第三節 纖纖細絲傳圖像(1 / 2)

光導纖維不但能夠傳輸光,還能夠傳送圖像。那麼,光導纖維又是怎樣傳送圖像的呢?

把一定數量的單根纖維合在一起,就構成了多芯的光導纖維束,或叫做光纜。在光導纖維束中,每根光導纖維之間有良好的光學絕緣,也就是說,每根光導纖維都獨立傳光,而不會發生光“串門”——從一根纖維串入另一根纖維的現象,並且,光導纖維束的兩端都一一對應地相關排列,這樣就構成了傳像的光導纖維束。

當來自圖像的光束入射在傳像光導纖維束的端麵上時,光導纖維束就按自己的排列規律,把圖像的光束分成一個一個像元,數目和光導纖維束中的纖維根數相等。這正像大型團體操表演時,在主席台對麵的看台上,巨幅的背景畫麵被分割成許多小塊,由每一個人手中的一塊一塊的圖形拚起來的那樣。其中,每一小塊圖形,就是一個“像元”。從這裏可以看出,光導纖維束的每一根光導纖維的入射端麵就像一個取像孔,將圖像的一個像元“攝取”來;每一根光導纖維都獨立地“攜帶”一個像元,由入射端傳送到出射端。換句話說,傳像纖維束把入射端的圖像分成一個一個像點,傳到出射端之後,又由一個一個像點組合成圖像,就好像網紋照片都是由一個一個小黑點組成的。不過,光導纖維傳像的像點非常細密,因此,在光導纖維束的出射端就可以得到和入射端的圖像完全一樣的圖像。

光導纖維傳送圖像,是由光信號在纖維內傳輸完成的。如前麵介紹的,光波是電磁波,而電磁波是以電磁場在空間相互交替著向前傳播的。光波在光導纖維內傳播時,有通過完全內反射而向前傳播的波,又有從中途或末端反射回來的波,還有在不均勻的界麵上反射的波,這些光波在纖維芯內相互重迭、相互幹涉,形成了各種各樣的電磁場分布形式。這樣一來,激光器發射給圓柱形纖維入射端的一個完整圓形光斑的信號,經過纖維傳送一段距離之後,在纖維出射端的截麵上的信號卻分裂成幾個小光斑。這種光斑,正是出射端截麵處的電磁場分布“圖像”。我們把電磁場的各種分布形式稱為“模式”。要想使光導纖維傳輸無失真,就是說,從激光器發射給纖維入射端麵的是圓形光斑,在纖維終端仍然能得到圓形光斑,那麼,就要保持纖維以不變的模式——基模傳輸。如果一個圓形光斑經過纖維傳輸後分裂成許多小光斑,就出現了許多雜散的“模式”,叫做高次模。這些雜散模在纖維中傳輸的速度和基模不一樣,因而到達終端的時間不一樣,產生了所謂的“延時失真。”。

一束光線投射到光導纖維端麵上,光線入射角度越大,在光導纖維中傳輸的反射次數就越多,經過的路程也越長,因而所需要的時間將越長。於是,本來同時射入纖維端麵的一束光線,由於其中各光線入射角度不同,到達終端時就出現了有先有後的時間差,因而造成光信號中各模式光波之間在時間上的延遲。光導纖維越長,“先進的”光線把“落後的”光線拉下的越遠,也就是說,延遲時間就越長。如果給入射端送入的是一個具有一定寬度的脈衝,那麼,由於在纖維中存在著高次模,光脈衝傳到終端時展寬了。這種現象叫做脈衝信號的“延時失真”。

入射到光導纖維的光,如果不是單一頻率的光,而是由不同頻率所組成的光,那麼,光的頻率不同,在纖維中的傳播速度也就不同。所以,一束光從空氣射入纖維之後,在纖維中將產生不同角度的折射,以致到達出射端時就會出現時間上的差別,這種現象叫做色散效應。這種現象是造成信號失真或脈衝展寬的另一原因。例如,一種镓鋁砷發光二極管發出的光,譜線寬度為0.055微米,造成脈衝響應展寬為1.75——2納秒/公裏;一種名叫雙異質結半導體激光器發出的光,譜線寬度不到0.002微米,造成脈衝響應展寬很小;另一種Nd:YAG固體激光器發出的光,譜線寬度不到0.0001微米,造成的脈衝響應展寬可以忽略不計。

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