光纤束的应用与特性
发布时间：2023-11-15 10:18:28 阅读数： 188
光纤束在现代科技应用中扮演着重要角色。本文将探讨光纤束的不同类型、结构。
目录
1. 光纤束的组成
在某些应用中，一定数量的光纤被捆绑在一起形成光纤束或光纤光缆束。通常使用多模大芯径硅质光纤或塑料光纤。有时候，只有少量光纤被连接在一起，例如七根光纤，六根围绕一个中心光纤排列。在其他情况下，则可能使用大量光纤。
光纤通常被排列成六边形图案，也可以被称为光纤阵列。另外，它们也可能被随机组装，即无规则图案。整体形状可以是六边形、近似圆形或矩形，但也可以有其他形状，例如环形。人们可以捆绑裸玻璃或塑料光纤，有时也使用一些薄聚合物涂层的光纤，这种涂层不会显著增加光纤直径，并且可能有助于减少机械应力。
光纤之间的空间可能被一些胶水填充，或者保持空置。在某些情况下，人们在加热时压紧光纤，使其变软并融合在一起；这通常只在端部进行，以保持束的其他部分的灵活性。这种方式可以减少输入耦合损失，因为消除了死空间。
对于成像应用，有时需要由许多非常小的光纤组成的束。这些小光纤束通常不是直接通过捆绑大量此类光纤制成的。另一种制造方法起始于一个类似于光纤板制造的过程，其中人们捆绑光纤，将它们熔合以获得另一个光纤预制体，并将其拉伸成一个多光纤，包含许多光纤核心。该过程可以重复进行，以获得进一步增加的光纤数量，然后可以将许多这样的多光纤并排组装在一起。如果预制体中包含一种适当的玻璃类型，可以通过蚀刻过程分离所有包含的光纤，那么以后可以再次分离这些光纤。这种束被称为蚀刻成像束。
还有一种生产方法是制造缠绕光纤束，由一些多光纤组成；每个多光纤都是从由多根光纤组装的预制体中拉出的。在这种缠绕束中，多光纤可以相互移动，除了熔合的端部，但每个多光纤内的光纤保持相互固定。
常规光纤束可以被视为一维或二维光纤阵列。
2. 柔性光纤束电缆
通常在整个束周围应用聚合物涂层和进一步的保护层，例如套管或柔性管，通常由不锈钢制成。如果只使用这样的外壳而不粘合或熔合光纤，光纤束可以非常灵活。它可以被弯曲和扭曲，并且可以像电缆一样用作灵活的光导管，即使其厚度相当大。使用的光纤越细，束的灵活性就越好。
3. 光纤棒
如果整个束被熔合，就会得到一个刚性的光纤棒。即使如此，在高温下加热时，它仍然可以被一定程度地变形，例如弯曲、扭曲或锥形。
4. 剖面转换
输入和输出界面的形状不必相同。例如，有些光纤束的输入光纤被排列成圆形，而输出光纤形成矩形、窄线或十字形。例如，这种圆到线的剖面转换器用于光谱仪。
5. 分支光纤束
也可以制造分裂（分支）或合并的光纤束。例如，有Y型束，一个输入和两个输出束。还有更多输出的多分支光纤束，例如1到7的风扇形束，只包含七根光纤，或者在每个输出电缆中有更多数量的光纤。
分支光纤束可用于例如将单个光源照亮多个点的分束器，或者作为将多个信号发送到单个仪器的合束器。
6. 有序与无序光纤束
光纤束可能是有序的或无序的。在前者情况下，输入和输出光纤的排列有一对一的对应关系；这对于成像应用是必需的。有序光纤束也被称为相干的，尽管这与光学中通常的相干性含义无关。无序（非相干）束制造成输入和输出光纤之间存在伪随机关系。这对于照明目的和某些传感器来说可能很有用。
7. 连接化处理
在某些情况下，光纤束配备有光纤连接器（例如FC型），以便制成可以轻松连接到仪器的柔性光纤电缆。这通常只能用于有限数量的光纤，例如四根或七根。
8. 定制化解决方案
一些供应商提供可以在多种方式上定制的光纤束，例如关于光纤的类型、数量和尺寸、长度、形状和分支。
尽管大多数光纤束要么由硅质光纤要么由塑料光纤制成，但还有基于广泛专业光纤的定制解决方案，例如中红外光纤。人们还可以拥有包含不同类型光纤的混合束。
9. 锥形光纤束
不仅单根光纤可以锥形化，而且整个熔合在一起的光纤束也可以锥形化。锥形化的小光纤束也用于光纤泵浦合束器。
10. 光的输入与损耗
每根光纤都有一个根据其芯与包层的折射率差而限定的数值孔径。这种限制也适用于整个光纤束的输入和输出。数值孔径的不同值可能发生，大多在0.1到1之间。
在大多数情况下，人们不尝试将光输入到特定光纤中，或将其集中到光纤核心。相反，人们均匀地照亮光纤束的输入面，例如使用卤素灯、发光二极管（LED）或激光器。然后，一些击中输入面的光将会丢失，尤其是进入光纤之间空间的光（在那里传播损失通常非常高），以及进入光纤包层的光，从那里光往往进入光纤之间的损耗空间。为了最小化损失，人们使用大芯径光纤，其中光纤核心的直径仅略小于光纤包层。那么有用的（导光）输入面积可能超过50%。
端面的菲涅耳反射会造成损失，可以通过使用抗反射涂层来减少。注意，成像光纤束通常具有高折射率核心玻璃，在那里菲涅耳反射比普通光纤要强得多。那时使用抗反射涂层尤为重要。
额外的光损失可能发生在光纤内部；然而，后者效应通常相对较弱，因为光纤束通常不是很长，其他损失占主导。
当两个光纤束连接在一起时，通常会有大量额外的光损失，因为无法在界面匹配光纤位置。
为了将来自某种灯（例如卤素灯）的高光学功率耦合进光纤束，可以使用凝聚器来匹配束的数值孔径，并使用冷镜消除不需要的红外光，这对于塑料光纤尤其重要。也可以使用场镜实现均匀照明。
有些光纤束特别优化用于传输来自高功率激光器的光，有时能够传输数千瓦的光学功率。其中一些由铜涂层多模光纤制成，其中铜金属层有助于分散热量。
11. 相干性与偏振的损失
一般来说，光的相干性和偏振性不会被光纤束保留。例如，通过束中两根不同光纤的相对相位延迟通常是随机的，并且在束被弯曲时会发生变化。然而，光纤束无论如何大多数情况下是与非相干和非偏振光一起使用的。
12. 串扰问题
对于某些应用，最小化光纤之间的串扰非常重要。这特别是在成像应用中的情况。
当使用普通的阶跃式折射率多模光纤，且包层不是太薄时，通常应该在光纤核心中传输的光几乎没有串扰。然而，当光纤融合在一起时，这种情况可能会改变。此外，如果那个区域不是太有损耗，光可能在光纤之间传播，而且这些光可能在输出端的完全不同位置出现。为了抑制这种可能以不受控制的方式传播的光，有时会引入吸收材料。更多细节，请参见关于光纤板的文章。
还有一些专门制造的金属涂层光纤束，用于光谱学中的某些应用。
13. 断裂光纤
特别是在使用一段时间后，光纤束可能包含一些断裂的光纤，其光传输大大降低。这对成像应用特别有害，而对照明目的的一些额外光损失可能并不重要。
光纤束的规格可能包括允许的断裂（暗）光纤的一定比例，这是制造过程中的结果。
