光纤

光纤的结构

光纤是多层介质结构的同心圆柱体，由内到外依次为纤芯、包层和保护层（涂覆层及护套）。纤芯由高度透明材料制成，是光波的主要传输通道，主体材料为 SiO₂，并掺入微量 GeO₂、P₂O₅ 等以提高折射率；纤芯直径约为 5～75 μm。包层可以是一层、二层或多层结构，总直径约为 100～200 μm，材料主体也是 SiO₂，掺入微量 B₂O₃ 或 SiF₄ 以降低折射率；包层折射率略小于纤芯，从而保证入射到光纤内的光波集中在纤芯内传输。涂覆层采用丙烯酸酯、硅橡胶、尼龙等，增加机械强度和可弯曲性，保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤，延长光纤寿命。护套采用不同颜色的塑料管套，起保护作用并以颜色区分多条光纤。许多根单条光纤组成光缆。

折射率分布与全反射导光

在均匀且各向同性的介质中，光沿直线传输；当介质折射率沿空间变化时，光线路径会弯曲。当光线以不同角度入射到光纤端面时，在端面发生折射进入光纤，随后入射到折射率 n₁ 较大的光密介质（纤芯）与折射率 n₂ 较小的光疏介质（包层）的交界面（n₁ > n₂）。在该界面处，光线一部分透射到光疏介质，一部分反射回光密介质。根据折射定理有
$\frac{\sin {\theta }_k}{\sin {\theta }_r}=\frac{n_2}{n_1}$
$\frac{\sin {\theta }_i}{\sin {\theta }^{\mathrm{\prime }}}=\frac{n_1}{n_0}$
式中 θᵢ、θ′ 分别为光纤端面的入射角和折射角；θ_k、θ_r 分别为光密介质与光疏介质界面处的入射角和折射角；n₀ 为外界介质折射率，n₁ 为纤芯折射率，n₂ 为包层折射率。

在光纤材料确定的情况下，n₁/n₀、n₂/n₁ 均为定值。减小 θᵢ 则 θ′ 减小，相应地 θ_k 增大，θ_r 也增大。当 θ_k 达到芯包界面全反射临界角 φ_c 使折射角 θ_r = 90° 时，折射光沿界面方向传播，此时的入射角 φ_c 称为芯包界面全反射临界角，满足 sinφ_c = n₂/n₁。当 θ_k 大于 φ_c 时，光线不会透过界面而全部反射回光密介质内部，即发生全反射。芯包界面全反射的条件为 θ_k > φ_c。
在满足全反射的条件下，光线不会射出纤芯，而是在纤芯和包层界面不断产生全反射向前传播，最后从光纤的另一端面射出。当光纤弯曲半径远大于纤芯直径且弯曲不过度时，光线仍可被约束在纤芯内传播；弯曲半径过小会产生辐射损耗，部分光功率逸出。光的全反射是光纤传感器工作的基础。

单模与多模、阶跃与渐变

按纤芯中传输光的模式数量，光纤分为单模光纤和多模光纤；按纤芯折射率沿径向的分布形式，分为阶跃型光纤和渐变型光纤。阶跃型光纤的纤芯折射率沿径向基本均匀、在纤芯与包层界面处发生突变；渐变型光纤的纤芯折射率沿径向逐渐变化。单模光纤纤芯较细，通常只允许一种模式传输；多模光纤纤芯较粗，允许多种模式同时传输。折射率分布与纤芯粗细共同决定光纤的传输模式特性。

按套塑分类

按套塑结构，光纤分为紧套光纤和松套光纤。紧套光纤在一次涂覆层外紧紧套上塑料套管，光纤在套管内不能自由活动，其结构包含纤芯、包层、预涂覆（硅树脂）、缓冲层及二次涂覆（尼龙）。松套光纤在涂覆层外再套上一层塑料套管，光纤可以在套管中自由活动，其结构包含纤芯、包层、软涂层及硬涂层。

光纤的传光特点与传感意义

光纤只传光不导电，石英介质本身抗电磁干扰，但光路可受电场、磁场等外场调制；低可探测性不等于不易窃听，实际安全性取决于具体实现；频带宽、传输速率高；损耗低，支持长距离传输；重量轻；工作性能可靠。光纤受到外界环境因素（如温度、压力、电场、磁场等）影响时，其传输的光波特征参量（如光强、相位、频率、偏振态等）将发生变化。测量出光波特征参量的变化，就可以知道导致这些变化的温度、压力、电场、磁场等物理量的大小，由此形成光纤传感技术。光纤传感器可测量的非电量有位移、压力、温度、流量、速度、加速度、振动、应变、磁场、电场、电压、电流、化学量、生物医学量等。