玻璃新材料·光导纤维

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玻璃新材料··光导纤维

山西太谷师范学校 阴子强 撰稿

大千世界,从人们的衣食住行到科技开发,无不与玻璃材料密切相关。普通玻璃作为一种基础工程材料,以其光学性能好、可熔炼塑形、有较高的强度和硬度、良好的耐蚀性和电绝缘性等,在基础科技和尖端科技方面得到了广泛的应用。如日用餐具、楼层建筑、光电通讯、航天技术等领域都离不开玻璃材料。故新型玻璃材料的研制开发在材料工程中一直被列为重点工程。

玻璃纤维是由熔融态硅酸盐玻璃经喷头或机械抽拉而形成的细丝状材料,其化学成份主要是SiO2、Al2O3、Na2O、CaO,可因改性而再加入一些其它成份,如K2O、MnO、MgO、Na2B4O7等。在所控制的成丝工艺条件下,可喷成直径为3~80μm的纤维丝。由于成丝后几乎消除了结构缺陷而变得非常柔韧,且抗拉强度可增至高强度钢的2倍以上。

在玻璃纤维功能的开发中,人们应用光的全反射原理发明了玻璃丝光导纤维,对光电通讯的发展起了巨大的推动作用。

1.光导纤维的构造及工作原理

光导纤维(简称“光纤”)是一种能利用光的全反射作用来传导光线的透光度极高的光学玻璃纤维。其构造及工作原理如下图:

光纤由芯线和外包层两部分构成同轴玻璃纤维。芯线的光折射率比包层的光折射率略大些。据光的全反射原理:光从折射率大的介质(芯线)射向折射率小的介质(包层)的界面时,光在界面处全部被反射回原介质(芯线)中。故光波束从弯曲的光导纤维一端进入芯线后,在芯线与包层的界面上作多次全反射而曲折前进。由于光折射率小的外包层使光线只能在芯线介质内传播,故无论光纤怎样弯曲,光线(或光波)总不会泄漏出去。就象水被限制在水管中流动而漏不出去那样。

2.光导纤维的制造工艺

光导纤维的制造通常是将折射率较大的玻璃棒插入折射率较小的玻璃管中,置于电炉里加热至近熔融状态时,采用精密控制的拉丝工艺均匀地拉制成内外双层的同轴纤维丝,其芯线直径为10~50μm,包层外径这125μm。拉丝时,既要确保纤维内部结构的均匀性和丝径的均匀性,又要确保芯线与包层间接触良好。

为了减小光能在远距离传导中的损耗,制作光导纤维的工艺须严格把关,并采用超纯而透光度极好的玻璃材料,特别是芯线材料。

如果将许多根经过技术处理的光纤绕在一起就制得我们常说的光缆。

3.光导纤维的应用

光导纤维传导光的能力非常强,目前主要用于光纤通讯和医疗器械领域。

⑴ 光纤通讯 是利用激光作载波,由光纤光缆作通道传播信息的有线通讯方式。与电缆通讯相比,其优点是:传输信息容量大而保密程度高,传输信号耗损小而中继跨度大,不会产生电磁辐射、也不会受电磁干扰,光缆重量小成本也不高。随着光纤通讯技术的发展,未来的通讯方式将由“光视”、“光话”取代目前的“电视”、“电话”。计算机网络通讯将会由光缆网完全取代电缆网。

⑵ 光纤窥镜 光纤窥镜是医疗上用来诊断治疗体内病变的一种外科仪器。主要由光源、光导纤维管、窥镜、切片刀等构成。常用的有胃镜、气管镜、膀胱镜等。可用来直接观察体内组织的病变。只要将装有微型内窥镜的光纤导管插入体内,便可在体外的外窥镜上看到体内的组织是否有病变。或通过光纤将体内组织的图象传到体外,并在仪器上放大显示以供医生作观察诊断。同时又可借助切片刀切取病灶组织进行病检。目前,这种外科仪器已在全国各大、中型医院得到了广泛应用。

光导纤维除可用作光纤通讯、医疗器械外,还用于信息处理、传输能量、遥测遥控、照明等领域。

本材料原编入《现代科技知识师范生简明读本》(中国农业科技出版社.1997.9),有改动。