯的发展缓 慢。 • 1870年的一天，英国物理学家丁达尔到皇家 学会的演讲厅讲光的全反射原理，他做了一个简 单的实验：在装满水的木桶上钻个孔，然后用灯 从桶上边把水照亮。结果使观众们大吃一惊。人 们看到，放光的水从水桶的小孔里流了出来，水 流弯曲，光线也跟着弯曲，光居然被弯弯曲曲的 水俘获了 。
按光纤的工作波长分：短波长光纤、 长波长光纤和超长波长光纤。 • 短波长光纤是指0.8～0.9μm的光 纤； • 长波长光纤是指1.0～1.7μm的光 纤； • 而超长波长光纤则是指2μm以上 的光纤。
按最佳传输频率窗口分：
常规型：光纤生产长家将光纤传输频率最佳化在单 一波长的光上，如1300μm。 • 色散位移型：光纤生产厂家将光纤传输频率最佳化 在两个波长的光上，如：1300μm和1550μm。 • 我们知道单模光纤没有模式色散所以具有很高的带 宽，那么如果让单模光纤工作在1.55μm波长区，不就可 以实现高带宽、低损耗传输了吗？但是实际上并不是这 么简单。常规单模光纤在1.31μm处的色散比在1.55μm 处色散小得多。这种光纤如工作在1.55μm波长区，虽然 损耗较低，但由于色散较大，仍会给高速光通信系统造 成严重影响。因此，这种光纤仍然不是理想的传输媒介。 •
• 重量轻
因为光纤非常细，单模光纤芯线直径一般 为4um～10um，外径也只有125um，加上防水层、 加强筋、护套等，用4～48根光纤组成的光缆直 径还不到13mm，比标准同轴电缆的直径47mm要小 得多，加上光纤是玻璃纤维，比重小，使它具有 直径小、重量轻的特点，安装十分方便.
•
抗干扰能力强
因为光纤的基本成分是石英，只传光，不导电， 不受电磁场的作用，在其中传输的光信号不受电 磁场的影响，故光纤传输对电磁干扰、工业干扰 有很强的抵御能力。也正因为如此，在光纤中传 输的信号不易被窃听，因而利于保密。
我们知道，一个系统的可靠性与 组成该系统的设备数量有关。设备越多， 发生故障的机会越大。因为光纤系统包含 的设备数量少(不像电缆系统那样需要几 十个放大器)，可靠性自然也就高，加上 光纤设备的寿命都很长，无故障工作时间 达50万～75万小时，其中寿命最短的是光 发射机中的激光器，最低寿命也在10万小 时以上。故一个设计良好、正确安装调试 的光纤系统的工作性能是非常可靠的。
•
为了使光纤较好地工作在1.55μm处，人们 设计出一种新的光纤，叫做色散位移光纤 （DSF）。这种光纤可以对色散进行补偿， 使光纤的零色散点从1.31μm处移到 1.55μm附近。这种光纤又称为1.55μm零 色散单模光纤，代号为G653。
光纤的应用
• 光纤的优良特性，使之在光纤通信、 传感、传像、传光照明与能量信号传输等 多方面的领域被广泛而大量应用，并已成 为当今世界的新兴支柱产业，需求非常旺 盛。近50年来光纤技术在光纤传感、光纤 传像、传光照明、能量传输与信号控制、 特别是在光纤通信等民用与军工的广泛领 域获得了重要而大量的应用，尤其在信息 技术领域正表现出越来越强大的生命力以 及广阔的应用前景，因而也必然是21世纪 最有发展前景的技术与产业。
二、非氧化物光纤
非氧化物光纤有氟化物玻璃、 硫族化合物玻璃，和卤化物晶体 三类，与氧化物光纤相比，非氧 化物光纤由重离子组成，熔点较 低，离子间结合力弱，可吸收红 外长波，这是此类材料固有的光 损耗。
• 三、 聚合物光纤
聚合物光纤由高折射率的均匀熟料芯和低折 射率的塑料涂层组成，其特点是质量轻、韧性好、 接受光的能力强，但耐温较低，一般不超过 100℃，特殊处理后不超过200℃，化学稳定性较 差。一般用于制作聚合物光纤的材料有聚苯乙烯、 聚甲基丙烯酸甲脂、聚碳酸酯等。当波长为0.3 到0.6微米时，聚合物光纤的损耗是很低的。它 在汽车、飞机、通讯等部门应用，尤其是大量应 用于仪器间连接等短距离通讯，其使用方便抗震 耐用。 还有一类兼具成像作用的聚合物光纤，称为 聚焦导光纤维，其焦距、相距、放大率和色差都 是纤维长度的周期函数，只要截取适当的长度就 能得到放大和缩小，正立或倒立的实相和虚像。
• 保真度高
因为光纤传输一般不需要中继放大， 不会因为放大引来新的非线性失真。只 要激光器的线性好，就可高保真地传输 电视信号。实际测试表明，好的调幅光 纤系统的载波组合三次差拍比C/CTB在 70dB以上，交调指标cM也在60dB以上， 远高于一般电缆干线系统的非线性失真 指标。
• 工作性能可靠
光纤的构造及其原理
• 光导纤维：细如毛发并可自由 弯曲的导光材料。 • 光导纤维由中心部位折射率高 的芯纤和包敷此芯纤的低折射 率护套构成。
光纤纤芯
• 一般的光纤纤芯材料有石英玻 璃与塑料，塑料光纤的价格约 石英光纤的十分之一，石英光 纤的核心口径较小，石英单模 光纤约5~12μm，石英多模光纤 约50~150μm，而塑料光纤的核 心口径约1000μm。
按光在光纤中的传输模式分：
• 多模光纤(Multi Mode Fiber)：中心玻璃芯 较粗(50或62.5μm)，可传多种模式的光。但其 模间色散较大，这就限制了传输数字信号的频率， 而且随距离的增加会更加严重。因此，多模光纤 传输的距离就比较近，一般只有几公里。 • 单模光纤(Single Mode Fiber)：中心玻璃 芯很细(芯径一般为9或10μm)，只能传一种模式 的光。因此，其模间色散很小，适用于远程通讯， 但还存在着材料色散和波导色散，这样单模光纤 对光源的谱宽和稳定性有较高的要求，即谱宽要 窄，稳定性要好。
光纤之父 高锟博士
1970年，美国康宁玻璃公司首先拉制成功第 一根每千米只衰减20分贝的石英玻璃光导纤 维。此后，光导纤维的衰减率不断下降： 1974年，每千米2分贝，1976年，每千米1分 贝，1979年，每千米0.2分贝，80年代达到 每千米0.16分贝，90年代研制的氟化物玻璃 纤维衰减更低，已降低到每千米0.03分贝。 这种高纯度氟化物玻璃光导纤维的传输能力， 十分高强，一次传送距离长达4800km，可以 在无中继站的情况下进行洲际光通信。今天 可以说，光导纤维是经过艰辛的历程，才取 得辉煌的成绩的。
sinθm = n1 sinθ2 =( n12- n22 )1/2
光纤的损耗
• 光纤的损耗分为材料固有的光损耗和由杂 质及加工过程引起的外因性光损耗。 • 材料固有的光损耗分为以下三类： • 短波部分的瑞利散射，由于保持热平衡的 光波长数量级不同而引起直射率起伏 • 紫外吸收是由电子在能带间跃迁引起的 • 红外吸收则是由组成离子共振引起的，由 重离子构成的材料，离子间的结合力弱， 较容易吸收波长较长的红外光
• 如图，假设在界面一光线入射光纤入射角 θm 时，在入射外壳介质时发生全反射之临界现象， 亦即在界面二光线折射角为90度，而在界面二光 线入射角为θc，而在界面一光线入射角如大于 θm 时，光线将无法在在核心中传送。 设核心之折射率 n1 在界面一，依折射定律可得 n1 sinθ2 = sin θm 在界面二，依折射定律 可得 n2 sin90°= n1 sinθc 又，θ2 = 90°-θc 可得 n2= n1 cosθ2， • cosθ2 = n2 / n1 sinθ2 = ( 1- cos2θ2 )1/2 =( n12- n22 )1/2 / n1
•
人们曾经发现，光能沿着从酒桶中喷出的 细酒流传输；人们还发现，光能顺着弯曲 的玻璃棒前进。这是为什么呢？难道光线 不再直进了吗？ 这些现象引起了丁达尔的注意，经过他 的研究，发现这是全反射的作用，即光 从水中射向空气，当入射角大于某一角 度时，折射光线消失，全部光线都反射 回水中。表面上看，光好像在水流中弯 曲前进。实际上，在弯曲的水流里，光 仍沿直线传播，只不过在内表面上发生 了多次全反射，光线经过多次全反射向 前传播。 这为光导纤维的产生奠定了理 论基础。
材料收集 ： PPT制作 ：
2009114131
2009114130
演示 ：
2009114110
• 在光通信电话网中，利用送话器 的微音器把声音变为电信号，再 由发光元件把电信号变成光信号， 光信号传播到目的地后在转变成 电信号，使受话器鸣叫。这就是 电话的简单原理，可是大家知道 如此虚无缥缈的光信号是如何传 播的吗？ • 这就涉及到我们今天要讲的一类 特殊材料——，光线入射二种不同介质时 发生反射及折射现象，利用全反射，我们可很 轻易的使用光纤来改变光的行进方向，且在过 程中，光的损耗最小。为使光线能在核心中传 送，因此光线需依全反射方式行进，所以核心 部份之折射率须比外壳之折射率大。除此之外， 如果我们希望光线能在核心入射外壳介质时发 生全反射现象，那么光线在入射进光纤时其入 射角亦不能太大 。
一、光纤传光照明与能量信号传输
利用光纤的传光功能，将光纤与可见光光源或 激光光源相结合，可以实现照明、装饰以及光信 号与高功率能量的传输，这是光纤应用的一个重 要分支领域，而且随着建筑业新型照明装饰等潜 在的巨大需求被开发，光纤在照明装饰、能量与 信号传输这一领域将呈快速增长趋势。 • 能实现上述全部或部分功能的材料有：玻璃 光纤、石英光纤、液芯光纤和塑料光纤。不同的 材料由于其性能的差异，各有其适合的应用领域 和场合。
• 外因引起的光损耗有-OH基 及铁等杂质的吸收、由各 种内部缺陷所引起的吸收 及散射和由在纤维化过程 中发生在芯线与护套界面 处的微小起伏等因结构不 规整而引起的散射。这些 外因是由于原料中的杂质 和制作过程不够精良造成 的，可以通过提高原料纯 度，改善制造工艺来降低 其光损耗。
光纤的特点
• 损耗低 在同轴电缆组成的系统中，最好的电缆在传 输800MHz信号时，每公里的损耗都在40dB以上。 相比之下，光导纤维的损耗则要小得多，传输 1.31μm的光，每公里损耗在0．35dB以下若传输 1．55μm的光，每公里损耗更小，可达0．2dB以下。 这就比同轴电缆的功率损耗要小一亿倍，使其能传输 的距离要远得多。此外，光纤传输损耗还有两个特点， 一是在全部有线电视频道内具有相同的损耗，不需要 像电缆干线那样必须引人均衡器进行均衡；二是其损 耗几乎不随温度而变，不用担心因环境温度变化而造 成干线电平的波动。