光纤内部是空心的吗?

穿过中间的孔的光线会怎样?如果光纤是实心玻璃,光线是如何“挤”过它的?

光纤并非中空,而是一根由高纯度玻璃(二氧化硅)制成的实心细丝。允许光线在这种固体介质中传输而不会被“挤压”或阻挡的机制是光学的一个基本原理,称为全内反射(TIR)

1. 物理结构

光纤由三个主要的固体层组成:

  • 纤芯:最内层,由具有稍高折射率的超纯玻璃制成。
  • 包层:围绕纤芯的玻璃层,折射率稍低。
  • 涂覆层:保护性聚合物层(如聚丙烯酸酯或聚酰亚胺),提供机械强度。

例如,像OFSCN® G.652D 光纤这样的标准光纤,其纤芯直径为 9 微米,包层直径为 125 微米,两者均为实心玻璃。

2. 光线传输原理(物理学)

光线传输不需要“孔”。事实上,光线可以穿过许多透明的固体或液体介质(如水或玻璃)。

在光纤中,当光线以特定角度进入纤芯时,它会撞击纤芯包层之间的边界。由于包层的折射率较低,光线会被反射回纤芯,而不是穿过包层。这个过程每米重复数千次,即使光纤弯曲也能引导光线沿着光纤传输。

3. 在传感中的应用

由于光纤是实心的,我们可以使用激光将微观结构“写入”玻璃纤芯内部。这些被称为光纤布拉格光栅(FBG)。由于玻璃是实心的,这些光栅会固定在原位,并根据温度或拉伸等物理变化改变其反射波长。

您可以在此处查看这些固态传感器的示例:

可视化参考

下图是一张用于这些技术中的标准实心光纤的图片: