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§第一 一个有趣的实验（第2页）

如果入射角选择得适当，光线就会在界面上发生完全内反射。

因而包层界面反射角有一个产生全反射的临界值，当包层界面入射角等于或大于光线就会产生全反射，而不会射入包层中去。

相应，有一个临界端面入射角。

如果端面入射角大于包层界面入射角，将小于光线，此时不会产生全反射，光线就要有一部分射入包层而跑到纤维外面去。

如果端面入射角等于或小于，包层界面入射角将等于或大于光线，这样就满足了全反射条件，入射光线将在芯和包层的界面上不断地产生全反射，如此向前传播过去。

如果纤维是均匀的圆柱体，则入射光线就可以在纤维内经过若干次全反射，视纤维长度和直径不同，可能是几千次、几万次、几亿次，而后就由光学纤维的一端传到了另一端。

实际上，光学纤维往往是弯曲的，只要弯曲程度在允许范围内，就不会影响光在纤维内部的传播，这是一个很可贵的特性。

正因为有这样的特性，在实用中才可能利用光学纤维或光缆，引导激光转弯传输或者转弯辐射。

光学纤维的临界端面入射角，称为纤维的孔径角。

从大小表示光学纤维对光可接收的范围越大，纤维入射端的截面上接收的光的范围就越大，射入纤维芯部的光也就越多。

在角以外的光线都会穿过包层散射掉。

由此可见，孔径角越大，激光束越容易射入纤维芯中去，因此，在光源与纤维之间作耦合就越方便。

孔径角的正弦与入射光线所在媒质的折射率的乘积，称之为数值孔径。

孔径角的大小，与纤维芯和包皮的折射率有关系。

光学纤维的芯料和包皮的折射率差大，它的孔径角就大，数值孔径之值也大。

为了光源和纤维的耦合方便，希望有大的数值孔径，但考虑到模式，则要选取一个合适的值。

除上述包层式光学纤维之外，还有其它几种光学纤维：（1）自聚焦式光学纤维，利用光的聚焦性质制成的，其中各处折射率不同而使光在其中传播方向发生变化；（2）液芯光学纤维，通常用石英毛细管作外套管，而内部充以**为芯，传光原理同普通光学原理一样；（3）单材料光学纤维，用损耗最低的单一材料如熔融石英制成。

芯可为圆形、方形或其它形状，而用一条薄条板架空于套管内，芯、板与套管均为同一材料；（4）塑料光学纤维，用一种高度透明的聚合物塑料制造的，它的柔软性特别好。

一束光从纤维的一端射入而从另一端射出，在纤维中传播的过程中，光能将受到损失，也就是说，光的强度会降低。

这个问题，对于利用光学纤维传输光来说，是具有十分重要的实际意义的。

譬如，光纤通讯能否实现的一个关键问题，就是光纤损耗能否下降到20分贝公里以下。

对光纤损耗的大量分析表明，主要损耗有：（1）纤维材料吸收，它是由于制造光学纤维的材料吸收光能并转换为热能而散失掉所造成的。

如果纤维材料中含有某些过渡金属正离子和水分中氢氧根离子等不需要的杂质离子，则这些离子在光波的激励下发生振动而消耗掉光能。

如果没有杂质离子，只是一般玻璃原材料成分的变化，则对吸收的影响不大；（2）纤维材料散射，就是光在纤维中传播过程遇到不均匀或不连续的情况，将会有一部分光散射到各个方向去，以致不能传输到终点而造成损失。

制造过程中，在纤维芯中产生的缺陷，如气泡、杂质、析晶、不溶解粒子，特别是由于芯和包层的界面处不平，都会引起散射损耗。

再有，材料密度不均匀所造成的折射率不均匀，也会引起散射损耗；（3）光波导散射，这是由于纤维尺寸沿长度发生变化而造成的。

如拉制纤维粗细不均、截面形状改变等，光波传播到这样的地方，就会有一部分能量因辐射出去而损失掉多（4）纤维的包层损失，即光在光学纤维中传播时一部分光穿透纤维芯与包皮之间的界面而进入包皮里去，甚至穿出包皮而散射到空间去。

这不但造成光能的损失，而且还会在多根纤维汇集在一起而组成的光缆中造成纤维与纤维之间发生串光现象，这对于光纤通讯来说即引起串话于扰；（5）纤维弯曲损耗，光学纤维柔软可弯，这对传光是极为有利的，但纤维的弯曲却会使光传播路径改变而渗透到包皮或包皮之外去，造成泄漏损失。

因此，光学纤维弯曲的曲率半径有一个可容许的最小值。

如果曲率半径大于容许值，弯曲造成的损耗可以忽略不计。

光损耗除原材料的吸收损耗和散射损耗外，其它损耗都是由于工艺不完善而引起的。

当损耗在1000分贝公里左右时，绝大部分为材料吸收所产生；当损耗在10分贝公里以下时，波导散射和材料散射则成为主要影响了。

对玻璃棒材料和玻璃纤维的损耗测量表明，光损耗的大小与所采用的光波长有关系。

光的波长，取决于光源。

因此，在使用时应当选用波长处于光纤维低损耗区的光源。

例如，一般光学纤维的低损耗区的波长范围，在0.65～0.73微米波段，可选用氦氖激光器；在0.75～0.85微米波段，可选用半导体砷化镓激光器；而在1～1.5微米波段，可选用Nd：YAG固体激光器等。