1、2022-12-7第八章第八章 光学材料光学材料光学材料光学材料英文名称：英文名称：optical material定义：定义：用来制作光学零件的材料。如玻璃、光学晶体、光学塑用来制作光学零件的材料。如玻璃、光学晶体、光学塑料等。料等。光学材料光学材料光学材料主要是光学材料主要是光介质材料，光介质材料，这些材料以折这些材料以折射、反射和透射的方式，改变光线的方向、射、反射和透射的方式，改变光线的方向、强度和位相，使光线按照预定的要求传输，强度和位相，使光线按照预定的要求传输，也可以吸收或透过一定波长范围的光线而改也可以吸收或透过一定波长范围的光线而改变光线的光谱成分。变光线的光谱成分。2022
2、-12-7第一节第一节 激光材料激光材料1960年，世界上第一个一红宝石（年，世界上第一个一红宝石（Al2O3：Cr3）为工作物质的固体激光器研制成功，使得光学的为工作物质的固体激光器研制成功，使得光学的发展进入了一个新的发展阶段。发展进入了一个新的发展阶段。激光与一般的光不同的是纯单色，具有相干性，激光与一般的光不同的是纯单色，具有相干性，因而具有较大的能量密度。因而具有较大的能量密度。中文名称：激光中文名称：激光英文名称：英文名称：laser定义：定义：由由受激发射的光放大受激发射的光放大产生的辐射产生的辐射。Light Amplification by Stimulated Emissi
3、on of Radiation2022-12-7激光应用很广泛，主要有激光应用很广泛，主要有激光打标激光打标、光纤通信光纤通信、及光及光光谱光谱、测距测距、雷达雷达、切割切割、激光武器激光武器、唱片唱片、激光指激光指示器示器、激光矫视、激光矫视、美容美容、激光扫描、激光扫描、等等。等等。一、激光的产生一、激光的产生光的产生是和原子中电子的跃迁有关。假如原子处于光的产生是和原子中电子的跃迁有关。假如原子处于高能态高能态E2，然后跃迁到低能态，然后跃迁到低能态E1，则它会，则它会辐射辐射的形式的形式发出能量，其辐射频率为发出能量，其辐射频率为 E2-E1/h2022-12-7能量发射可以有两个途径
4、：能量发射可以有两个途径：一是原子无规则地转变到低能态，称为一是原子无规则地转变到低能态，称为自发发射自发发射；二是一个具有能量等于两能级间能量差的光子与处于二是一个具有能量等于两能级间能量差的光子与处于高能态的原子相互作用，使原子转变到的低能态同时高能态的原子相互作用，使原子转变到的低能态同时产生第二个光子，这一过程称为产生第二个光子，这一过程称为受激发射受激发射，产生的光，产生的光就是就是激光激光。1917年爱因斯坦从理论上指出：除自发辐射外，处于年爱因斯坦从理论上指出：除自发辐射外，处于高能级高能级E2上的粒子还可以另一方式跃迁到较低能级。上的粒子还可以另一方式跃迁到较低能级。他指出当频
5、率为他指出当频率为=（E2-E1）/h的光子入射时，也会的光子入射时，也会引发粒子以一定的概率，迅速地从能级引发粒子以一定的概率，迅速地从能级E2跃迁到能级跃迁到能级E1，同时，同时辐射一个与外来光子频率、相位、偏振态以辐射一个与外来光子频率、相位、偏振态以及传播方向都相同的光子及传播方向都相同的光子，这个过程称为，这个过程称为受激辐射受激辐射。2022-12-7由于激光是由于激光是以以受激辐射的光放受激辐射的光放大大为基础的发光现为基础的发光现象，同以自发辐射象，同以自发辐射为基础的普通光源为基础的普通光源相比，具有许多鲜相比，具有许多鲜明的特点。明的特点。2022-12-71 1单色性好单
6、色性好 我们知道，不同颜色的光具有不同的波长。所谓单色光，我们知道，不同颜色的光具有不同的波长。所谓单色光，实际是波长范围很小的一段辐射。谱线宽度越窄实际是波长范围很小的一段辐射。谱线宽度越窄(即波长范围越即波长范围越小小)，光的单色性就越好。需要说明的是，这里的谱线宽度是未，光的单色性就越好。需要说明的是，这里的谱线宽度是未调制前激光所包含的波长范围，它与激光调制后的频带宽度是调制前激光所包含的波长范围，它与激光调制后的频带宽度是两个不同的概念。调制前的谱线宽度越窄，调制后可以有效利两个不同的概念。调制前的谱线宽度越窄，调制后可以有效利用的频带宽度就越宽。用的频带宽度就越宽。因为激光是在因为
7、激光是在特定能级之间实现粒子数反转特定能级之间实现粒子数反转后产生的受激后产生的受激辐射，又经过谐振腔的选频作用，使其输出光的谱线宽度很小，辐射，又经过谐振腔的选频作用，使其输出光的谱线宽度很小，即具有很好的单色性。即具有很好的单色性。2022-12-72 2方向性好方向性好 我们通常用光的我们通常用光的发散角发散角来描述其方向性，发散角来描述其方向性，发散角越小，方向性越好。普通光源中最好的探照灯，其发越小，方向性越好。普通光源中最好的探照灯，其发散角为散角为01rad(弧度弧度)。如果把它照射到离地球。如果把它照射到离地球40万万公里的月球上公里的月球上(这实际是不可能的这实际是不可能的)
8、，其光斑直径有几，其光斑直径有几万公里。在激光器中，由于受激原子发光的方向与外万公里。在激光器中，由于受激原子发光的方向与外来光相同，再加上谐振腔只允许沿轴线传播的光得到来光相同，再加上谐振腔只允许沿轴线传播的光得到放大，使输出激光的方向性很好，发散角放大，使输出激光的方向性很好，发散角0.001 rad，把它照射到月球上，光斑直径不到把它照射到月球上，光斑直径不到2km。利用激光的。利用激光的方向性好，可用于测距、定位、导航等。方向性好，可用于测距、定位、导航等。2022-12-73亮度高亮度高 由于激光器可以做到断续发光，使其能由于激光器可以做到断续发光，使其能量积累到一定程度再突发出来，
9、因而具有很量积累到一定程度再突发出来，因而具有很高的功率，最大可达高的功率，最大可达10k W10k W，再加上激光的，再加上激光的方向性好，使其亮度极高，比太阳的亮度还方向性好，使其亮度极高，比太阳的亮度还高出上千亿倍，只有氢弹爆炸瞬间的强烈闪高出上千亿倍，只有氢弹爆炸瞬间的强烈闪光才能与之相比。利用激光的高亮度，可以光才能与之相比。利用激光的高亮度，可以在局部范围产生在局部范围产生1010万度以上的高温，进行打万度以上的高温，进行打孔、焊接、手术以及可控热核反应等等。孔、焊接、手术以及可控热核反应等等。2022-12-74相干性好相干性好 所谓相干性是指两束光能够发生干涉，形成稳定的明暗所
10、谓相干性是指两束光能够发生干涉，形成稳定的明暗相间相间干涉图像干涉图像的特性。由于受激辐射原子发出的光在频率、的特性。由于受激辐射原子发出的光在频率、位相、振动方向等方面都同外来光子一样，使激光具有很好位相、振动方向等方面都同外来光子一样，使激光具有很好的相干性比较接近于理想的、完全相干的电磁波。一般单色的相干性比较接近于理想的、完全相干的电磁波。一般单色光源发出光的相干长度不超过光源发出光的相干长度不超过O1m，但激光的相干长度，但激光的相干长度可达几十公里。这里的相干长度是指把一束光分成两束，让可达几十公里。这里的相干长度是指把一束光分成两束，让它们经过不同的路程，能够产生干涉的最大光程差
11、。利用激它们经过不同的路程，能够产生干涉的最大光程差。利用激光的相干性好，可以进行光的相干性好，可以进行全息摄影，进行精密测量全息摄影，进行精密测量。2022-12-7固体激光材料分为两类。固体激光材料分为两类。一类是以一类是以电激励为主电激励为主的的半导体激光材料半导体激光材料，一般采用，一般采用异质结构异质结构，由半导体薄膜组成，用外延方法和气相沉积，由半导体薄膜组成，用外延方法和气相沉积方法制得。根据激光波长的不同，采用不同掺杂半导体方法制得。根据激光波长的不同，采用不同掺杂半导体材料材料。另一类是另一类是通过分立发光中心吸收光泵能量后转换成通过分立发光中心吸收光泵能量后转换成激光激光输
12、出的输出的发光材料发光材料。这类材料以。这类材料以固体电介质固体电介质为基质，为基质，分为分为晶体和非晶态玻璃晶体和非晶态玻璃两种。两种。二、固体激光材料固体激光材料 激光晶体中的激光晶体中的激活离子激活离子处于有序结构的晶格中，处于有序结构的晶格中，玻璃中的激活离子处于无序结构的网络中。常用的这玻璃中的激活离子处于无序结构的网络中。常用的这类激光材料以氧化物和氟化物为主，如硅酸盐玻璃、类激光材料以氧化物和氟化物为主，如硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、氟化物玻璃、氧化铝晶体、钇铝石榴石磷酸盐玻璃、氟化物玻璃、氧化铝晶体、钇铝石榴石晶体、氟化钇锂等。氧化物材料具有良好的物理性质，晶体、氟化钇锂等。氧化物
13、材料具有良好的物理性质，如高的硬度、机械强度和良好的化学稳定性；氟化物如高的硬度、机械强度和良好的化学稳定性；氟化物材料具有低的声子频率、宽的光谱透过范围和高的发材料具有低的声子频率、宽的光谱透过范围和高的发光量子效率。光量子效率。固体激光材料固体激光材料 激光材料应具有良好的物理化学性能，即要求热膨胀激光材料应具有良好的物理化学性能，即要求热膨胀系数小，弹性模量大，热导率高，光照稳定性和化学稳定系数小，弹性模量大，热导率高，光照稳定性和化学稳定性要好。性要好。2022-12-7（一）（一）构成构成激活离子激活离子晶体激光工作物质要在基质晶体中晶体激光工作物质要在基质晶体中掺入掺入适量的激活离
14、子。适量的激活离子。激活离子的作用在于在固体表面提供激活离子的作用在于在固体表面提供亚稳态能级亚稳态能级，由光泵，由光泵作用激发振荡出一定波长的激光。作用激发振荡出一定波长的激光。基质晶体基质晶体基质晶体须有良好的机械强度、良好的导热性和较小的光基质晶体须有良好的机械强度、良好的导热性和较小的光弹性。为降低热损耗和输入，基质对产生的激光吸收应接弹性。为降低热损耗和输入，基质对产生的激光吸收应接近为零。用作基质的晶体应能制成较大尺寸，且光学性能近为零。用作基质的晶体应能制成较大尺寸，且光学性能均匀。均匀。基质晶体主要有以下三类：基质晶体主要有以下三类：氟化物晶体氟化物晶体：这类晶体熔点较低，易于
15、生长单晶，这类晶体熔点较低，易于生长单晶，如如CaF2 BaF2 SrF2 LaF3 MgF2等。主要应用在较低的等。主要应用在较低的温度，现在应用较少。温度，现在应用较少。含氧金属酸化物晶体含氧金属酸化物晶体：是研究较早的激光晶体材料，：是研究较早的激光晶体材料，均以三价稀土离子为激活离子，掺杂时需要电荷补均以三价稀土离子为激活离子，掺杂时需要电荷补偿。如偿。如CaWO4、CaMnO4、LiNbO4、Ca（PO4）3F等。等。金属氧化物晶体金属氧化物晶体：如如Al2O3、Y3Al5O12、Er2O3、Y2O3等，掺入三价过渡族金属离子或三价稀土离子等，掺入三价过渡族金属离子或三价稀土离子构成
16、激光晶体，应用较多。但它们的熔点较高，制构成激光晶体，应用较多。但它们的熔点较高，制取优质单晶较为困难。取优质单晶较为困难。红宝石激光晶体（红宝石激光晶体（Al2O3：Cr3）：）：红宝石是世界上第一台固体激光器的工作物质，红宝石是世界上第一台固体激光器的工作物质，它由刚玉单晶（它由刚玉单晶（Al2O3）为基质，掺入）为基质，掺入Cr3激激活离子所组成的。活离子所组成的。它具有以下几个主要优点：晶体的物化性能很好，材料坚硬、稳定、它具有以下几个主要优点：晶体的物化性能很好，材料坚硬、稳定、导热性好、抗破坏能力高，对泵浦光的吸收特性好，可在室温条件下导热性好、抗破坏能力高，对泵浦光的吸收特性好，
17、可在室温条件下获得获得0.6943m0.6943m的可见激光。的可见激光。主要缺点：由于是三能级结构，产生的阈值较高。主要缺点：由于是三能级结构，产生的阈值较高。2022-12-7钕钇铝石榴石激光晶体（钕钇铝石榴石激光晶体（YAG：Nd3）基质材料是基质材料是Y3Al5O12，Nd作为激光离子。作为激光离子。YAG:Nd3激光跃迁能级属于激光跃迁能级属于四能级系统四能级系统，具，具有良好的力、热学和光学性能。有良好的力、热学和光学性能。与红宝石相比，与红宝石相比，YAG:Nd3晶体的荧光寿命较晶体的荧光寿命较短，荧光谱线较窄，适合于作重复脉冲输出短，荧光谱线较窄，适合于作重复脉冲输出运转。运转
18、。2022-12-72022-12-7半导体激光材料 半导体激光器是固体激光器中重要的一类。这半导体激光器是固体激光器中重要的一类。这类激光器的特点是体积小、效率高、运行简单、类激光器的特点是体积小、效率高、运行简单、便宜。便宜。半导体激光器的结构就是半导体器件半导体激光器的结构就是半导体器件pn结二结二极管，极管，在电流正向流动时会引起激光振荡。在电流正向流动时会引起激光振荡。产生激光振荡的条件是：产生激光振荡的条件是：1）利用的电流注入的少数载流子复合时放出的能量必）利用的电流注入的少数载流子复合时放出的能量必须以高效率变换为光。须以高效率变换为光。2）在引起反转分布时要注入足够浓度的载流
19、子。）在引起反转分布时要注入足够浓度的载流子。3）有谐振器。）有谐振器。2022-12-7 p-n结电注入激发机理：结电注入激发机理：若在形成了若在形成了p-n结的半导体材料上加上正向结的半导体材料上加上正向偏压，偏压，p区接正极，区接正极，n区接负极。显然，正向电区接负极。显然，正向电压的电场与压的电场与p-n结的自建电场方向相反，它削结的自建电场方向相反，它削弱了自建电场对晶体中电子扩散运动的阻碍作弱了自建电场对晶体中电子扩散运动的阻碍作用，使用，使n区中的自由电子在正向电压的作用下区中的自由电子在正向电压的作用下，又源源不断地通过，又源源不断地通过p-n结向结向p区扩散，在结区区扩散，在
20、结区内同时存在着大量导带中的电子和价带中的空内同时存在着大量导带中的电子和价带中的空穴时，它们将在注入区产生复合，穴时，它们将在注入区产生复合，当导带中的当导带中的电子跃迁到价带时，多余的能量就以光的形式电子跃迁到价带时，多余的能量就以光的形式发射出来。发射出来。这就是半导体场致发光的机理，这这就是半导体场致发光的机理，这种自发复合的发光称为自发辐射。种自发复合的发光称为自发辐射。要使要使p-n结产生激光，必须在结构内形成结产生激光，必须在结构内形成粒子反转粒子反转分布分布状态，需使用重掺杂的半导体材料，要求注入状态，需使用重掺杂的半导体材料，要求注入p-n结的电流足够大（如结的电流足够大（如
21、30000A/cm2）。这样在）。这样在p-n结结的局部区域内，就能形成导的局部区域内，就能形成导带中的电子多于价带中空带中的电子多于价带中空穴数的反转分布穴数的反转分布状态，从而产生受激复合辐射而发出状态，从而产生受激复合辐射而发出激光。激光。2半导体激光器结构。如半导体激光器结构。如上图所示上图所示，其外形及大小，其外形及大小与小功率半导体三极管差不多，仅在外壳上多一个激与小功率半导体三极管差不多，仅在外壳上多一个激光输出窗口。夹着结区的光输出窗口。夹着结区的p区与区与n区做成层状，结区厚区做成层状，结区厚为几十微米，面积约小于为几十微米，面积约小于1mm2。半导体激光器的光半导体激光器的
22、光学谐振腔是利用与学谐振腔是利用与p-n结平面相垂直的自然解理面（结平面相垂直的自然解理面（110面）构成，面）构成，它有它有35的反射率，已足以引起激光振荡的反射率，已足以引起激光振荡。若需增加反射率可在晶面上镀一层二氧化硅，再镀。若需增加反射率可在晶面上镀一层二氧化硅，再镀一层金属银膜，可获得一层金属银膜，可获得95以上的反射率。以上的反射率。一旦半导体激光器上加上正向偏压时，在结区就一旦半导体激光器上加上正向偏压时，在结区就发生粒子数反转而进行复合。发生粒子数反转而进行复合。2022-12-7 三、半导体激光器的工作特性三、半导体激光器的工作特性1阈值电流：阈值电流：当注入当注入p-n结
23、的电流较低时，只有自结的电流较低时，只有自发辐射发辐射 产生，随电流值的增大增益也增大，达阈值电流产生，随电流值的增大增益也增大，达阈值电流时，时，p-n结产生激光。影响阈值的几个因素：结产生激光。影响阈值的几个因素：（1）晶体的掺杂浓度越大，阈值越小。）晶体的掺杂浓度越大，阈值越小。（2）谐振腔的损耗小，如增大反射率）谐振腔的损耗小，如增大反射率30；在结的；在结的水平面内约为水平面内约为10左右（见左右（见左左图）。图）。，阈值就低。，阈值就低。（3）与半导体材料结型有关，异质结阈值电流比同）与半导体材料结型有关，异质结阈值电流比同质结低得多。质结低得多。4）温度愈高，阈值越高。）温度愈高
24、，阈值越高。100K以上，阈值随以上，阈值随T的的三次方增加。因此，半导体激光器最好在低温和室温下三次方增加。因此，半导体激光器最好在低温和室温下工作。工作。2方向性：方向性：由于半导体激光器的谐振腔短小，激光由于半导体激光器的谐振腔短小，激光方向性较差，在结的垂直平面内，发散角最大，可达方向性较差，在结的垂直平面内，发散角最大，可达20-2022-12-7 3效率效率 量子效率量子效率 每秒发射的光子数每秒到达结区的电子空穴对数每秒发射的光子数每秒到达结区的电子空穴对数 77K时，时，GaAs激光器量子效率达激光器量子效率达7080；300K时，降到时，降到30左左右。右。功率效率功率效率1
25、辐射的光功率加在激光器上的电功率辐射的光功率加在激光器上的电功率 由于各种损耗，目前的双异质结器件，室温时的由于各种损耗，目前的双异质结器件，室温时的1最高最高10，只有在，只有在低温下才能达到低温下才能达到3040。4光谱特性光谱特性 由于半导体材料的特殊电子结构，受激复合辐射发生在能带（导带与价由于半导体材料的特殊电子结构，受激复合辐射发生在能带（导带与价带）之间，所以激光线宽较宽，带）之间，所以激光线宽较宽，GaAs激光器，室温下谱线宽度约为几纳激光器，室温下谱线宽度约为几纳米，可见其单色性较差。输出激光的峰值波长：米，可见其单色性较差。输出激光的峰值波长：77K时为时为840nm；30
26、0K时时为为902nm。连续室温半导体激光器连续室温半导体激光器 现在已用双异质结制成在室温下能连续输出几十现在已用双异质结制成在室温下能连续输出几十毫瓦的半导体激光器。其输出波长为毫瓦的半导体激光器。其输出波长为900nm（近红外（近红外光）；器件工作寿命已达数万小时，甚至数十万小时光）；器件工作寿命已达数万小时，甚至数十万小时；功率转换效率超过；功率转换效率超过20；成为目前激光光纤传输的；成为目前激光光纤传输的重要光源。为了降低阈值电流和实现室温下连续运转重要光源。为了降低阈值电流和实现室温下连续运转，通常由异种材料来构成，通常由异种材料来构成“结结”，称为，称为“异质结异质结”的的新结
27、构。若在新结构。若在GaAs衬底的两侧各衬底的两侧各“生长生长”出出P-GaAlAs层和层和n-GaAlAs层，则称为双异质结，其激活层，则称为双异质结，其激活区厚度区厚度d0.5um。2022-12-7半导体激光器的工作原理半导体激光器的工作原理 半导体激光器是一种相干辐射光源，要使它能产生激光，必须具备三个基本条件半导体激光器是一种相干辐射光源，要使它能产生激光，必须具备三个基本条件:(1)增益条件增益条件:建立起激射媒质建立起激射媒质(有源区有源区)内载流子的反转分布内载流子的反转分布。在半导体中代表电子能量的是由。在半导体中代表电子能量的是由一系列接近于连续的能级所组成的能带，因此在半
28、导体中要实现粒子数反转，必须在两个能一系列接近于连续的能级所组成的能带，因此在半导体中要实现粒子数反转，必须在两个能带区域之间，处在高能态导带底的电子数比处在低能态价带顶的空穴数大很多，这靠给同质带区域之间，处在高能态导带底的电子数比处在低能态价带顶的空穴数大很多，这靠给同质结或异质结加正向偏压，向结或异质结加正向偏压，向有源层内注人必要的载流子有源层内注人必要的载流子来实现，将电子从能量较低的价带激来实现，将电子从能量较低的价带激发到能量较高的导带中去发到能量较高的导带中去.当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作
29、用作用.(2)要实际获得相干要实际获得相干受激辐射受激辐射，必须使受激辐射在，必须使受激辐射在光学谐振腔光学谐振腔内得到多次反馈而形成激光振荡，内得到多次反馈而形成激光振荡，激光器的激光器的谐振腔谐振腔是由半导体晶体的自然解理面作为反射镜形成的，通常在不出光的那一端镀是由半导体晶体的自然解理面作为反射镜形成的，通常在不出光的那一端镀上高反多层介质膜，而出光面镀上减反膜上高反多层介质膜，而出光面镀上减反膜.对对F-p腔腔(法布里一拍罗腔法布里一拍罗腔)半导体激光器可以很方半导体激光器可以很方便地利用晶体的与便地利用晶体的与P一一n结平面相垂直的自然解理面构成结平面相垂直的自然解理面构成F一一P腔
30、腔.(3)为了形成稳定振荡，激光媒质必须能提供足够大的增益为了形成稳定振荡，激光媒质必须能提供足够大的增益，以弥补谐振腔引起的光损耗及，以弥补谐振腔引起的光损耗及从腔面的激光输出等引起的损耗，不断增加腔内的光场从腔面的激光输出等引起的损耗，不断增加腔内的光场.这就必须要有足够强的电流注入，即这就必须要有足够强的电流注入，即有有足够的粒子数反转足够的粒子数反转，粒子数反转程度越高，得到的增益就越大，即要求，粒子数反转程度越高，得到的增益就越大，即要求必须满足一定的电必须满足一定的电流阀值条件流阀值条件.当激光器达到阀值当激光器达到阀值，具有特定波长的光就能在腔内谐振并被放大，最后形成激光，具有特
31、定波长的光就能在腔内谐振并被放大，最后形成激光而连续地输出而连续地输出.可见在半导体激光器中，电子和空穴的偶极子跃迁是基本的光发射和光放大过可见在半导体激光器中，电子和空穴的偶极子跃迁是基本的光发射和光放大过程。对于新型半导体激光器而言，人们目前公认量子阱是半导体激光器发展的根本动力程。对于新型半导体激光器而言，人们目前公认量子阱是半导体激光器发展的根本动力.量子量子线和量子点能否充分利用量子效应的课题已延至本世纪，科学家们已尝试用自组织结构在各线和量子点能否充分利用量子效应的课题已延至本世纪，科学家们已尝试用自组织结构在各种材料中制作量子点，而种材料中制作量子点，而GaInN量子点已用于半导
32、体激光器量子点已用于半导体激光器.另外，科学家也已经做出了另一另外，科学家也已经做出了另一类受激辐射过程的量子级联激光器，这种受激辐射基于从半导体导带的一个次能级到同一能类受激辐射过程的量子级联激光器，这种受激辐射基于从半导体导带的一个次能级到同一能带更低一级状态的跃迁，由于只有导带中的电子参与这种过程，因此它是单极性器件带更低一级状态的跃迁，由于只有导带中的电子参与这种过程，因此它是单极性器件.第二节光纤材料第二节光纤材料2020世纪世纪6060年代发现的年代发现的激光激光，为实现光信号通信奠定了，为实现光信号通信奠定了一定的基础，但要实现光通讯，还必须有一定的基础，但要实现光通讯，还必须有
33、光元件、组光元件、组件及信号加工技术和光信号的传输介质件及信号加工技术和光信号的传输介质。19581958年，英国科学家提出了利用光纤的设想。年，英国科学家提出了利用光纤的设想。19701970年年美国康宁玻璃公司拉制出世界第一根低损耗光纤，它美国康宁玻璃公司拉制出世界第一根低损耗光纤，它由高二氧化硅玻璃制成，长约数百米，损耗低于由高二氧化硅玻璃制成，长约数百米，损耗低于20dB/Km20dB/Km。2022-12-7然而，多组分玻璃光纤因其材料难以然而，多组分玻璃光纤因其材料难以提纯提纯，以及此类，以及此类玻璃的均匀性差，使得此类光纤的最低损耗仍相当大，玻璃的均匀性差，使得此类光纤的最低损耗
34、仍相当大，约为约为4dB/Km4dB/Km。近近3030年来，各种各样的光纤层出不穷，除了通讯用年来，各种各样的光纤层出不穷，除了通讯用多多模、单模光纤模、单模光纤外，近几年又出现了结构不同的外，近几年又出现了结构不同的高双折高双折射偏振保持光纤、单偏振光纤射偏振保持光纤、单偏振光纤，以及各种传感器用的，以及各种传感器用的功能光纤、塑料光纤等。光纤的最初应用是制作医用功能光纤、塑料光纤等。光纤的最初应用是制作医用内窥镜，但其主要的应用领域仍是在通讯方面。内窥镜，但其主要的应用领域仍是在通讯方面。2022-12-7光导纤维光导纤维 light-guide fiber光通讯是人类最早应用的通讯方式
35、之一。从烽火光通讯是人类最早应用的通讯方式之一。从烽火传递信号，到信号灯传递信号，到信号灯旗语等通讯方式，都是光通讯旗语等通讯方式，都是光通讯的范畴。但由于受到视距的范畴。但由于受到视距大气衰减大气衰减地形阻挡等诸地形阻挡等诸多因素的限制，光通讯的发展缓慢。多因素的限制，光通讯的发展缓慢。2022-12-7光导纤维的发明和使用：光导纤维的发明和使用：1870年的一天，英国物理学家丁达尔到皇年的一天，英国物理学家丁达尔到皇家学会的演讲厅讲光的全反射原理，他做了一家学会的演讲厅讲光的全反射原理，他做了一个简单的实验：在装满水的木桶上钻个孔，然个简单的实验：在装满水的木桶上钻个孔，然后用灯从桶上边把
36、水照亮。结果使观众们大吃后用灯从桶上边把水照亮。结果使观众们大吃一惊。人们看到，放光的水从水桶的小孔里流一惊。人们看到，放光的水从水桶的小孔里流了出来，水流弯曲，光线也跟着弯曲，光居然了出来，水流弯曲，光线也跟着弯曲，光居然被弯弯曲曲的水俘获了。被弯弯曲曲的水俘获了。2022-12-7 人们曾经发现，光能沿着从酒桶中喷出的细酒流传输；人们曾经发现，光能沿着从酒桶中喷出的细酒流传输；人们还发现，人们还发现，光能顺着弯曲的玻璃棒前进光能顺着弯曲的玻璃棒前进。这是为什么呢？。这是为什么呢？难道光线不再直进了吗？这些现象引起了丁达尔的注意，经难道光线不再直进了吗？这些现象引起了丁达尔的注意，经过他的研
37、究，发现这是过他的研究，发现这是全反射的作用全反射的作用，即光从水中射向空气，即光从水中射向空气，当入射角大于某一角度时，折射光线消失，全部光线都反射当入射角大于某一角度时，折射光线消失，全部光线都反射回水中。表面上看，光好像在水流中弯曲前进。实际上，在回水中。表面上看，光好像在水流中弯曲前进。实际上，在弯曲的水流里，光仍沿直线传播，只不过在内表面上发生了弯曲的水流里，光仍沿直线传播，只不过在内表面上发生了多次全反射，光线经过多次全反射向前传播。后来人们造出多次全反射，光线经过多次全反射向前传播。后来人们造出一种透明度很高、粗细像蜘蛛丝一样的玻璃丝一种透明度很高、粗细像蜘蛛丝一样的玻璃丝玻璃纤
38、维，玻璃纤维，当光线以合适的角度射入玻璃纤维时，光就沿着弯弯曲曲的当光线以合适的角度射入玻璃纤维时，光就沿着弯弯曲曲的玻璃纤维前进。由于这种纤维能够用来传输光线，所以称它玻璃纤维前进。由于这种纤维能够用来传输光线，所以称它为为光导纤维。光导纤维。2022-12-7 光导纤维正是根据光导纤维正是根据光的全反射光的全反射这一原理制造的。它的基本原料这一原理制造的。它的基本原料是廉价的是廉价的石英玻璃石英玻璃，科学家将它们拉成，科学家将它们拉成直径只直径只有几有几微米微米到几十微米到几十微米的丝，然后再包上一层的丝，然后再包上一层折射率折射率比它小的材料。只要比它小的材料。只要入射角入射角满足一定满
39、足一定的条件，光束就可以在这样制成的光导纤维中弯弯曲曲地从一端传的条件，光束就可以在这样制成的光导纤维中弯弯曲曲地从一端传到另一端，而不会在中途漏射。到另一端，而不会在中途漏射。科学家将光导纤维的这一特性首先用于科学家将光导纤维的这一特性首先用于光通信光通信。一根。一根光导纤维只能传送一个很小的光点，如果把数以万计光导纤维只能传送一个很小的光点，如果把数以万计的光导纤维整齐地排成一束，并使每根光导纤维在两的光导纤维整齐地排成一束，并使每根光导纤维在两端的位置上一一对应，就可做成光缆。用光缆代替电端的位置上一一对应，就可做成光缆。用光缆代替电缆通信具有无比的优越性。比如缆通信具有无比的优越性。比
40、如20根光纤组成的像铅根光纤组成的像铅笔精细的光缆，每天可通话笔精细的光缆，每天可通话7.6万人次，而万人次，而1800根铜线根铜线组成的像碗口粗细的电缆，每天只能通话几千人次。组成的像碗口粗细的电缆，每天只能通话几千人次。光导纤维不仅光导纤维不仅重量轻、成本低、敷设方便重量轻、成本低、敷设方便，而且，而且容量大、抗干扰、稳定可靠、保密性强容量大、抗干扰、稳定可靠、保密性强。因此光缆正。因此光缆正在取代铜线电缆，广泛地应用于通信、电视、广播、在取代铜线电缆，广泛地应用于通信、电视、广播、交通、军事、医疗等许多领域，难怪人们称誉光导纤交通、军事、医疗等许多领域，难怪人们称誉光导纤维为信息时代的神
41、经。我国自行研制、生产、建设的维为信息时代的神经。我国自行研制、生产、建设的世界最长的世界最长的京汉广通信光缆京汉广通信光缆，全长，全长3047公里，已于公里，已于1993年年10月月15日开通，标志我国已进入全面应用日开通，标志我国已进入全面应用光通光通信的时代。信的时代。2022-12-7利用光导纤维进行的通信叫光纤通信利用光导纤维进行的通信叫光纤通信。一对金属电话线至。一对金属电话线至多只能同时传送一千多路电话，而根据理论计算，一对细如蛛多只能同时传送一千多路电话，而根据理论计算，一对细如蛛丝的光导纤维可以同时通一百亿路电话！铺设丝的光导纤维可以同时通一百亿路电话！铺设1000公里的同公
42、里的同轴电缆大约需要轴电缆大约需要500吨铜，改用光纤通信只需几公斤石英就可吨铜，改用光纤通信只需几公斤石英就可以了。沙石中就含有石英，几乎是取之不尽的。以了。沙石中就含有石英，几乎是取之不尽的。利用光导纤维制成的利用光导纤维制成的内窥镜内窥镜，可以帮助医生检，可以帮助医生检查胃、食道、十二指肠等的疾病。光导纤维胃镜是查胃、食道、十二指肠等的疾病。光导纤维胃镜是由上千根玻璃纤维组成的软管，它有输送光线、传由上千根玻璃纤维组成的软管，它有输送光线、传导图像的本领，又有柔软、灵活，可以任意弯曲等导图像的本领，又有柔软、灵活，可以任意弯曲等优点，可以通过食道插入胃里。光导纤维把胃里的优点，可以通过食
43、道插入胃里。光导纤维把胃里的图像传出来，医生就可以窥见胃里的情形，然后根图像传出来，医生就可以窥见胃里的情形，然后根据情况进行诊断和治疗据情况进行诊断和治疗。一一.光纤的结构及分类光纤的结构及分类1.光纤的结构光纤的结构光纤是由高透明电介质材料制成的非常细（外径约为光纤是由高透明电介质材料制成的非常细（外径约为125200m）的低损耗）的低损耗光导纤维光导纤维，它不仅具有束缚，它不仅具有束缚和传输从红外到可见光区域内的光的功能，而且也具和传输从红外到可见光区域内的光的功能，而且也具有传感功能。一般通信用光纤的横截面的结构如后图有传感功能。一般通信用光纤的横截面的结构如后图所示。所示。2022-
44、12-7光纤本身由光纤本身由纤芯和包层纤芯和包层构构成，成，纤芯纤芯是由高透明固体是由高透明固体材料（如高二氧化硅玻璃、材料（如高二氧化硅玻璃、多组分玻璃、塑料等）制多组分玻璃、塑料等）制成；成；纤芯的外面是纤芯的外面是包层包层，用，用折折射率较低的有损耗的石英射率较低的有损耗的石英玻璃、多组分玻璃或塑料玻璃、多组分玻璃或塑料制成制成。能导光的玻璃纤维能导光的玻璃纤维光纤，光纤的光纤，光纤的导光能力取决于纤芯和包层的性质。导光能力取决于纤芯和包层的性质。2022-12-7 在实际使用中，在实际使用中，为了增加光纤的为了增加光纤的强度和柔性，还强度和柔性，还需在光纤的外面需在光纤的外面加上加上被
45、覆层被覆层，主，主要是防止玻璃光要是防止玻璃光纤的玻璃表面受纤的玻璃表面受到损伤，并保持到损伤，并保持光纤的强度。通光纤的强度。通常采用常采用连续挤压连续挤压法法将热可塑硅树将热可塑硅树脂被覆在光纤外脂被覆在光纤外制成。制成。2.光纤的分类光纤的分类光学上把具有一定频率一定偏振状态和传输方向的光光学上把具有一定频率一定偏振状态和传输方向的光波叫做光的一种模式。波叫做光的一种模式。按光纤芯折射率的分布不同，常用通讯光纤主要分为按光纤芯折射率的分布不同，常用通讯光纤主要分为节跃光纤、梯度光纤和单模光纤节跃光纤、梯度光纤和单模光纤三种类型。三种类型。另外，从光纤的材质上可将光纤分为另外，从光纤的材质
46、上可将光纤分为石英光纤、多组石英光纤、多组分玻璃光纤、全塑料光纤分玻璃光纤、全塑料光纤等。其中石英光纤具有衰减等。其中石英光纤具有衰减低、频带宽等优点，在研究和应用中占主导地位。低、频带宽等优点，在研究和应用中占主导地位。2022-12-72022-12-7二二.光在光纤中传输的基本原理光在光纤中传输的基本原理一切光纤的工作基础都是光的一切光纤的工作基础都是光的全内反射现象。如果有一束光全内反射现象。如果有一束光投射到折射率分别是投射到折射率分别是n n1 1和和n n2 2的两的两种媒质界面上时，（设种媒质界面上时，（设n n1 1 n n2 2）入射光将分为反射光和折射光，入射光将分为反射
47、光和折射光，入射角入射角0 0与折射角与折射角之间服从光的折之间服从光的折射定律射定律当入射角当入射角0 0逐渐增大时，折射逐渐增大时，折射角角也相应增大。当也相应增大。当0 0sinsin1 1n n2 2/n/n1 1时，折射角时，折射角/2/2，这，这时入射光线全部返回到原来的时入射光线全部返回到原来的介质中，这种现象叫光的全反介质中，这种现象叫光的全反射，此时的入射角射，此时的入射角1 1sinsin1 1n n2 2/n/n1 1叫做临界角。如图。叫做临界角。如图。2022-12-72022-12-7光纤传输光纤传输 直到直到1960年，美国科学家年，美国科学家Maiman发明了世界
48、上第一台激光器后，发明了世界上第一台激光器后，为光通讯提供了良好的光源。随后二十多年，人们对光传输介质进行了为光通讯提供了良好的光源。随后二十多年，人们对光传输介质进行了攻关，终于制成了低损耗光纤，从而奠定了光通讯的基石。从此，光通攻关，终于制成了低损耗光纤，从而奠定了光通讯的基石。从此，光通讯进入了飞速发展的阶段。光纤传输有许多突出的优点：讯进入了飞速发展的阶段。光纤传输有许多突出的优点：1、频带宽、频带宽 频带的宽窄代表传输容量的大小。载波的频率越高，可以传输信号频带的宽窄代表传输容量的大小。载波的频率越高，可以传输信号的频带宽度就越大。的频带宽度就越大。2022-12-72损耗低损耗低
49、在同轴电缆组成的系统中，最好的电缆在传输在同轴电缆组成的系统中，最好的电缆在传输800MHz信号时，每信号时，每公里的损耗都在公里的损耗都在40dB以上。相比之下，光导纤维的损耗则要小得多，以上。相比之下，光导纤维的损耗则要小得多，传输传输1、31um的光，每公里损耗在的光，每公里损耗在035dB以下若传输以下若传输155um的光，的光，每公里损耗更小，可达每公里损耗更小，可达02dB以下。这就比同轴电缆的功率损耗要小以下。这就比同轴电缆的功率损耗要小一亿倍，使其能传输的距离要远得多。此外，光纤传输损耗还有两个特一亿倍，使其能传输的距离要远得多。此外，光纤传输损耗还有两个特点，一是在全部有线电
50、视频道内具有相同的损耗，不需要像电缆干线那点，一是在全部有线电视频道内具有相同的损耗，不需要像电缆干线那样必须引人均衡器进行均衡；二是其损耗几乎不随温度而变，不用担心样必须引人均衡器进行均衡；二是其损耗几乎不随温度而变，不用担心因环境温度变化而造成干线电平的波动。因环境温度变化而造成干线电平的波动。3重量轻重量轻 因为光纤非常细，单模光纤芯线直径一般为因为光纤非常细，单模光纤芯线直径一般为4um10um，外径也只有，外径也只有125um，加上防水层、加强筋、，加上防水层、加强筋、护套等，用护套等，用448根光纤组成的光缆直径还不到根光纤组成的光缆直径还不到13mm，比标准同轴电缆的直径，比标准
