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111 課前準備的閱讀資料: 傳遞信息的使者——光導纖維 光導纖維又稱導光纖維﹑光學纖維，是一種把光能閉合在纖維中而產(chǎn)生導光作用的纖維。它能將光的明暗﹑光點的明滅變化等信號從一端傳送到另一端。光導纖維是由兩種或兩種以上折射率不同的透明材料通過特殊復合技術制成的復合纖維。它的基本類型是由實際起著導光作用的芯材和能將光能閉合于芯材之中的皮層構(gòu)成。光導纖維有各種分類方法：按材料組成萬分可分為玻璃﹑石英和塑料光導纖維；按形狀和柔性分為可撓性和不可撓性光導纖維；按纖維結(jié)構(gòu)分為皮芯型和自聚集型（又稱梯度型）；按傳遞性分為傳光和傳象光導纖維；按傳遞光的波長分為可見光﹑紅外線﹑紫外線﹑激光等光導纖維。 眾所周知，玻璃是一種寧折不撓的硬性材料，它既不耐沖擊，又不能拗屈。但把玻璃抽成細絲后，它就會一反常態(tài)地變得柔軟耐磨，可撓易彎， 還具有不燃燒﹑耐腐蝕﹑隔熱﹑吸音﹑強度大的特點。如經(jīng)樹脂涂層和印染處理，還可作為室內(nèi)裝飾用布。人們又發(fā)現(xiàn)，玻璃纖維的細度越細，則柔韌性越好，合股線的強力也就越高。又由于玻璃的透光性能好，還有傳遞光能的作用，因此，從70年代起，人們就成功地將二氧化硅玻璃纖維用于光通訊技術。這是第一代光導纖維，它是用二氧化硅玻璃纖維做芯線，線外用甲基丙烯酸酯涂膜，以增強光導纖維的機械強度和防止光能散射。通訊的原理是用玻璃纖維接受光訊號﹑再傳導給光調(diào)制器﹑并經(jīng)光探測器和光接受機，通過接口件轉(zhuǎn)換成電磁訊號。這種光導纖維的重量只有普通電話電纜的千分之一。而且這種通訊方法具有容量大﹑抗干擾性好﹑能量衰耗小等特點，但是，這種光導纖維的抽絲和對接難度大，推廣應用困難。于是，1964年美國首先研制成功了第二代光導纖維，它采用合成材料做芯線（如用重氫取代氫離子的聚甲基丙烯酸甲酯做芯線），外層涂料用聚乙烯或聚四氟乙烯。也有采用丙烯腈做芯線，用聚苯乙烯做涂料的光導纖維。這種光導纖維的芯線透射率高，涂層折射率低，光能損耗低于20dB，而且加工技術簡單，可加工極細的光導纖維，目前應用的細度可達0.005mm以下，可方便地根據(jù)需要來加工導線的長度，這樣可減少接頭的損耗，而且柔軟度優(yōu)于玻璃纖維，便于推廣使用。 光導纖維一般以束﹑纜﹑板﹑管等形式使用。制造有機導光纖維的內(nèi)芯和涂層材料很多，有的在聚甲基丙烯酸甲酯纖維上覆蓋一層聚乙烯或其他不同折射率的材料（如聚四氟乙烯），還有的采用聚丙烯腈樹脂覆蓋腈綸芯絲。 在選擇光導纖維的基材時，一般要求芯料的透光率高，而涂層材料要求折射率低，并且要求芯料和涂料的折射率相差越大越好。在熱性能方面，要求兩種材料的熱膨脹系數(shù)相接近，若相差較大，則形成的光導纖維產(chǎn)生內(nèi)應力，使透光率和纖維強度降低。另外，要求兩種材料的軟化點和高溫下的粘度都要相接近，否則，會導致芯料和涂層材料結(jié)合不均勻，將會影響到纖維的導光性能。 影響光導纖維使用性能的因素很多，光導纖維的集光能力﹑透光性﹑分辨率和對比度是影響光導線傳像能力的主要指標。數(shù)值孔徑用于表示光導纖維集光能力的大小和接收光的多少，而數(shù)值孔徑的大小直接與光導纖維芯料和涂層的折射率有關，芯料與涂層的折射率相差越大，則集光能力就越強，光導纖維的透光性則與所使用的材料﹑數(shù)值孔徑及纖維的幾何尺寸有關，并隨著纖維長度的增加而很快地下降。圖像的清晰程度是由分辨率決定的， 而分辨率與光導纖維的直徑成反比，因此光導纖維的直徑盡可能地細。影響光導纖維對比度的因素主要有纖維的集光能力﹑透光能力﹑分辨能力和涂層的厚度。但涂層厚薄的程度宜適中，涂層厚度太厚會產(chǎn)生光的相互干擾，太薄則會漏光。 采用光導纖維進行通訊，不僅能節(jié)省大量的金屬資源，而且使用壽命長，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，性能比電纜好得多，具有容量大﹑抗干擾性好﹑能量衰耗小，傳送距離遠﹑重量輕﹑絕緣性能好﹑保密性強﹑成本低等特點。就容量而言，是非常驚人的，一根直徑只有千分之一毫米的光導纖維，可以同時傳遞32000對電話。如果采用激光通訊，一條光電纜能同時接通100億條電話線路和1000萬套電視通訊，可供全世界每人2 部電話使用。而且光導纖維通訊的頻率范圍寬﹑傳遞的音質(zhì)好，圖像清晰﹑色彩逼真。同時，由于光導纖維通訊的光能頻率高，具有極好的抗干擾性，特別是使用激光光源時更為突出，把抗干擾性又提高了一步。光能在光導纖維中屏蔽傳導﹑不易泄露﹑不易被截獲﹑具有良好地保密性。更不受空間各種頻率電磁波的干擾，也不會受到風﹑雨﹑雷﹑電的影響，是真正的全天候式安全通訊技術。 光導纖維的特性決定了其廣闊的應用領域。由光導纖維制成的各種光導線﹑光導桿和光導纖維面板等，廣泛地應用在工業(yè)﹑國防﹑交通﹑通訊﹑醫(yī)學和宇航等領域。 光導纖維最廣泛的應用在通信領域，即光導纖維通信。自20世紀60年代以來，由于在光源和光纖方面取得了重大的突破，使光通信獲得異常迅速的發(fā)展。作為光源的激光方向性強﹑頻率高，是進行光通信的理想光源；光波頻帶寬，與電波通信相比，能提供更多的通信通路，可滿足大容量通信系統(tǒng)的要求。因此，光纖通信與衛(wèi)星通信一并成為通信領域里最活躍的兩種通信方式。 在醫(yī)學上，光導纖維可以用于食道﹑直腸﹑膀胱﹑子宮﹑胃等深部探查內(nèi)窺鏡（胃鏡﹑血管鏡等）的光學元件和不必切開皮肉直接插入身體內(nèi)部，切除癌瘤組織的外科手術激光刀，即由光導纖維將激光傳遞至手術部位。 在照明和光能傳送方面，利用光導纖維進短距離可以實現(xiàn)一個光源多點照明，光纜照明，可利用塑料光纖光纜傳輸太陽光作為水下﹑地下照明。由于光導纖維柔軟易彎曲變形，可做成任何形狀，以及耗電少﹑光質(zhì)穩(wěn)定﹑光澤柔和﹑色彩廣泛，是未來的最佳燈具，如與太陽能的利用結(jié)合起來將成為最經(jīng)濟實用的光源。今后的高層建筑﹑禮堂﹑賓館﹑醫(yī)院 ﹑娛樂場所﹑甚至家庭依據(jù)都可直接使用光導纖維制成的天花板或墻壁，以及彩織光導纖維字畫等，也可用于道路﹑公共設施的路燈﹑廣場的照明和商店櫥窗的廣告。此外，還可用于易燃﹑易爆﹑潮濕和腐蝕性強的環(huán)境中不宜架設輸電線及電氣照明的地方作為安全光源。 在國防軍事上，光導纖維也有廣泛的應用，可以用光導纖維來制成纖維光學潛望鏡，裝備在潛艇﹑坦克和飛機上， 用于偵察復雜地形或深層屏蔽的敵情。 在工業(yè)方面，可傳輸激光進行機械加工；制成各種傳感器用于測量壓力﹑溫度﹑流量﹑位移﹑光澤﹑顏色﹑產(chǎn)品缺陷等；也可用于工廠自動化﹑辦公自動化﹑機器內(nèi)及機器間的信號傳送﹑光電開關﹑光敏元件等。 此外，還可用于火車站﹑機場﹑廣場﹑證券交易場所等大型顯示屏幕；短距離通訊和數(shù)據(jù)傳輸；將光電池纖維布與光導纖維布巧妙地結(jié)合在一起制成夜間放光的夜行衣，不僅為夜行人起照明作用，還可提高司機的觀察視距，能夠有效地減少交通事故的發(fā)生。 光導纖維也存在一些不足之處：一是耐熱性能差，一般只能在80℃以下長期使用，只有少數(shù)產(chǎn)品可在135℃以上的溫度中工作；二是耐溶劑﹑耐老化性能差，化學試劑﹑氧﹑光﹑高能輻射等會引起分子主鏈斷裂。 光導纖維必將在通訊﹑國防﹑醫(yī)療﹑照明及各種技術傳導的現(xiàn)有基礎上出現(xiàn)新的突破，更廣泛的普及應用于各個領域。 111