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1、光电子材料激光及光纤光电子材料激光及光纤第1页，本讲稿共45页一、激光器的诞生一、激光器的诞生19世纪的科学家们进行了关于电磁波的卓越的研究世纪的科学家们进行了关于电磁波的卓越的研究1905年爱因斯坦提出了光量子和光电效应的概念，年爱因斯坦提出了光量子和光电效应的概念，揭示了辐射的波粒二象性揭示了辐射的波粒二象性 1916年爱因斯坦提出了受激辐射的概念年爱因斯坦提出了受激辐射的概念1900年普朗克引入的能量量子的概念年普朗克引入的能量量子的概念 基础性、探索性基础性、探索性研究研究第2页，本讲稿共45页激光器的诞生激光器的诞生激光走向新技术的开发和工程应用激光走向新技术的开发和工程应用阶段阶段
2、1954年研制成第一台微波激射器年研制成第一台微波激射器 1958年美国的汤斯和苏联的巴索夫及普罗霍洛夫等人年美国的汤斯和苏联的巴索夫及普罗霍洛夫等人提出了激光的概念和理论设计提出了激光的概念和理论设计 1960年美国的梅曼研制成功第一台红宝石激光器；年美国的梅曼研制成功第一台红宝石激光器；贾万等人研制成氦氖激光器。贾万等人研制成氦氖激光器。我国的第一台激光器我国的第一台激光器于于1961年在长春光机所创制年在长春光机所创制成功成功 第3页，本讲稿共45页激光技术激光技术原理：利用受激辐射放大电磁波，可在紫外线、可见光、原理：利用受激辐射放大电磁波，可在紫外线、可见光、红外谱区红外谱区 极窄的
3、频段内产生高强度相干辐射。极窄的频段内产生高强度相干辐射。激光的激光的特性特性使之在光学应用领域带来了革命性的变化：使之在光学应用领域带来了革命性的变化：方向性方向性单色性单色性相干性相干性高亮度高亮度接近单频接近单频干涉性好干涉性好发射方向的空间内能量高度集中发射方向的空间内能量高度集中第4页，本讲稿共45页 四十多年来，激光器的品种迅速增加：四十多年来，激光器的品种迅速增加：固体激光器固体激光器半导体激光器半导体激光器固体激光器（固体激光器（半导体激光泵浦半导体激光泵浦）化学激光器（化学激光器（HF/DF激光、氧碘化学激光器、激光、氧碘化学激光器、CO2激光、激光、燃料激光、氦氖激光燃料激
4、光、氦氖激光）激光的种类激光的种类第5页，本讲稿共45页自由电子激光器自由电子激光器x射线激光器射线激光器准分子激光器准分子激光器金属蒸气激光器等。金属蒸气激光器等。铜蒸气激光第6页，本讲稿共45页 激光器的输出水平不断提高：激光器的输出水平不断提高：中、小功率器件中、小功率器件 高功率、高能量激光器；高功率、高能量激光器；脉冲体制从连续波、准连续波到各种短脉冲、超短脉冲的激脉冲体制从连续波、准连续波到各种短脉冲、超短脉冲的激光。光。u连续的高能激光单次输出能量已达百万焦耳以上；连续的高能激光单次输出能量已达百万焦耳以上；u超短脉冲：纳秒超短脉冲：纳秒 皮秒皮秒 费秒费秒 阿秒阿秒 脉冲功率密
5、度则可高达脉冲功率密度则可高达1020瓦瓦/cm2以上。以上。第7页，本讲稿共45页p输出激光的频率覆盖着越来越广的范围输出激光的频率覆盖着越来越广的范围：长至亚毫米（太赫兹）长至亚毫米（太赫兹）短至短至x射线射线激光也在探索中，分立的激光谱线达几千条；激光也在探索中，分立的激光谱线达几千条；第8页，本讲稿共45页激光器组成：激光器组成：工作物质工作物质(基质和激活离子基质和激活离子)、激发源、激发源(泵浦泵浦)、共振腔。、共振腔。工作物质：工作物质：借外来能源激励实现粒子数反转并产生受激辐射放大作用借外来能源激励实现粒子数反转并产生受激辐射放大作用的物质系统，包括固体的物质系统，包括固体(晶
6、体、玻璃晶体、玻璃)、气体、气体(原子气体、离子气体、分原子气体、离子气体、分子气体子气体)、液体和半导体等。、液体和半导体等。激光器利用激光器利用泵浦泵浦(闪光灯或另一种激光器以及气体放电激励、化学激闪光灯或另一种激光器以及气体放电激励、化学激励、核能激励励、核能激励)等激发源激发工作物质实现激射。等激发源激发工作物质实现激射。共振腔作用：共振腔作用：通过工作物质对激光提供反馈，以激发更多的光发射。通过工作物质对激光提供反馈，以激发更多的光发射。大多数半导体激光器是利用在大多数半导体激光器是利用在GaAs的的p-型层和型层和n-型层之间的结区型层之间的结区(极窄，约极窄，约lm)，通过电荷注
7、入等激励方式，激发非严衡载流子实现，通过电荷注入等激励方式，激发非严衡载流子实现粒子数反转，从而产生受激发射。粒子数反转，从而产生受激发射。第9页，本讲稿共45页工作物质工作物质激光器最重要的部分是工作物质，包括使原子高低能态分布反转的激活离子和基质。激光器最重要的部分是工作物质，包括使原子高低能态分布反转的激活离子和基质。用过渡金属离子（如Cr3+）激活的三能级激光晶体，如Cr3+：Al3 氧化物激光晶体固体激光器材料 用稀土离子（如Nd3+）氟化物激光晶体 激活的四能级体系 复合石榴石激光晶体 激光玻璃（钕玻璃）色心激光晶体（如LiF，KCl）原子气体 气体激光器材料离子气体（氩离子、氪离
8、子）工分子气体（CO2、CO、N2分子）作准分子气体（XeF、KrF）物有机荧光染料（如罗丹明6B）质液体激光器材料 稀土螯合物（如Eu(TTA)3、Eu(BTF)4）钕氧氯化硒（Nd3+：SeOCl2）半导体激光器材料可见光激光管材料（如AlGaAs）红外激光管材料（GaAs、Pb1XSnXTe）非线性光学材料（LiNbO3）激光器辅助材料窗口、透镜材料（如GaAs、ZnSe）抗反射涂层（ZrO2、SiO2、TiO2、MgF2等）其它第10页，本讲稿共45页 固态基质材料可粗略分为固态基质材料可粗略分为晶态固体和玻璃晶态固体和玻璃两大类。两大类。要求：要求：具备清晰的荧光线、强的吸收带及相当
9、高的具备清晰的荧光线、强的吸收带及相当高的量子效率，优良的光学、热学性能和机械性能。量子效率，优良的光学、热学性能和机械性能。晶体质量晶体质量，对光学损伤或机械损伤的抵御能力、化学，对光学损伤或机械损伤的抵御能力、化学稳定性等也至关重要。稳定性等也至关重要。(1)离子大小离子大小：晶态基质的晶格格点必须与激活离子：晶态基质的晶格格点必须与激活离子的大小相当。在离子晶体中，离子半径之差大于的大小相当。在离子晶体中，离子半径之差大于15就就不能直接掺入不能直接掺入1以上的激活离子。但用稀土激活的晶体以上的激活离子。但用稀土激活的晶体激活离子的掺入量可大于激活离子的掺入量可大于1。第11页，本讲稿共
10、45页(2)电性中和电性中和：掺杂剂价态如与基质阳离子不同，则要采取适当的：掺杂剂价态如与基质阳离子不同，则要采取适当的电荷补偿技术维持高掺杂下的电性中和，否则掺杂剂的溶解度将受到限制。电荷补偿技术维持高掺杂下的电性中和，否则掺杂剂的溶解度将受到限制。例如例如CaWO4中如只掺入稀土取代中如只掺入稀土取代Ca2+，溶解度就受到限制，这时再加入，溶解度就受到限制，这时再加入Na+，稀土溶解度才增加。，稀土溶解度才增加。(3)抗热冲击能力抗热冲击能力：基质的某些物理性质决定该晶体对突然爆：基质的某些物理性质决定该晶体对突然爆发的泵浦能的抗热冲击能力，对确定运转方式如连续运转或高功率、高发的泵浦能的
11、抗热冲击能力，对确定运转方式如连续运转或高功率、高重复率脉冲运转颇为关键。对于这些运转方式，利用重复率脉冲运转颇为关键。对于这些运转方式，利用热膨胀系数低、强热膨胀系数低、强度高、热导率高的晶体更合适度高、热导率高的晶体更合适。这些性质的相对数值大体上与化合物的熔点有关，因此使用高熔点这些性质的相对数值大体上与化合物的熔点有关，因此使用高熔点化合物更有利。化合物更有利。第12页，本讲稿共45页高强度激光器：晶体有较高的热导率（泵浦源辐照后高强度激光器：晶体有较高的热导率（泵浦源辐照后晶体产生的热必须用晶体产生的热必须用冷却剂使之在激光棒表面迅速耗散冷却剂使之在激光棒表面迅速耗散）。）。电荷补偿
12、技术电荷补偿技术对物理性能有不利影响，如在对物理性能有不利影响，如在CaWO4中采用一价离子会使晶体的中采用一价离子会使晶体的热膨胀系数增加热膨胀系数增加，强度和热导强度和热导率降低率降低（显然三价离子为宜）。（显然三价离子为宜）。（4）光学性质）光学性质：理想晶体应对泵浦波长有较强吸收，对：理想晶体应对泵浦波长有较强吸收，对激射波长吸收很弱。激射波长吸收很弱。（5）纯度）纯度：生长激光晶体所用氧化物纯度为：生长激光晶体所用氧化物纯度为56个个“9”，总杂质含量不得超过，总杂质含量不得超过110ppm。第13页，本讲稿共45页 激光材料制取方法激光材料制取方法1 激光晶体制取方法激光晶体制取方
13、法A 焰熔法焰熔法(维尔纳叶法维尔纳叶法)氢氧燃烧产生的高温使料粉通过火焰撒下熔融，熔滴落在籽晶上，氢氧燃烧产生的高温使料粉通过火焰撒下熔融，熔滴落在籽晶上，使籽晶杆下降进入炉子的较冷部分随即结晶。该法设备简单、不用坩埚，使籽晶杆下降进入炉子的较冷部分随即结晶。该法设备简单、不用坩埚，适于生长熔点大于适于生长熔点大于1800(可达可达2500)的晶体如的晶体如红宝石、钇铝石榴石红宝石、钇铝石榴石(Y3A15O12)和和Y2O3等基质晶体，缺点是晶体内应力大、位错密度高及等基质晶体，缺点是晶体内应力大、位错密度高及存在化学不均匀性。存在化学不均匀性。B 直拉法直拉法适于生长共熔化合物单晶，易自动
14、化，能生长非常大的完美单晶，适于生长共熔化合物单晶，易自动化，能生长非常大的完美单晶，如如CaWO4、CaMoO4、红宝石、碱土金属卤化物及石榴石晶体等。、红宝石、碱土金属卤化物及石榴石晶体等。第14页，本讲稿共45页近年来出现的近年来出现的钆钪镓石榴石钆钪镓石榴石Gd3Sc2Ga3O12(简称简称GSGG)就是用直拉法生长就是用直拉法生长的。的。Nd，采用铱坩埚在含，采用铱坩埚在含l3O2的氮气氛中生长的氮气氛中生长(感应加热感应加热)，已生长出直径，已生长出直径130mm、长、长100mm的晶坨，晶体尺寸大、质量高、适于制造高平均输出的晶坨，晶体尺寸大、质量高、适于制造高平均输出(1KW)
15、的的板条激光器（规格板条激光器（规格l10 20cm3)，在金属加工方面可与，在金属加工方面可与CO2激光器竞争。激光器竞争。作为可买到的商品作为可买到的商品Nd YAG一般都采用直拉法生长，已制出最大直径约一般都采用直拉法生长，已制出最大直径约10mm、长达、长达150mm的激光棒。还制出直径的激光棒。还制出直径75m m的非掺的非掺YAG晶锭。由于生晶锭。由于生长时间慢长时间慢(0.5mm/h)，生长，生长1015cm长的晶棒，耗时数周，造成高的生产长的晶棒，耗时数周，造成高的生产成本。目前正在研制成本。目前正在研制400一一1000W的的Nd YAG板条激光器。板条激光器。第15页，本讲
16、稿共45页此外，钕含量比此外，钕含量比YAG高高6倍的倍的Nd：LMAO(Nd：La1XMgAl11O19)也是用直拉也是用直拉法生长的。这种晶体法生长的。这种晶体解决了钕含量低使输出功率受限制解决了钕含量低使输出功率受限制的问题，已实现高功率输出，近年内可望的问题，已实现高功率输出，近年内可望制成千瓦级小型固体激光器，其激射波长为制成千瓦级小型固体激光器，其激射波长为1054m。C热交换器热交换器(HEM)法法 该法将该法将籽晶籽晶置于坩埚置于坩埚底部底部的中心位置，的中心位置，熔料装到籽晶的上方熔料装到籽晶的上方、坩埚位于热交、坩埚位于热交换器的上部，用石墨电阻炉生长激光晶体。对于给定的物
17、料，炉温决定液体内的换器的上部，用石墨电阻炉生长激光晶体。对于给定的物料，炉温决定液体内的温度梯度，热交换器的温度决定固体内的温度梯度。固液界面因浸没在熔体表面温度梯度，热交换器的温度决定固体内的温度梯度。固液界面因浸没在熔体表面以下，不受机械和温度扰动的影响，故可实现均匀生长，最大限度地降低生长条以下，不受机械和温度扰动的影响，故可实现均匀生长，最大限度地降低生长条纹，获得均匀的掺杂分布纹，获得均匀的掺杂分布(指分凝系数小于指分凝系数小于1的元素的元素)。该法适于生长。该法适于生长Cr：A12O3(红红宝石宝石)、Nd：YAG、Co：MgF2和和Ti：A12O3(蓝宝石蓝宝石)，能获得大尺寸
18、优质晶体，能获得大尺寸优质晶体，如如65mm的的Co：MgF2晶体和晶体和 320mm、重、重50Kg的蓝宝石晶体。的蓝宝石晶体。第16页，本讲稿共45页表：典型的固态激光材料系统及工作原理表：典型的固态激光材料系统及工作原理基质掺杂剂 敏化剂 激光波长（m)工作性能效率(%)工作温度(K)泵浦源红宝石Cr3+0.6943输出数J/Pulse0.7300Y3Al5O12Nd3+1.0641输出达数百W（连续）或100J/Pulse0.4300氙闪光灯玻璃（硼酸盐、硅酸盐、磷酸盐等）Nd3+Mn2+,UO22+1.051.08YAlO3Nd3+Cr1.064225mJ/Pulse,Q开关20ns
19、,10pps100W(连续)1300连续波氪灯CaLa4(SiO4)3ONd3+1.061500mJ/Pulse,Q开关30ns,30Pulse/s6mm75mm棒1300氙闪光灯Y3Al5O12Ho3+Er Tm2.1棒规格3mm50mm，20W(连续)477典化钨YLiF4Ho3+Er Tm2.064mJQ开关150mJ长脉冲（2 s）3mm50mm棒0.5300氙闪光灯YLiF4Er3+0.85500mJ/Pulse,长脉冲,5mm30mm棒,阈值（10100）J 0.03300氙闪光灯YAlO3Er3+1.666mm50mm棒,阈值52J300氙闪光灯玻璃Er3+Yb1.544mm76
20、mm棒输出0.86J（普通）输出0.18J（Q开关）0.1300氙闪光灯YAlO3Tm3+Cr2.355mm50mm棒,阈值110J300氙闪光灯YLiF4Nd3+1.0535mm50mm棒,阈值8J,输出200mJ,脉冲宽度100 s 07300氙闪光灯La2Be2O5Nd3+1.0705mm50mm棒,输出9W（连续）0.33300碘钨灯第17页，本讲稿共45页表：波长可调激光晶体及工作性能表：波长可调激光晶体及工作性能激活离子基质晶体激光波长（m)温度（K）工作方式泵浦源Ti3+Al2O3BeAl2O40.6801.1780.7800.820300300脉冲，连续脉冲激光器，灯激光器V3
21、+CsCaF3MgF21.2401.3301.0501.30080200连续氪激光器Cr3+BeAl2O4Be3Al2Si6O12KZnF3ZnWO4Y3Ga5O12Gd3Ga5O12Gd3Sc2Al3O12Y3Sc2Ga3O12Gd3Sc2Ga3O12La3Lu2Ga3O120.7000.8300.7510.7590.7580.8750.7850.8650.9801.0900.7400.7600.7650.8010.7300.7450.8200.8203008030077300300300300300300脉冲，连续脉冲脉冲连续连续连续连续连续连续灯灯氪激光器激光器激光器激光器激光器激光器激
22、光器Co3+MgF2KMgF3KZnF3ZnF21.6302.451.621.9001.6502.0702.16580225808020077连续连续Nd:YAG激光器氩激光器Ni2+MgOCaY2Mg2Ge3O12KMgF3MgF2MnF21.3101.4101.4601.5911.6101.7401.9201.940778077300802007785脉冲，连续连续脉冲，连续Nd:YAG激光器第18页，本讲稿共45页半导体激光材料的制取方法半导体激光材料的制取方法 半导体激光器主要用于光学器件、激光唱盘、激光印刷半导体激光器主要用于光学器件、激光唱盘、激光印刷机和光纤通信等领域。机和光纤通
23、信等领域。目前研制的半导体激光材料体系，短波长目前研制的半导体激光材料体系，短波长(0.71.0m)材料以材料以(Ga,Al)AsGaAs为主；长波长为主；长波长(1.101.6 m)材料以材料以(In,Ga)(As,P)InP为主。因此为主。因此GaAs，InP衬底材料及衬底材料及(Ga,Al)As，(In,Ga)(As,P)外延膜外延膜质量至关重要。质量至关重要。衬底用衬底用GaAs单晶的生长，目前用单晶的生长，目前用高压液体覆盖直拉高压液体覆盖直拉(LEC)法法已获得已获得125mm的高纯单晶。在生长过程中，通过采取理想的热环的高纯单晶。在生长过程中，通过采取理想的热环境，尽可能使固液界
24、面保持低的温度梯度，保持表面凹向熔体以及境，尽可能使固液界面保持低的温度梯度，保持表面凹向熔体以及进行等电子掺杂等措施，显著降低了位错密度。进行等电子掺杂等措施，显著降低了位错密度。用水平布里支曼用水平布里支曼(HB)法法已获得宽已获得宽80mm、长、长100mm的的D型型GaAs晶体，位错密度比晶体，位错密度比LEC晶体低，更适合作衬底材料。生长晶体低，更适合作衬底材料。生长InP远比远比GaAs困难，通困难，通常用常用LEC法生长，已能生长直径达法生长，已能生长直径达75mm、重、重1.2kg的无孪生的无孪生InP单晶。单晶。第19页，本讲稿共45页外延膜的生长除常用的液相外延外，分子束外
25、外延膜的生长除常用的液相外延外，分子束外延延(MBE)和金属有机化学气相沉积和金属有机化学气相沉积(MOCVD)等等新的薄膜生长方法发展很快。新的薄膜生长方法发展很快。目前生长目前生长GaAs和和 (Ga,A1)As量子阱结构量子阱结构(0.60.8 m)以用以用MBE和和MOCVD为宜，对波长为宜，对波长1.21.6 m的的(In,Ga)(As,P)/InP体系，以用氢体系，以用氢化物输运气相外延为宜。化物输运气相外延为宜。第20页，本讲稿共45页激光应用激光应用第21页，本讲稿共45页（1）激光可在很小的区域上聚焦很高的功率密度：激光可在很小的区域上聚焦很高的功率密度：在工业制造中可进行精
26、确的切削、钻孔和表面改性在工业制造中可进行精确的切削、钻孔和表面改性做精密的医疗手术做精密的医疗手术作用于微型靶实现激光核聚变。作用于微型靶实现激光核聚变。第22页，本讲稿共45页（2）激光光谱技术比传统的分辨率提高了百万倍，灵敏）激光光谱技术比传统的分辨率提高了百万倍，灵敏度提度提 高了百亿倍；激光为信息技术开拓了丰富的频率高了百亿倍；激光为信息技术开拓了丰富的频率资源；资源；布满全球的光纤网，加上卫星通信网，形成了信息高速公路的布满全球的光纤网，加上卫星通信网，形成了信息高速公路的基础；基础；光存储、激光全息、激光照排、打印及条码扫描技术等，光存储、激光全息、激光照排、打印及条码扫描技术等
27、，提供了全新的多样化的信息服务。提供了全新的多样化的信息服务。第23页，本讲稿共45页（3）激光技术开辟了崭新的军事应用：激光技术开辟了崭新的军事应用：激光瞄准、制导、测距激光瞄准、制导、测距激光雷达激光雷达激光引信激光引信激光致盲传感器激光致盲传感器高能强激光武器等高能强激光武器等 ABL第24页，本讲稿共45页（4）激光光盘）激光光盘存储密度大存储密度大 保存时间长保存时间长 信息处理方便信息处理方便第25页，本讲稿共45页26光盘的工作原理第26页，本讲稿共45页CD光盘剖面图光盘剖面图光盘结构光盘结构第27页，本讲稿共45页第28页，本讲稿共45页二、二、光导纤维材料光导纤维材料光导纤
28、维是指能导光的纤维，通常由折射率高的纤芯及折光导纤维是指能导光的纤维，通常由折射率高的纤芯及折射率低的包层组成，这两部分对传输的光具有极高的透过率。射率低的包层组成，这两部分对传输的光具有极高的透过率。目前应用的光纤是以目前应用的光纤是以SiO2为主要原料的纤维，其纤芯芯径为主要原料的纤维，其纤芯芯径为数为数m到数百到数百m。光线进入光纤在纤芯与包层的界面发。光线进入光纤在纤芯与包层的界面发生多次全反射，将载带的信息从一端传到另一端，从而实生多次全反射，将载带的信息从一端传到另一端，从而实现光纤通信。现光纤通信。1966年，英籍华人高昆年，英籍华人高昆(KCKao)和他的同事和他的同事Hock
29、ham以及法国的以及法国的Werts根据介质波导理论提出光纤传输线根据介质波导理论提出光纤传输线的概念。尽管他们所试验的光纤损耗高达的概念。尽管他们所试验的光纤损耗高达1000dBkm，但他，但他们指出如采用石英玻璃等作介质，可使其损耗降低到们指出如采用石英玻璃等作介质，可使其损耗降低到20dB km。（。（光纤的损耗光纤的损耗:损耗指光信号功率传输每单位长度衰减的程度损耗指光信号功率传输每单位长度衰减的程度,用用分贝分贝/公里公里(dB/km)表示表示）第29页，本讲稿共45页光导纤维传输点光源示意图光导纤维传输点光源示意图光纤结构示意图光纤结构示意图光纤芯线结构光纤芯线结构第30页，本讲稿
30、共45页光纤传输信息具有许多优点：光纤传输信息具有许多优点：载频为载频为31014Hz，约为电视通信所用超高频的，约为电视通信所用超高频的100000倍，从倍，从而使而使信息载带容量或带宽激增信息载带容量或带宽激增；传输损耗很小传输损耗很小，每单位传输距离只需要极少的放大器或，每单位传输距离只需要极少的放大器或中继站。与金属导线比起来，高频率下光纤损耗低得多，中继站。与金属导线比起来，高频率下光纤损耗低得多，它可以传输几十公里乃至上百公里不必增加中继器，而金它可以传输几十公里乃至上百公里不必增加中继器，而金属同轴电缆没有中继器只能传输几公里。在理论上，光纤属同轴电缆没有中继器只能传输几公里。在
31、理论上，光纤可以传送可以传送107路电视或路电视或1010路电话，可以把一个特大图书馆储藏路电话，可以把一个特大图书馆储藏的全部图书信息在短时间内全部传送完毕，其容量比金属同轴电的全部图书信息在短时间内全部传送完毕，其容量比金属同轴电缆大缆大5个数量级。个数量级。第31页，本讲稿共45页光纤是绝缘体光纤是绝缘体，不受邻近其它系统和其它物体产生杂散电场，不受邻近其它系统和其它物体产生杂散电场的影响。因此的影响。因此不受干扰不受干扰，基本上能防范电子间谍。，基本上能防范电子间谍。尺寸小、重量轻尺寸小、重量轻，有利于铺设和运输。光纤的芯径仅为单，有利于铺设和运输。光纤的芯径仅为单管同轴电缆的百分之一
32、。管同轴电缆的百分之一。8芯光缆直径约芯光缆直径约10mm，而标准同，而标准同轴电缆为轴电缆为47mm。这样可以解决地下管网由于通信电缆太多而。这样可以解决地下管网由于通信电缆太多而造成的拥挤问题。造成的拥挤问题。光纤材料主要是光纤材料主要是石英石英(SiO2)，它在地球上，它在地球上非常丰富。非常丰富。第32页，本讲稿共45页纤芯的作用是纤芯的作用是传导光波传导光波，包层的作用是将光波封闭在光纤中包层的作用是将光波封闭在光纤中传播传播。为了达到这一目的，需保证纤芯材料的折射率。为了达到这一目的，需保证纤芯材料的折射率n1大于包层材大于包层材料的折射率料的折射率n2。目前通信应用的。目前通信应
33、用的光纤主要是石英玻璃光纤光纤主要是石英玻璃光纤。其纤。其纤芯由掺有折射率比石英高的杂质的石英材料作成，而包层则往芯由掺有折射率比石英高的杂质的石英材料作成，而包层则往往在石英中掺入比石英折射率低的杂质。往在石英中掺入比石英折射率低的杂质。刚拉制出来的光纤就像普通玻璃丝一样是很脆弱的。为了刚拉制出来的光纤就像普通玻璃丝一样是很脆弱的。为了保护光纤，提高其机械强度，作为产品提供的光纤都在刚拉制保护光纤，提高其机械强度，作为产品提供的光纤都在刚拉制后经过一道后经过一道套塑工序套塑工序，在其外表涂覆上一层甚至几层塑料层。，在其外表涂覆上一层甚至几层塑料层。通常光纤的套塑方式有松套和紧套两种。涂覆可以
34、提高光纤的通常光纤的套塑方式有松套和紧套两种。涂覆可以提高光纤的抗拉强度，同时改善其抗水性能。抗拉强度，同时改善其抗水性能。第33页，本讲稿共45页石英光纤石英光纤目前光通信所应用的唯一商品化材料。石英光纤主要由目前光通信所应用的唯一商品化材料。石英光纤主要由SiO2构成，构成，一般采用一般采用SiCl4或硅烷等挥发性化合物进行氧化或或硅烷等挥发性化合物进行氧化或水解水解，通过气相沉积获得低损耗石英光纤预制件，再进行，通过气相沉积获得低损耗石英光纤预制件，再进行拉丝。根据传播模式对折射指数断面分布的要求，可在拉丝。根据传播模式对折射指数断面分布的要求，可在制备预制件的过程中，加入挥发性氯化物作
35、添加剂。用制备预制件的过程中，加入挥发性氯化物作添加剂。用锗可提高折射指数，用硼可降低折射指数。新的动向是锗可提高折射指数，用硼可降低折射指数。新的动向是采用氟，例如加入采用氟，例如加入CF4或或CCl2F2降低包层的折射指数。加降低包层的折射指数。加入磷入磷(加加POCl3)用来降低石英光纤的熔点。用来降低石英光纤的熔点。第34页，本讲稿共45页多组分玻璃光纤多组分玻璃光纤SiO2约占百分之几十，此外还含有约占百分之几十，此外还含有B2O3、GeO2、P2O3和和As2O3等玻璃形成体及等玻璃形成体及Na2O、K2O、CaO、MgO、BaO和和PbO等改性剂，熔等改性剂，熔点低点低(1400
36、)，可用传统的坩埚法拉丝，适于，可用传统的坩埚法拉丝，适于制做大芯径、大数值孔径光纤。制做大芯径、大数值孔径光纤。第35页，本讲稿共45页全塑料光纤和塑料包层光纤全塑料光纤和塑料包层光纤 全塑料光纤主要由特制的高透明度有机玻璃、聚苯乙烯等塑全塑料光纤主要由特制的高透明度有机玻璃、聚苯乙烯等塑料制成，已制成阶跃型和梯度型多模光纤，目前光纤损耗已降至料制成，已制成阶跃型和梯度型多模光纤，目前光纤损耗已降至数十数十dB/km。其特点是柔韧、加工方便、芯径和数值孔径大。其特点是柔韧、加工方便、芯径和数值孔径大。塑料包层光纤是以石英作纤芯、塑料作包层的阶跃型多模塑料包层光纤是以石英作纤芯、塑料作包层的阶
37、跃型多模光纤。其芯径和数值孔径都较大，适于短距离小容量通信系统光纤。其芯径和数值孔径都较大，适于短距离小容量通信系统应用。应用。第36页，本讲稿共45页 红外光纤红外光纤 石英光纤在石英光纤在1.3至至1.5m的区域内具有最低的损耗和色的区域内具有最低的损耗和色散，损耗已降低到散，损耗已降低到0.15dB/km(1.55 m)，接近于，接近于0.1dB/km的理论极限。但其传输距离由于瑞利散射不会超过的理论极限。但其传输距离由于瑞利散射不会超过200km。利用利用散射损耗与波长四次幂成反比散射损耗与波长四次幂成反比的关系，制造出适用的关系，制造出适用于长波长的光纤，使损耗进一步降低，就能延长传
38、输距于长波长的光纤，使损耗进一步降低，就能延长传输距离。离。5000km传输距离如用传输距离如用0.83 m的光纤传输系统，需的光纤传输系统，需333个中继站，而用个中继站，而用1.5 m的系统有的系统有33个中继站就够了。各个中继站就够了。各发达国家已着眼于发达国家已着眼于230 m的新的传输波段，对的新的传输波段，对卤化物、硫卤化物、硫属化物和重金属氧化物等红外光纤属化物和重金属氧化物等红外光纤做了大量开创性工作做了大量开创性工作。第37页，本讲稿共45页 A 卤化物光纤卤化物光纤 其制造难度比氧化物光纤大，且需保护涂层，但传输损耗理论值比石其制造难度比氧化物光纤大，且需保护涂层，但传输损
39、耗理论值比石英光纤小英光纤小l至至2个数量级，有可能实现几千公里无中继通信。个数量级，有可能实现几千公里无中继通信。卤化铊卤化铊 卤化铊有较好的延展性，已挤压出直径卤化铊有较好的延展性，已挤压出直径751000 m、长、长200m的多晶纤维。溴化铊或碘化铊多晶光纤在的多晶纤维。溴化铊或碘化铊多晶光纤在4.05.5 m时损耗最低，可达时损耗最低，可达0.0ldB/km。多晶多晶KRS5(TlBr I)和和KRS 6(TlCl I)作为非通信光纤在外科手术、激光材料加工、作为非通信光纤在外科手术、激光材料加工、军事应用等短距离应用中，日益受到重视。军事应用等短距离应用中，日益受到重视。KRS 5在
40、在10.6 m的最低损耗为的最低损耗为350dB/km，KRS 6为为ldB/km。采用。采用KRS 6作包层，作包层，KRS 5作芯线，已获得损作芯线，已获得损耗耗0.2dB/m，NA为为0.96(在在10.6 m)的光纤。的光纤。氟化铍氟化铍 在红外区的本征损失为石英的在红外区的本征损失为石英的l/6，可拉制透射，可拉制透射2 m波段的光纤。波段的光纤。该种光纤有可能将光信号无中继传输数百甚至上千公里。该种光纤有可能将光信号无中继传输数百甚至上千公里。第38页，本讲稿共45页氟化锆氟化锆 理论损耗达理论损耗达0.001dB/km(2.55m)(比最好的石比最好的石英光纤低两个数量级英光纤低
41、两个数量级)，透过率可达氧化物玻璃的，透过率可达氧化物玻璃的100倍，且倍，且受高能辐照不易黑化。氟化锆基玻璃的主成分为氟化锆受高能辐照不易黑化。氟化锆基玻璃的主成分为氟化锆(6070mol)，并以氟化钡，并以氟化钡(2030mol)为改性剂为改性剂(降低熔点降低熔点)，以少量其它氟化物作稳定剂以少量其它氟化物作稳定剂(如如AlF3、LaF3、PbF2作结作结晶化抑制剂晶化抑制剂)和指数改性剂和指数改性剂(如如PbF2)，借以获得合适的纤芯和，借以获得合适的纤芯和包层组分。这种玻璃光纤的透射波长范围从包层组分。这种玻璃光纤的透射波长范围从78 m的红外的红外区一直延伸到区一直延伸到0.20.3
42、 m的近紫外区。的近紫外区。拉出的拉出的ZrBaLaAlLiPb(纤芯纤芯)ZrBaLaAlLi (包层包层)氟化物光纤，在氟化物光纤，在2.55 m下的最低损耗为下的最低损耗为6.8dB/km，纤维的，纤维的“实用实用”强度高达强度高达3800MPa。估计氟化。估计氟化物玻璃光纤接近物玻璃光纤接近0.001dB/km的最低理论损耗，从而实现横的最低理论损耗，从而实现横跨大洋的通信。跨大洋的通信。第39页，本讲稿共45页B 硫属玻璃光纤硫属玻璃光纤砷、锗、锑与硫属元素硫、硒构成的玻璃叫硫属玻璃，光学砷、锗、锑与硫属元素硫、硒构成的玻璃叫硫属玻璃，光学损耗高，主要用于短距离传能。目前己拉出在损耗
43、高，主要用于短距离传能。目前己拉出在CO和和CO2激光波长激光波长下损耗为数百下损耗为数百dB的纤维。在一根光纤上能传输数瓦的能量，这的纤维。在一根光纤上能传输数瓦的能量，这对拓宽对拓宽CO2和和CO大功率激光器的应用领域有重要意义。大功率激光器的应用领域有重要意义。C 重金属氧化物光纤重金属氧化物光纤 对此类纤维的研究，主要局限于对此类纤维的研究，主要局限于GeO2系统。抽成丝后最小系统。抽成丝后最小损耗约为损耗约为4dB/km(2m)。可用作红外光纤、非线性光学光纤，。可用作红外光纤、非线性光学光纤，尤其是可用来实现光信号放大，有可能用于超长距离光学传输系尤其是可用来实现光信号放大，有可能
44、用于超长距离光学传输系统。在传能方面，统。在传能方面，80 GeO210ZnO10K2O空心纤维是供空心纤维是供CO2激光器传能用的一种较好的包层材料。激光器传能用的一种较好的包层材料。第40页，本讲稿共45页光纤制造工艺光纤制造工艺 以石英光纤为例，实用的制造方法有以石英光纤为例，实用的制造方法有内气相氧化法内气相氧化法(IVPO)、外、外气相氧化法气相氧化法(OVPO)、改进的化学气相沉积法、改进的化学气相沉积法(MCVD)、气相轴向沉积、气相轴向沉积法法(VAD)及及等离子化学气相沉积法等离子化学气相沉积法(PCVD)等。欧美及我国主要采用等。欧美及我国主要采用改改进的化学气相沉积法进的
45、化学气相沉积法MCVD法，该法法，该法提高了反应物浓度使沉积速率提高了反应物浓度使沉积速率，比化学气相沉积比化学气相沉积(CVD)法法快快100倍倍以上，并且可在数小时内将预制以上，并且可在数小时内将预制件拉成几公里长的多模纤维，由于简单实用，已成为常规的光件拉成几公里长的多模纤维，由于简单实用，已成为常规的光纤生产方法。日本则开发纤生产方法。日本则开发气相轴向沉积法气相轴向沉积法VAD工艺，除回收率高工艺，除回收率高外，还可制成大型预制件外，还可制成大型预制件(达达2500g，可拉制，可拉制50m芯径的光纤芯径的光纤580km)，可采用低纯原料。，可采用低纯原料。第41页，本讲稿共45页许多
46、厂家均以许多厂家均以SiCl4为原料为原料生产石英光纤，原因生产石英光纤，原因是是Fe、Ni、Cu等氯化物易于用精馏法除去。某等氯化物易于用精馏法除去。某些多晶硅生产厂家在用些多晶硅生产厂家在用SiHCl3氢还原生产多晶氢还原生产多晶硅的过程中产生大约硅的过程中产生大约30的副产物的副产物SiCl4，用这，用这种副产物生产光纤显著降低了成本。种副产物生产光纤显著降低了成本。为了获得纤芯与包层折射指数呈阶跃变化为了获得纤芯与包层折射指数呈阶跃变化(SI型型)或梯度变化或梯度变化(GI型型)的光纤，生产芯料时皆在高纯的光纤，生产芯料时皆在高纯SiCl4(99.9999)中加入百分之几的中加入百分之
47、几的GeCl4，也，也有掺有掺锗烷锗烷的。的。第42页，本讲稿共45页表：表：MCVD和和VAD工艺水平比较工艺水平比较方法方法最高沉积速率最高沉积速率（g/min）沉积效率沉积效率（%）拉丝长度拉丝长度（km）MCVDVAD2.3950%(SiO2)15%(GeO2)70%40300第43页，本讲稿共45页光纤发展趋势光纤发展趋势光纤是在当今铜资源不足及高技术的迫切要求下，获得空光纤是在当今铜资源不足及高技术的迫切要求下，获得空前发展的。以前发展的。以SiCl4为主要原料的为主要原料的石英光纤石英光纤，经历了，经历了0.85m多模多模(最低损耗最低损耗23dB/km，无中继距离一般，无中继距
48、离一般8km)、1.3 m多模多模(最低损耗最低损耗0.41dB/km)、1.3 m单模单模(最低损耗最低损耗0.35dB/km，无中继距离，无中继距离3050km)，1.5 m单模单模(最低损耗最低损耗0.140.16dB/km，无中继距离可达，无中继距离可达100km)几个阶段。几个阶段。损损耗越来越小，无中继距离越来越长。耗越来越小，无中继距离越来越长。1.3 m单模和多模光单模和多模光纤已发展成熟。纤已发展成熟。光纤技术正向更长波长发展。因此光纤技术正向更长波长发展。因此研制长波长光纤材研制长波长光纤材料料，特别是氟化锆基等非石英光纤，对实现洲际海底光，特别是氟化锆基等非石英光纤，对实现洲际海底光缆的无中继通信具有重大战略意义。此外，光纤传感器缆的无中继通信具有重大战略意义。此外，光纤传感器在温度、压力、速度、液面、流量、位移、振动、电磁在温度、压力、速度、液面、流量、位移、振动、电磁参数及核辐射等的测量中有广阔的应用前景。参数及核辐射等的测量中有广阔的应用前景。第44页，本讲稿共45页谢谢！谢谢！第45页，本讲稿共45页