多模光纤的技术本质——全内反射与模式传播
多模光纤能够实现光的有效传输，其核心原理在于全内反射（TIR）。在阶跃折射率光纤结构里，纤芯的折射率高于包层。当光在光纤内部传播时，存在一个临界角（θcrit），在此角度下，光会在纤芯和包层的界面处发生反射，而不会折射到周围介质中。为满足全内反射条件，光在光纤端面上的入射角必须小于接收角（θacc）。接收角（θacc）可依据斯涅尔定律进行计算，其公式为：接收角计算公式，其中n core表示纤芯折射率，nclad为包层折射率，n则是光纤外围介质的折射率。
数值孔径（NA）是光纤制造商用于指定光纤接收角的一个无量纲量，其定义为：数值孔径计算公式。对于大芯径的阶跃折射率多模光纤，NA可直接通过上述公式计算得出，同时也可通过实验确定，即追踪远场光束轮廓，并测量光束中心与光束强度为最大值5%之间的角度。
多模光纤在众多领域都有广泛的应用，这得益于其独特的技术优势。例如，在光谱测量领域，多模光纤与其他光学设备配合，能够实现高效、准确的光谱测量。景颐光电设计生产的多种光纤，如宽光谱石英光纤、深紫外石英光纤、可见光玻璃石英光纤、近红外石英光纤、中红外石英光纤等，均具有专业化的设计，能够达到高通量的特点，配合该公司的微型光谱仪、光纤光源及其他光谱配件，可以搭建多种光谱测量系统，为光谱分析提供了有力的支持。
展开剩余76%在高能光源传输方面，多模光纤凭借其较大的芯径和较高的数值孔径，能够有效地传输高能光束，满足一些特殊应用场景对光能量传输的需求。同时，在医学传感和激光治疗领域，多模光纤也发挥着重要作用。例如，在医学传感中，多模光纤可以作为传感器的一部分，用于传输光信号，实现对生物体内各种生理参数的测量；在激光治疗中，多模光纤可以将激光传输到病变部位，实现精准治疗。
此外，多模光纤还在光源采集、光学测温等领域有着广泛的应用。在光源采集方面，多模光纤可以将光源发出的光有效地采集并传输到测量设备中，提高测量的准确性和可靠性；在光学测温领域，多模光纤可以利用其对温度敏感的特性，实现对温度的精确测量。
尽管多模光纤具有诸多优势，但在实际应用中，其损耗问题也不容忽视。光纤的损耗或衰减来源通常与波长相关，主要包括吸收、散射、弯曲和包层模等损耗机制。
吸收损耗是由于标准光纤通过固体材料导光而产生的。标准熔融石英光纤在1300到1550 nm波段具有较好的传输性能，但当波长超过2000 nm时，石英中的多声子相互作用会导致高吸收。此外，光纤中的污染物也会造成吸收损耗，例如，光纤玻璃中残留的水分子可吸收1.3或2.94 µm波段的光。光纤玻璃中的离子浓度通常由制造商进行控制，以此来调节光纤的透射/衰减性能。例如，羟基（OH）是石英中天然存在的，其会吸收NIR IR光谱范围内的光。因此，低OH含量的光纤更适合通信应用，其波长范围一般为400 2400 nm；而高OH含量的光纤在紫外范围提供更高的透过率，适合荧光或UV VIS光谱学，其波长范围通常为250 1200 nm。
散射损耗则是在光遇到折射率变化时出现的。非固有的折射率变化可能源自杂质、微粒或气泡等，而固有的折射率变化可能源自玻璃密度、成分或相态的波动。散射与波长呈反向相关，即波长越短，散射损耗越大。为减少散射损耗，可采取合适的光纤清洁、操作和存储方法，以降低光纤端面的污染。
弯曲损耗源自光纤外部和内部的几何变化，可分为宏弯损耗和微弯损耗两类。宏弯损耗一般与光纤本身的弯曲有关，例如将光纤卷成很小的圈。当光纤弯曲时，弯曲半径外围附近的光不能保持相同的空间模式，从而会漏出光纤。对于较大的弯曲半径，弯曲相关损耗较小；但当弯曲半径小于推荐值时，弯曲损耗会显著增大。光纤可以在短时间内以较小的弯曲半径工作，但对于长期储存，弯曲半径需大于推荐值，并且在合适的温度和弯曲半径等存储条件下，光纤发生永久损伤的概率更低。微弯损耗则源自光纤内部的几何变化，特别是纤芯和包层，这是由于光纤在生产过程中会产生永久性的缺陷。光纤结构中的随机变化（凸起）会干扰全内反射，使光耦合到非传播模式并从光纤中漏出。
包层模出现的原因是包层和涂覆层/缓冲层的界面上也存在全内反射，所以这些高阶模能够在纤芯和包层中传导，不过多模光纤中的大部分光还是通过纤芯传输。例如，在LED通过多模光纤的输出轮廓中，包层模在包层中的光强比在纤芯中更高。包层模可能无法传播，也可能传播较长一段光纤。由于其一般为高阶模，所以很容易因弯曲和微弯缺陷而损耗。在使用接头连接两根光纤时，包层模也会消失，因为它们不容易在两根光纤之间耦合。在某些应用中，包层模是不希望出现的，例如发射到自由空间中，因为它们会影响光束轮廓。对于较短的光纤（小于10米），消除包层模的一种方法是将光纤缠绕在半径合适的芯轴上。
在多模光纤的应用中，耦合条件对其性能有着重要的影响。常见的耦合条件包括未充满耦合条件和过满耦合条件。
未充满耦合条件是指在耦合界面上，入射光的直径和NA小于光纤的芯径和NA，这种情况常见于将激光耦合到较大的多模光纤中。在此条件下，光会集中在光纤中心，优先充满低阶模。这种耦合方式对宏弯损耗不灵敏，没有包层模，而且插入损耗通常低于典型值。
过满耦合条件则是在耦合界面上，入射光的直径和NA大于光纤的芯径和NA，常见于将LED光源耦合到较小的多模光纤中。在此条件下，整个纤芯和部分包层被暴露在光中，使低阶模和高阶模被均匀地充满，并增加了耦合到包层模的可能性。由于高阶模占比增加，光纤对弯曲损耗更灵敏。相比于未充满耦合条件，过满耦合光纤的插入损耗通常高于典型值，但整体输出功率更高。
两种耦合条件各有优劣，具体应根据特定应用的需求来选择。对于多模光纤基准性能的测量，一般建议以聚焦光束直径为纤芯直径的70 80%进行耦合。在短距离内，过满耦合的光纤具有更高的输出功率；但在长距离内（超过10到20米），更易受衰减影响的高阶模会逐渐消失。
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