《光导纤维玻璃》PPT课件.ppt

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1、光导纤维玻璃赵静 12721752光导纤维简介定义：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1100m左右。组成组成：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。原料：原料：纤芯由高透明固体材料（高纯二氧化硅玻璃、多组分玻璃、塑料等）制成，包层由折射率相对纤芯低的石英玻璃、多组分玻璃、塑料制成。纤芯纤芯：纤芯位于光纤的中心部位（直径纤芯位于光纤的中心部位（直径d1约为约为9-50nm），其成），其成份是高纯度的二氧化硅。份是高纯度的二

2、氧化硅。包层包层：包层位于纤芯的周围（直径包层位于纤芯的周围（直径d2约约125nm），其成份也是），其成份也是含有极少量掺杂剂的高纯度二氧化硅。含有极少量掺杂剂的高纯度二氧化硅。涂覆层涂覆层：光纤的最外层是由丙烯酸酯、硅橡胶和尼龙组成的涂光纤的最外层是由丙烯酸酯、硅橡胶和尼龙组成的涂覆层，其作用是增加光纤的机械强度与可弯曲性。覆层，其作用是增加光纤的机械强度与可弯曲性。光导纤维的发展u发明和使用发明和使用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

3、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。u光纤的历史光纤的历史1880年年 Alexandra Graham Bell发明光束通话传发明光束通话传1960年年 电射及光纤之发明电射及光纤之发明1977年年 首次实际安装电话光纤网路首次实际安装电话光纤网路1978年年 FORT在法国首次安装其生产之光纤电在法国首次安装其生产之光纤电1990年年 区域网路及其他短距离传输应用之光纤区域网路及其他短距离传输应用之光纤2000年年 到屋边光纤到屋边光纤=到桌边光纤到桌边光纤2005年年 FTTH(Fib

4、er To The Home)光纤直接到家庭光纤直接到家庭光导纤维的类型u按传输模式分：多模光纤和单模光纤。u按传播波长的长短分:短波长光纤(传输波长为0.8-0.9m）、长波长光纤(传输波长为1.3-1.6m）。u按纤芯材料组成分：石英光线、多组分玻璃光纤和塑料光纤。此外还有些特种光纤，如掺稀土光纤、红外光纤、发光光纤等。u按折射率分：阶跃型（SI）和渐变型（GI）光纤。SI光纤的纤芯和包层部分折射率均保持不变，而在纤光纤的纤芯和包层部分折射率均保持不变，而在纤芯与包层的界面处折射率发生突变。芯与包层的界面处折射率发生突变。GI光纤包层折射率不变，纤芯部分折射率沿径向逐渐变小。光纤包层折射率

5、不变，纤芯部分折射率沿径向逐渐变小。其中其中SI只适用于短距离、小容量的通讯系统。只适用于短距离、小容量的通讯系统。GI适用于远程距适用于远程距离，但成本较高，现在多模光纤多为离，但成本较高，现在多模光纤多为GI光纤光纤。多模光纤多模光纤：光纤芯径大光纤芯径大（50-100m）或数值孔径大的光纤中，或数值孔径大的光纤中，允许多个具有不同入射角的光线进入光纤传播，即光纤中有多允许多个具有不同入射角的光线进入光纤传播，即光纤中有多个传输模式。个传输模式。单模光纤单模光纤：当光纤芯径较小当光纤芯径较小（8-10m）或数值孔径小时，将只或数值孔径小时，将只允许与光纤轴一致的光纤进入光纤传播。允许与光纤

6、轴一致的光纤进入光纤传播。其中多模光纤传输的距离较近，单模光纤适用于远程通讯。其中多模光纤传输的距离较近，单模光纤适用于远程通讯。光导纤维对玻璃材料的要求光导纤维对玻璃材料的要求 光导纤维是由玻璃材料经加热拉伸并迅速冷却制光导纤维是由玻璃材料经加热拉伸并迅速冷却制成的。成的。这种方式所形成的玻璃纤维与同成分的块状玻璃在光学这种方式所形成的玻璃纤维与同成分的块状玻璃在光学和热学性能上常会发生较大的差异和热学性能上常会发生较大的差异:由于在玻璃纤维中要求由于在玻璃纤维中要求包皮玻璃和芯玻璃有大面积的粘结，而且包皮玻璃和芯玻璃有大面积的粘结，而且在拉制纤维的高温在拉制纤维的高温下下，包皮玻璃和芯玻璃

7、还会，包皮玻璃和芯玻璃还会相互作用相互作用，因而，所用玻璃的热，因而，所用玻璃的热学性质和机械性质的差别都将影响纤维制品的强度。学性质和机械性质的差别都将影响纤维制品的强度。(1)折射率折射率芯和皮玻璃的折射率要满足数值孔径的要求，如通讯纤维、激光芯和皮玻璃的折射率要满足数值孔径的要求，如通讯纤维、激光纤维和光电仪器等，对光导纤维要求数值孔径位于纤维和光电仪器等，对光导纤维要求数值孔径位于0.01 3.0之间。之间。(2)光透过率光透过率对制造纤维的芯、皮玻璃的对制造纤维的芯、皮玻璃的透明性透明性有特别高的要求，其光吸收系有特别高的要求，其光吸收系数应远小于数应远小于0.001 cm-1。(3

8、)玻璃缺陷玻璃缺陷 不允许有气泡、条纹和任何夹杂物等存在。不允许有气泡、条纹和任何夹杂物等存在。光导纤维对光学参数的要求折射率光透过率玻璃缺陷(1)粘度粘度有适宜的温度粘度曲线，能够拉制纤维制品。有适宜的温度粘度曲线，能够拉制纤维制品。在工作温度区范围内，芯、皮玻璃的粘度相近。在工作温度区范围内，芯、皮玻璃的粘度相近。(2)软化点软化点有较高的软化点，能烧去粘附在纤维上的有机杂有较高的软化点，能烧去粘附在纤维上的有机杂质，而且质，而且在在加热操作中，光学参数不易变化。加热操作中，光学参数不易变化。(3)热膨胀系数热膨胀系数芯玻璃的线膨胀系数稍大于皮玻璃时，可制芯玻璃的线膨胀系数稍大于皮玻璃时，

9、可制“结结实实”的纤维制品。的纤维制品。当当 45 10-7 K-1时，能制得最时，能制得最“结实结实”的的纤维元件。纤维元件。(4)玻璃组成玻璃组成芯玻璃和皮玻璃要有相同的基本成分；对于激光芯玻璃和皮玻璃要有相同的基本成分；对于激光纤维则应引入钕、钬和镱等氧化物；对于荧光纤维纤维则应引入钕、钬和镱等氧化物；对于荧光纤维(用紫外、用紫外、X射线、高能粒子激发后能发射荧光射线、高能粒子激发后能发射荧光)要引要引入荧光活化剂。入荧光活化剂。(5)光纤玻璃的相容性光纤玻璃的相容性在制造光纤元件时，芯皮边界在各制造工序中均在制造光纤元件时，芯皮边界在各制造工序中均不产生析晶、乳化、发泡、生色等干扰传光

10、的现象。不产生析晶、乳化、发泡、生色等干扰传光的现象。粘度粘度 软化点软化点 热膨胀系数热膨胀系数 玻璃组成玻璃组成 光纤玻璃的相容性光纤玻璃的相容性 光光纤纤对对玻玻璃璃物物化化性性能能要要求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n1n0,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

11、图可见，ri若使光束从光密煤质射向光疏煤质时，则折射角大于入射角，如图所示。如果不断增加可使折射角r达到90,这时的r称为临界角。当光线从光密煤质射向光疏煤质，且入射角大于临界角时，就会产生全反射现象。光纤就是利用这种全反射来传输光信号的。临界角和光线的全反射临界角和光线的全反射光在阶跃光纤中的传播轨迹，即按“之”的形状传播及沿纤芯与包层的分界面掠过，如下图所示：在制造光纤时，使光纤纤芯的折射率高，在外面涂上一包屏层，可使折射率降低；当选择一定的角度时，射入纤芯的光束将会全部返回纤芯中。工业宇航交通其它 通信领域 光导纤维最广泛的应用在通信领域，即光导纤维光导纤维最广泛的应用在通信领域，即光导

12、纤维通信。作为光源的激光方向性强通信。作为光源的激光方向性强 频率高，是进行光频率高，是进行光通信的理想光源；光波频带宽，与电波通信相比，能通信的理想光源；光波频带宽，与电波通信相比，能提供更多的通信通路，可满足大容量通信系统的要求。提供更多的通信通路，可满足大容量通信系统的要求。因此，光纤通信与卫星通信一并成为通信领域里最活因此，光纤通信与卫星通信一并成为通信领域里最活跃的两种通信方式。跃的两种通信方式。照明和光能传送领域照明和光能传送领域在照明和光能传送方面，利用光导纤在照明和光能传送方面，利用光导纤维短距离可以实现一个光源多点照明，维短距离可以实现一个光源多点照明，光缆照明。由于光导纤维

13、柔软易弯曲变光缆照明。由于光导纤维柔软易弯曲变形，可做成任何形状，以及耗电少形，可做成任何形状，以及耗电少 光光质稳定光泽柔和质稳定光泽柔和 色彩广泛，是未来的色彩广泛，是未来的最佳灯具。最佳灯具。此外，还可用于易燃此外，还可用于易燃 易爆易爆 潮湿和腐、潮湿和腐、蚀性强的环境中不宜架设输电线及电气蚀性强的环境中不宜架设输电线及电气照明的地方作为安全光源。照明的地方作为安全光源。军事领域军事领域在国防军事上，光导纤维也有广泛的应在国防军事上，光导纤维也有广泛的应用，可以用光导纤维来制成纤维光学潜用，可以用光导纤维来制成纤维光学潜望镜，装备在潜艇望镜，装备在潜艇坦克和飞机上。光坦克和飞机上。光纤

14、通讯的另一特点是其保密性好、不受纤通讯的另一特点是其保密性好、不受干扰且无法窃听，这一优点使其广泛应干扰且无法窃听，这一优点使其广泛应用于军事领域。用于军事领域。医学领域医学领域 在医学上，光导纤、在医学上，光导纤、维可以用于食道维可以用于食道 直肠直肠 膀胱膀胱 子宫胃等深部探子宫胃等深部探查内窥镜（胃镜查内窥镜（胃镜 血管血管镜等）的光学组件和不镜等）的光学组件和不必切开皮肉直接插入身必切开皮肉直接插入身体内部，切除癌瘤组织体内部，切除癌瘤组织的外科手术激光刀，即的外科手术激光刀，即由光导纤维将激光传递由光导纤维将激光传递至手术部位。至手术部位。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。其它领域其它领域 光导纤维还可用于火车站、机场、广场、证券交易场所等大型显示屏幕，短距离通讯和数据传输，将光电池纤维布与光导纤维布巧妙地结合在一起可制成夜间放光的夜行衣。