纤维光学(卷名：物理学)
fiber optics
研究光在透明纤维中传输特性、制作技术及应用的分支学科。它是20世纪50年代以来才发展起来的一门新学科。
发展简史 纤维光学的发展可以追溯到1929年， 当时制成了无涂层的石英光学纤维。1953年，制成了有涂层的玻璃光学纤维，为光学纤维的发展奠定了基础。1956年，正式提出了“纤维光学”一词，并初步讨论了光在光学纤维中的传输和光学纤维的应用。1958年制成光学纤维面板，1960年制成可实用的光学纤维传像束。从此形成了独立的分支学科。1969年以后，纤维光学又有重大发展，主要是制成了低损耗光学纤维和变折射率光纤，促进了激光通信迅速发展，并引出了一门新的分支学科──变折射率光学。
类型 按折射率分布情况分，光学纤维主要有阶跃折射率型（又称套层光学纤维或均匀芯光学纤维）和变折射率型（又称梯度折射率光学纤维、渐变折射率光学纤维或非均匀芯光学纤维）两类，其折射率分别为
(1)及
(2)这里，n1、n2和nr分别为芯(或轴上)、涂层和距轴r处的折射率，a为光学纤维芯的半径，g为折射率分布常数，
为相对折射率差。从式(2)可知，当g→0时，式(2)变成式(1)，梯度折射率分布就变成阶跃折射率分布。光纤有多种分类方式，按传输的传导模数分，光学纤维可分为单模和多模两种；按材料本身特性可分为发光纤维、激活纤维及耐辐射、红外、紫外和 X射线光学纤维六种；按纤维结构可分为圆柱形、椭圆形和锥形三种；按损耗特性分，有低损耗和高损耗两种；按使用的材料分，有玻璃、塑料、液芯和单材料四种。附图给出了几种主要的光学纤维的折射率分布、芯直径的典型数值和光线的轨迹。
光在光纤中传输的基本原理 从光线光学的观点来看，光线在阶跃折射率光纤中传输的基本原理是在芯-涂层界面上发生的内全反射。子午光线（和纤维轴相交的光线）的传输轨迹是锯齿形折线，斜光线（和纤维轴不相交的光线）的传输轨迹是围绕纤维轴的螺旋折线。对于梯度折射率光纤，由于折射率在芯中呈梯度分布，子午光线的传输轨迹是正弦曲线，斜光线的传输轨迹是围绕纤维轴的螺旋曲线。
从波动光学的观点看，每根光学纤维就是一个波导管，其中只能传输具有确定时间、空间分布并且满足麦克斯韦方程组和一定边界条件的电磁波(称为模)。传输的模数和纤维参量、入射光频率及纤维的性质有关。如果纤维的直径足够小，或者数值孔径(即相对折射率差)足够小，则仅有一个基模可以在其中传输，这样的光学纤维就称为单模光学纤维。单模阶跃折射率光学纤维的直径典型值是1～5微米，它的特点是色散小，传输带宽大，是当前人们很感兴趣的一种激光通信传输媒质。此外，为了得到最大的传输带宽，就要尽量减少传输模之间的群速度差。变折射率光学纤维能满足这一要求，是一种很有希望的传输媒质。
光学纤维的主要参量是直径、损耗、数值孔径、色散、分辨率、像差和传递特性等。在这两类光学纤维中，子午光线和斜光线的数值孔径NA分别是
(3)和
(4)这里φ为入射光线的方位角。从式(3)、式(4)可知NA
＞NA
，当φ＝0时，NA
就简化为NA
。NA
是距轴距离r的函数。光学纤维可以单根使用，也可成束使用。单根光学纤维本身就是一个光导管，可以用它来传输光信号。为使光学纤维柔软和具有良好的传光能力，光学纤维的直径一般是25～50微米；塑料光学纤维的直径是几百微米至几毫米。单根变折射率光纤不仅可以导光，而且可以在一定长度以内传像。这种变折射率光纤的直径可以小到几十微米，也可以大到几十毫米，其物像关系和普通透镜相似，不同的是它的像距、焦距和色差都是棒长的周期函数。只要截取适当的长度，就可得到极短的焦距和放大或缩小、正立或倒立、实的或虚的像，而且分辨率较高(300线对/毫米以上)，像差较小形成棒透镜。用两个这样的棒透镜耦合就可以代替原来由六片普通透镜组合而成的照相机物镜。因而可以使光学仪器的结构简单、重量轻、体积小，并向微型发展，极大地促进了微型光学的发展。
如果将大量单根光学纤维严格排列成束，并使束两端的单根光学纤维呈相关排列，即一一对应。这样的光学纤维束就能把一幅大小等于束端面积的图像清晰的从一端传到另一端。传像束的分辨率主要取决于单根光学纤维的直径d和排列方式。对正方形排列的元件，极限分辨率是1/2d；对六角形排列的元件，极限分辨率是
。为使光学纤维束有较高的分辨率而在工艺上又不过分困难，单根光学纤维的直径一般是10～20微米。光学纤维面板是另一类重要的传像元件，这种元件的长度很短(一般为3～10毫米)、端面积很大(直径可达 250毫米以上)，并且要求真空气密性好、数值孔径大、分辨率高（单丝直径小于5微米，分辨率可达100线对／毫米）、调制传递特性和边缘响应性能好，因此制作方法与传像束不同。应用 纤维光学元件有四方面应用。①直接传像，如各种潜望镜、各种医用内窥镜（如胃镜、肠镜、膀胱镜、子宫镜和关节镜等）和电子光学器件中的纤维端窗。②导光，如各种形式的光学纤维照明器、信号显示器、传感器和激光通信光缆。以低损耗光纤波导为传输媒质的激光通信的显著特点是传输带宽大、通信容量大、损耗低（在1.55微米处的损耗已达0.2分贝/公里）、中断距离大、抗干扰性能好，而且重量轻、省金属、价格便宜。③析像，如密码传像和各种光学纤维图像变换器，这是一类具有特殊用途的光学纤维元件。它的每根光学纤维在束两端面上的位置按要求形式排列，这样就使输出像元的排列位置有明显改变，因而改变了输出图像的形状，达到使用方便、保密性好的目的。这种元件已广泛用于无线电传真系统。④光纤传感，用光学纤维作“传”和“感”元件的光纤传感器，可对欲测的物理量（如温度、速度、加速度、位移、磁场强度、声场强度、方位、压力等）进行精确测量，而且测量精度高、不受电磁干扰、结构简单、使用方便，因而近几年发展很快。
参考书目
《纤维光学》编写组编：《纤维光学》，国防工业出版社，北京，1974。
N.S.Kapany，Fiber Optics，Academic，New York，1967.
H. G. Unger， Planar Optical Waveguides and Fibers，Clarendon Press， Oxford， 1977.