酸溶法光纤传像束透光性能的研究

　　1　引　言

　　酸溶法光纤传像束是由数万根直径为10μm左右的单根光学纤维经相关紧密排列而制成的光学纤维成像器件。由于它具有高分辨率、长寿命和柔软性等独特的性能,因此在医疗、工业、国防和科研等领域有着广阔的应用前景。

　　在酸溶法光纤传像束的制作过程中,由于纤芯和包层玻璃的质量缺陷以及光纤的有效填充系数等方面的因素,使传像束的光透过率较低(不足40%),严重地影响了传像束的使用效果。

　　透过率(T)是表征纤维光学元件透光性能好坏的重要参数,被定义为光纤的输出光通量和输入光通量之比,即

　　式中:I是光纤的输出光通量;I0是光纤的输入光通量。

　　影响传像束光透过率的主要因素有:光纤的有效填充系数[5],即有效传光面积和端部总面积之比。如果端面光纤为紧密六角形排列,那么填充系数K为

　　式中:d为光纤纤芯直径;D为相邻光纤的中心距。相邻光纤的中心距包括光纤纤芯直径、包层厚度。由于酸溶法光纤传像束的单丝直径较细,通常为8~10μm,所以包层厚度对传像束的填充系数影响很大。

　　影响单根光纤光透过率的主要因素有:纤芯材料的吸收,纤芯和包层界面内壁上的全反射损失,光纤端面的菲涅耳反射损失等。所以单根光纤光透射率表达式为

　　式中:R为光纤端面的菲涅耳反射系数,是与光纤长度无关的数值;l为光纤长度;d为光纤纤芯直径;θ和υ分别为光纤内入射光线与纤维中心轴的夹角和斜光线的倾角;α为纤芯与包层界面内壁上的全反射系数;β为光纤纤芯材料的光吸收系数。

　　由式(3)可知,在光纤材料和制作工艺等因素确定的情况下,光纤的光透过率将随着光纤纤芯直径的增大而增大,随着光纤长度的增加而减小。采用酸溶法工艺制作的光纤传像束,其单丝直径很细,纤芯直径更细,只有4~5μm,传像束的光透过率较低,不足40%,因此要想提高传像束的光透过率,在不增大其单丝直径的情况下,在传像束的两个端面加镀增透膜是比较理想的选择。

　　2　增透原理及镀膜实验

　　2.1　增透原理

　　增透膜就是在光学元件表面上镀透明介质薄膜,利用薄膜的干涉相消来减少反射光,增加光的透过率[1]。按照膜的层数不同分别有单层膜、两层膜和多层膜。当光线从折射率为n0的介质入射到折射率为ng的另一种介质上时,如果介质没有吸收,分界面是一光学表面,光线垂直入射,则反射率Rg为

　　对传像束使用的纤芯玻璃材料折射率ng=1·616来说,经计算其表面反射率Rg=5·54%。这种表面反射会产生两种后果:造成光能量的损失,使传像束的亮度降低;表面反射光经过由传像束组成的成像系统内部各光学元件表面多次反射而造成的杂散光,这部分光最后也会到达像面,造成成像系统的分辨率下降。而采用在传像束的表面加镀低折射率的均匀增透膜是克服这些缺点最有效的方法。镀膜后表面上的反射率为