光导纤维是怎样传播光线的？

人们在日常生活中都知道光线只能以直线前进，如果一个光源发生的光线，在它传播的路途中遇上障碍物，那光线就会被挡住，因为光线不能绕道而行，要使光线改变前进的方向，通常要借助于反射镜之类的光学元件。有什么简单的办法能使光线自由地弯曲前进呢?人们很自然会设想到光线能否象水管输送水、气体管道输送气体那样，也沿着一根导管进行传播呢?关键在于有没有可能制造出导光的管子。如果采用普通的玻璃管来传输光线时，光线很快就从玻璃管壁泄漏出去，这显然是不能达到传输光线的目的。后来，人们通过不断实践摸索，终于找到了一种特殊结构的光学纤维，当光线从它的一端射入时，它能把入射的大部分光线传送至它的另一端。这种能传输光线的纤维就叫做光导纤维，在光学技术上又叫做光波导。

光导纤维是怎样传播光线的呢?那就要先从光导纤维的结构谈起。光导纤维的直径比人的头发还要细，取一种光导纤维，把它切断，放在显微镜下观察，就可以发现它的断面很象胡萝卜。中央有一个芯，芯的直径只有几十微米(一微米等于百万分之一米)，芯的四周是一圈包皮。整个纤维的外径约为一百至二百微米。芯是用高折射率的透明光学玻璃材料做成的，包皮是用低折射率的玻璃或塑料做成的。具有这种结构的光导纤维叫做芯皮型结构光纤。还有一种液芯的芯皮结构光纤，那是先用包皮材料做成空心毛细管，中间的孔很小，然后再用高压将折射率高的液体压人管子中制成的。

我们知道，折射率大的物质在光学中叫做光密介质，折射率小的物质叫做光疏介质。当光线从光密介质射人光疏介质时，它的传播方向要发生改变，一部分光线通过交界面进入光疏介质，这种现象叫做光的折射；还有一部分光则从交界面返回原来的介质，这就是反射现象。如果光线的入射角增大到一定角度时，光线就会从两介质的分界面上全部返回原来的介质，而没有光线进入光疏介质，这就是光的全反射现象，这时的人射角叫做产生全反射的临界角。根据同样的道理，由于光导纤维的芯材料和皮材料折射率不同，芯的折射率大，皮的折射率小，光线以各种不同的角度从折射率大的芯射至与折射率小的皮的交界面时，在一般情况下，光线就在该处一部分透射一部分反射。但是，在界面上光线的入射角大于临界角时，光线就不会透过界面，而全部被反射，也就是说光被全反射。根据这种现象，使得向光导纤维中人射的光与光轴之间的夹角小于一定值时，光线就跑不出去，而只能在界面上经过无数次反射，呈锯齿状路线在芯内向前传播，最后传送至纤维的另一端。这就是光导纤维传光的基本原理。

光导纤维的结构大体上有两类，一类就是上面提到的芯皮型结构。芯皮型结构光导纤维又可分为阶跃型光导纤维和梯度型光导纤维。

另一类光导纤维叫做自聚焦纤维，它的传光原理和芯皮型结构的纤维是不同的。我们知道，当光线垂直地通过平行玻璃薄板后，它的传播方向不变，但是当一束平行光通过双凸透镜时，光线就会向中部会聚。自聚焦光导纤维就好象是由许多这样的微型透镜组合成的。它能迫使入射的光线逐渐自动地向纤维的中心轴线方向靠拢，进行聚焦，因此光线就不会从光导纤维中泄漏出去。由于这种光导纤维能使光线自动聚焦，所以人们称它为自聚焦光导纤维。在自聚焦纤维中，纤维中央的折射率最高，向四周折射率连续均匀地减小，纤维边缘折射率最低。

(高庄摘自科学出版社《光导纤维》)

〔摘者附言〕本书是《新技术革命丛书》的一种。丛书由九种书组成，它们是:《新技术革命的崛起》《信息与社会》《微电子技术及其影响》《新技术革命中的激光》《光导纤维》《材料与材料科学》《海洋——具有战略意义的开发领域》《生物技术》和《遗传工程》。丛书以中等文化程度的读者为对象，通俗地介绍了当代新技术、新知识。