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1、2023/1/61第第9章章 光学材料光学材料2023/1/62 光学材料主要是光介质材料，是传输光线的材光学材料主要是光介质材料，是传输光线的材料，这些材料以折射、反射和透射的方式，改变料，这些材料以折射、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光线的方向、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求传输，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。而改变光线的光谱成分。2023/1/639.1 激光材料激光材料2023/1/6419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
2、爱因斯坦提出了光量子和光电效应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的概念，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年普朗克引入了能量量子的概念年普朗克引入了能量量子的概念 基础性、探基础性、探索性研究索性研究9.1 激光材料激光材料2023/1/65激光走向新技术的开发和工程应用阶段激光走向新技术的开发和工程应用阶段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
3、论设计 1960年美国的梅曼研制成功第一台红宝石激光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。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年在长春光机所年在长春光机所创制成功创制成功 2023/1/66一、激光原理一、激光原理原理：利用受激辐射放大电磁波，可在紫外线、可见光、红原理：利用受激辐射放大电磁波，可在紫外线、可见光、红外谱区极窄的频段内产生高强度相干辐射。外谱区极窄的频段内产生高强度相干辐射。激光激光(LASER)是经受激辐射引起光频放大的英文是经受激辐射引起光频放大的英文Light Amplification by Stim
4、ulated Emission of Radiation的缩写。的缩写。2023/1/67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2023/1/68 光的产生总是和原子中电子的跃迁有关。假如电子处光的产生总是和原子中电子的跃迁有关。假如电子处于高能态于高能态E2，然后跃迁到低能态，然后跃迁到低能态El，则它以辐射形式发，则它以辐射形式发射能量，其辐射频率为射能量，其辐射频率为2023/1/69 能量发射可
5、以有两种途径能量发射可以有两种途径:一是原子无规则地转变到低能一是原子无规则地转变到低能态、称为态、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；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作用，使原子转变到低能态，同时产光子与处于高能态的原子作用，使原子转变到低能态，同时产生第二个光子，这一过程称为生第二个光子，这一过程称为受激发射受激发射，受激发射产生的光就受激发射产生的光就是激光。是激光。2023/1/610 当光入射到由大量粒子所组成的系统时，光的吸收、自当光入射到由大量粒子所组成的系统时，光的吸收、自发辐射和受激辐射三个基本过程是同时存在的。发辐射和受激辐
6、射三个基本过程是同时存在的。在热平衡状态、粒子在各能级上的分布服从玻耳兹曼分在热平衡状态、粒子在各能级上的分布服从玻耳兹曼分布律：布律：NiNee-/kT，其中，其中，Ni为处在能级为处在能级Ei的粒子数；的粒子数；Ne为总粒子数，为总粒子数，k为玻为玻耳兹曼常数，耳兹曼常数，T为体系的绝对温度。为体系的绝对温度。2023/1/611粒子数反转粒子数反转粒子数反转粒子数反转（population inversion）是激光产生的前提。一个电是激光产生的前提。一个电子可以在不同的能级之间跃迁。在通常情况下，因为热力学的子可以在不同的能级之间跃迁。在通常情况下，因为热力学的平衡态服从波尔兹曼分布律
7、，使得处于基态（最低能级）的电平衡态服从波尔兹曼分布律，使得处于基态（最低能级）的电子数远远多于处于激发态（较高能级）的电子数，这种情况得子数远远多于处于激发态（较高能级）的电子数，这种情况得不到激光。不到激光。为了形成足够的激发辐射，得到激光，就必须用一定的方为了形成足够的激发辐射，得到激光，就必须用一定的方法去激发电子群体，使亚稳态上的电子数目超过基态上的。该法去激发电子群体，使亚稳态上的电子数目超过基态上的。该过程称为粒子数的反转。例如，氦氖激光器中，通过氦原子的过程称为粒子数的反转。例如，氦氖激光器中，通过氦原子的协助，使氖电子中的两个能级实现粒子数反转而获得激光。协助，使氖电子中的两
8、个能级实现粒子数反转而获得激光。2023/1/612实现粒子数反转的条件：实现粒子数反转的条件：通常实现粒子数反转要依靠两个以上的能级：通常实现粒子数反转要依靠两个以上的能级：低能级的粒子通过比高能级还要高一些的泵浦能级低能级的粒子通过比高能级还要高一些的泵浦能级抽运到高能级。抽运到高能级。三能级系统三能级系统四能级系统四能级系统2023/1/613 粒子在强大的外来能源激励下，从基态粒子在强大的外来能源激励下，从基态E1大量地被抽运到大量地被抽运到高能级高能级E3上，使上，使E1上的粒子数不断减少，上的粒子数不断减少，E3的寿命很短，粒的寿命很短，粒子很快以子很快以无辐射跃迁的方式无辐射跃迁
9、的方式转移到亚稳态转移到亚稳态E2，E2的寿命较长，的寿命较长，从而积累大量的粒子，直至，实现了粒子数反转。从而积累大量的粒子，直至，实现了粒子数反转。由于基态上原来具有的粒子由于基态上原来具有的粒子数很多，故实现数很多，故实现N2N1比较困难，比较困难，要求抽运泵功率很强，且效率低，要求抽运泵功率很强，且效率低，这是三能级系统的主要缺点。这是三能级系统的主要缺点。三能级系统三能级系统2023/1/614 在外界激励的条件下，基态在外界激励的条件下，基态E1的的粒子大量地跃迁到粒子大量地跃迁到E4，E4寿命短，寿命短，又迅速地转移到又迅速地转移到E3，E3能级为亚稳能级为亚稳态，寿命较长，态，
10、寿命较长，E2常温为空能级，常温为空能级，故很容易在故很容易在E3和和E2之间形成粒子数之间形成粒子数反转，而反转，而E2能级寿命很短，到了能级寿命很短，到了E2能级上的粒子很快便回到基态能级上的粒子很快便回到基态E1，因而粒子数反转在四能级系统比在因而粒子数反转在四能级系统比在三能级系统容易实现。三能级系统容易实现。四能级系统四能级系统2023/1/615 一般可以用一般可以用气体放电气体放电的办法来利用具有动能的电子去激的办法来利用具有动能的电子去激发激光材料，称为电激励；发激光材料，称为电激励；也可用也可用脉冲光源脉冲光源来照射光学谐振腔内的介质原子，称为来照射光学谐振腔内的介质原子，称
11、为光激励；光激励；还有还有热激励热激励、化学激励化学激励等。等。各种激发方式被形象化地称为各种激发方式被形象化地称为泵浦泵浦或或抽运抽运。为了使激光。为了使激光持续输出，必须不断地持续输出，必须不断地“泵浦泵浦”以补充高能级的粒子向下跃以补充高能级的粒子向下跃迁的消耗量。迁的消耗量。激励方式激励方式2023/1/616二、激光器组成二、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2023/1/617工作物质：工作物质：借外来能源激励，实现借外来能源激励，实现粒子数反转粒子数反转并产生受激辐并产生受激辐射放大作用的物质系统，包括固体射放大作用的物
12、质系统，包括固体(晶体、玻璃晶体、玻璃)、气体、气体(原原子气体、离子气体、分子气体子气体、离子气体、分子气体)、液体和半导体等。、液体和半导体等。基质晶体基质晶体激活离子激活离子工作物质工作物质2023/1/618基质晶体基本上有三类：基质晶体基本上有三类：(1)氟化物晶体氟化物晶体 这类晶体熔点较低，易于生长单晶，是早期研这类晶体熔点较低，易于生长单晶，是早期研究的激光晶体材料，如究的激光晶体材料，如CaF2，BaF2，SrF2，LaF3，MgF2等。等。但是，它们大多要在低温下才能工作，所以现在应用较少。但是，它们大多要在低温下才能工作，所以现在应用较少。2023/1/619(2)含氧金
13、属酸化物晶体含氧金属酸化物晶体 这类材料是较早研究的激光晶这类材料是较早研究的激光晶体材料之一。均以三价稀土离子为激活离子，是一种四体材料之一。均以三价稀土离子为激活离子，是一种四能级机构的工作物质，如能级机构的工作物质，如CaWO4，CaMnO4，LiNbO4，Ca(PO4)3F等。等。2023/1/620(3)金属氧化物晶体金属氧化物晶体 这类晶体如这类晶体如A12O3，Y3A15O12，Er2O3；Y2O3等，掺入三价过渡族金属离子或三价稀土离子构成等，掺入三价过渡族金属离子或三价稀土离子构成激光晶体。应用较广，研制最多。但它们的熔点均高，制激光晶体。应用较广，研制最多。但它们的熔点均高
14、，制取优质单晶都较困难。取优质单晶都较困难。2023/1/621激活离子激活离子 晶体激光工作物质要在基质晶体中掺入适量的激活离子。晶体激光工作物质要在基质晶体中掺入适量的激活离子。激活离子的作用在于在固体中提供亚稳态能级，由光泵作用激活离子的作用在于在固体中提供亚稳态能级，由光泵作用激发振荡出一定波长的激光。激发振荡出一定波长的激光。要求：希望是四能级的、即被光泵激发到高能级上的粒子，要求：希望是四能级的、即被光泵激发到高能级上的粒子，由感应激发跃迁到低能级发生激光振荡时，不直接降到基态，由感应激发跃迁到低能级发生激光振荡时，不直接降到基态，而是降到中间的能级，这比直接降到基态的三能级工作的
15、激而是降到中间的能级，这比直接降到基态的三能级工作的激活离子效率高，振荡的阈值也低。活离子效率高，振荡的阈值也低。2023/1/622(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的大小：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，离子半径之差大于相当。在离子晶体中，离子半径之差大于15就不能直就不能直接掺入接掺入1以上的激活离子。但用稀土激活的晶体激活离以上的激活离子。但用稀土激活的晶体激活离子的掺入量可大于子的掺入量可大于1。(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：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
16、，否则掺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。例如杂剂的溶解度将受到限制。例如CaWO4中如只掺入稀土中如只掺入稀土取代取代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，稀土溶解度才增加。解度才增加。对工作物质的要求对工作物质的要求2023/1/623(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：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，这对于确定运转方式如然爆发的泵浦能的抗热冲击能力，这对于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。对于这连续运转或高功率、高重复率脉
17、冲运转颇为关键。对于这些运转方式，利用些运转方式，利用热膨胀系数低、强度高、热导率高的晶热膨胀系数低、强度高、热导率高的晶体更合适体更合适。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。此使用高熔点化合物更有利。2023/1/624（4）光学性质）光学性质：理想晶体应对泵浦波长有较强吸收，：理想晶体应对泵浦波长有较强吸收，对激射波长吸收很弱。对激射波长吸收很弱。（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110 ppm。2023/1/62
18、5共振腔：共振腔：光波在其中来回反射从而提供光能反馈的空腔光波在其中来回反射从而提供光能反馈的空腔。理论上讲，只要使工作物质实现粒子数反转，就可产生理论上讲，只要使工作物质实现粒子数反转，就可产生受激辐射并引起光放大。实际上，仅靠一次通过有限长物质受激辐射并引起光放大。实际上，仅靠一次通过有限长物质的放大是很有限的，且光在物质中还要被吸收，同时受激辐的放大是很有限的，且光在物质中还要被吸收，同时受激辐射方向各异。为获得方向性、单色性好的相干光，必须使用射方向各异。为获得方向性、单色性好的相干光，必须使用光学谐振腔。光学谐振腔。2023/1/626 共振腔通常由两块与工作介质轴线垂直的平面或凹球
19、面反射共振腔通常由两块与工作介质轴线垂直的平面或凹球面反射镜构成。工作介质实现了粒子数反转后就能产生光放大。谐振镜构成。工作介质实现了粒子数反转后就能产生光放大。谐振腔的作用是选择频率一定、方向一致的光作最优先的放大，而腔的作用是选择频率一定、方向一致的光作最优先的放大，而把其他频率和方向的光加以抑制。把其他频率和方向的光加以抑制。2023/1/627 凡不沿谐振腔轴线运动的光子均很快逸出腔外，与工作介凡不沿谐振腔轴线运动的光子均很快逸出腔外，与工作介质不再接触。沿轴线运动的光子将在腔内继续前进，并经两质不再接触。沿轴线运动的光子将在腔内继续前进，并经两反射镜的反射不断往返运行产生振荡，运行时
20、不断与受激粒反射镜的反射不断往返运行产生振荡，运行时不断与受激粒子相遇而产生受激辐射，沿轴线运行的光子将不断增殖，在子相遇而产生受激辐射，沿轴线运行的光子将不断增殖，在腔内形成传播方向一致、频率和相位相同的强光束，这就是腔内形成传播方向一致、频率和相位相同的强光束，这就是激光。激光。2023/1/628为把激光引出腔外，可把一面反射镜做成部分透射的，透射为把激光引出腔外，可把一面反射镜做成部分透射的，透射部分成为可利用的激光，反射部分留在腔内继续增殖光子。部分成为可利用的激光，反射部分留在腔内继续增殖光子。2023/1/629固体激光器固体激光器半半导体激光器体激光器化学激光器（化学激光器（H
21、F/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、氦燃料激光、氦氖激光激光）三、激光的种类三、激光的种类2023/1/630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2023/1/631 举例举例：红宝石激光晶体红宝石激光晶体(A12O3：Cr 3)红宝石是世界上第一台固体激光器的工作物质，它是由刚玉红宝石是世界上第一台固体激光器的工作物质，它是由刚玉单晶单晶(A12O3)为基质，掺入为基质，掺入Cr 3 激活离子所组成的。激活离子所组成的。从激光器对工作物质的物化性能和光谱性能要求来看
22、，红从激光器对工作物质的物化性能和光谱性能要求来看，红宝石激光器堪称一种较为理想的材料。宝石激光器堪称一种较为理想的材料。2023/1/632优点：晶体的物化性能很好，材料坚硬、稳定、导热性好、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，可在室温条件下抗破坏能力高，对泵浦光的吸收特性好，可在室温条件下获得获得0.6943um的可见激光振荡。的可见激光振荡。缺点：属于三能级结构，产生激光的阈值较高。缺点：属于三能级结构，产生激光的阈值较高。2023/1/633 红宝石的激光发射波长为可见光红宝石的激光发射波长为可见光-红光的波长，这一波长红光的波长，这
23、一波长的光，不但为人眼可见，而且对于绝大多数的各种光敏材料的光，不但为人眼可见，而且对于绝大多数的各种光敏材料和光电探测元件来说，都是易于进行探测和定量测量的。和光电探测元件来说，都是易于进行探测和定量测量的。因此红宝石激光器在激光器基础研究、强光因此红宝石激光器在激光器基础研究、强光(非线性非线性)光学光学研究、激光光谱学研究、激光照相和全息技术、激光雷达与研究、激光光谱学研究、激光照相和全息技术、激光雷达与测距技术等方面部有广泛的应用。测距技术等方面部有广泛的应用。2023/1/634钕钇铝石榴石激光晶体钕钇铝石榴石激光晶体(YAG：Nd 3)激光工作物质是激光工作物质是Y3Al5O12作
24、为基质，作为基质，Nd 3 作为激光离子。作为激光离子。钕钇铝石榴石钕钇铝石榴石(YAG)属立方晶系，属立方晶系，YAG：Nd 3 激光跃迁能激光跃迁能级属于四能级系统，具有良好的力学、热学和光学性能。级属于四能级系统，具有良好的力学、热学和光学性能。与红宝石相比，与红宝石相比，YAG：Nd 3 晶体的荧光寿命较短，荧光晶体的荧光寿命较短，荧光谱线较窄，工作粒子在激光跃迁高能级上不易得到大量积累，谱线较窄，工作粒子在激光跃迁高能级上不易得到大量积累，激光储能较低，以脉冲方式运转时，输出激光脉冲的能量和激光储能较低，以脉冲方式运转时，输出激光脉冲的能量和峰值功率都受到限制，鉴于上述原因，峰值功率
25、都受到限制，鉴于上述原因，YAG：Nd 3器件一器件一般不用来作单次脉冲运转。般不用来作单次脉冲运转。2023/1/635 但由于其阈值比红宝石低，增益系数比红宝石大，适合但由于其阈值比红宝石低，增益系数比红宝石大，适合于作重复脉冲输出运转。重复率可高达每秒几百次，每次于作重复脉冲输出运转。重复率可高达每秒几百次，每次输出功率到百兆瓦以上。输出功率到百兆瓦以上。军用激光测距仪和制导用激光照明器都采用钕钇铝石榴军用激光测距仪和制导用激光照明器都采用钕钇铝石榴石激光器。石激光器。这种激光器也是这种激光器也是唯一能在常温下连续工作唯一能在常温下连续工作，且有较大功，且有较大功率的固体激光器。率的固体
26、激光器。2023/1/636半导体激光材料半导体激光材料 半导体激光器是固体激光器中重要的一类。这类激光器的特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、便宜。点是体积小、效率高、运行简单、便宜。半导体激光器的基本结半导体激光器的基本结构极为简单，是半导体构极为简单，是半导体器件器件p-n结二极管，在结二极管，在电流正向流动时会引起电流正向流动时会引起激光振荡。激光振荡。2023/1/637在普通电路用的二极管中，即使有电流流动也不会产生激光在普通电路用的二极管中，即使有电流流动也不会产生激光振荡。振荡。引起激光振荡的条件引起激光振荡的条件：1.利用电流注
27、入的少数载流子复合时放出的能量必须以高效率利用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。因此，在进行复合的区域变换为光。因此，在进行复合的区域(在在p-n结附近，称此区域结附近，称此区域为活性区为活性区)，一般必须是具有直接迁移型能带结构的材料。，一般必须是具有直接迁移型能带结构的材料。2023/1/6382.2.在引起反转分布时要注入足够浓度的载流子。某阈值以下在引起反转分布时要注入足够浓度的载流子。某阈值以下的电流，在普通的发光二极管中会引起注入发光，但不会发的电流，在普通的发光二极管中会引起注入发光，但不会发生激光。生激光。3.3.有谐振器有谐振器(空腔空腔)。激光器的谐
28、振器一般是由二片反射镜组。激光器的谐振器一般是由二片反射镜组成的法布里珀罗结构构成。半导体激光器由于增益极高，成的法布里珀罗结构构成。半导体激光器由于增益极高，不一定要求具有高反射率的反射镜，可利用垂直于结面且平不一定要求具有高反射率的反射镜，可利用垂直于结面且平行的二极管两个侧面作为反射镜。行的二极管两个侧面作为反射镜。2023/1/639 目前大部分半导体激光器具有双异质结构，该结构可减目前大部分半导体激光器具有双异质结构，该结构可减小阈值电流密度，可在室温下连续工作。小阈值电流密度，可在室温下连续工作。双异质结激光器的双异质结激光器的p-np-n结是用带隙和折射率不同的两种材结是用带隙和
29、折射率不同的两种材料在适当的基片上外延生长形成的。料在适当的基片上外延生长形成的。不同种类的材料所形成的结不同种类的材料所形成的结(异质结异质结)，由于晶格常数不，由于晶格常数不同而易于产生晶格缺陷。结面的晶格缺陷作为注入载流子的同而易于产生晶格缺陷。结面的晶格缺陷作为注入载流子的非发光中心而使发光效率下降，器件寿命缩短。因此，作为非发光中心而使发光效率下降，器件寿命缩短。因此，作为双异质结激光器材料，要求采用晶格常数大致相同的两种材双异质结激光器材料，要求采用晶格常数大致相同的两种材料来组合。料来组合。2023/1/640q 激光器的激光器的输出水平不断提高：出水平不断提高：中、小功率器件中
30、、小功率器件 高功率、高能量激光器；高功率、高能量激光器；脉冲体制从脉冲体制从连续波、准波、准连续波到各种短脉冲、超短脉冲波到各种短脉冲、超短脉冲的激光。的激光。u连续的高能激光的高能激光单次次输出能量已达百万焦耳以上；出能量已达百万焦耳以上；u超短脉冲：超短脉冲：纳秒秒 皮秒皮秒 费秒秒 阿秒阿秒 脉冲功率密度脉冲功率密度则可高达可高达1020瓦瓦/cm2以上。以上。四、激光发展新特点四、激光发展新特点2023/1/641q输出激光的出激光的频率覆盖着越来越广的范率覆盖着越来越广的范围：长至至亚毫米（太赫毫米（太赫兹）短至短至x射射线激光也在探索中，分立的激光激光也在探索中，分立的激光谱线达
31、几千条；达几千条；2023/1/642五、五、激光的应用激光的应用在工在工业制造中可制造中可进行精确的切削、行精确的切削、钻孔和表面改性；孔和表面改性；做精密的医做精密的医疗手手术；作用于微型靶作用于微型靶实现激光核聚激光核聚变。（1 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：2023/1/643布满全球的光纤网，加上卫星通信网，形成了信息高速公路布满全球的光纤网，加上卫星通信网，形成了信息高速公路的基础；的基础；光存储、激光全息、激光照排、打印及条码扫描技术等，提光存储、激光全息、激光照排、打印及条码扫描技术等，提供了全新的多样化的信息服务。供了全新
32、的多样化的信息服务。（2 2）激光光谱技术比传统的分辨率提高了百万倍，灵敏度提）激光光谱技术比传统的分辨率提高了百万倍，灵敏度提 高了百亿倍；激光为信息技术开拓了丰富的频率资源；高了百亿倍；激光为信息技术开拓了丰富的频率资源；2023/1/644u激光瞄准、制导、测距激光瞄准、制导、测距u激光雷达激光雷达u激光引信激光引信u激光致盲传感器激光致盲传感器u高能强激光武器等高能强激光武器等 （3 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：2023/1/645（4）激光光盘）激光光盘l存储密度大存储密度大 l保存时间长保存时间长 l信息处理方便信息处理方便2023/1/6464
33、6光盘的工作原理2023/1/647CD光盘剖面图光盘剖面图光盘结构光盘结构2023/1/6489.2 光纤材科光纤材科 60年代发现了激光，这是人们期待已久的年代发现了激光，这是人们期待已久的信号载体。信号载体。但是要实现光通讯，还必须有光元件、组但是要实现光通讯，还必须有光元件、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。2023/1/649 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Hockham以及法国的以及法国的Werts根据介质波导理论提出光纤传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输线的概念
34、。尽管他们所试验的光纤损耗高达1000dBkm，但他们指出如采用石英玻璃等作介质，可使其损耗降低，但他们指出如采用石英玻璃等作介质，可使其损耗降低到到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损耗指光信号功率传输每单位长度衰减的程度，用分贝程度，用分贝/公里公里(dB/km)表示表示）2023/1/650 光纤是用高透明电介质材料制成的非常细光纤是用高透明电介质材料制成的非常细(外径约为外径约为125200m mm)的低损耗导光纤维。的低损耗导光纤维。它不仅具有束缚和传输从红外到可见光区域内的光的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，而且也具有传
35、感功能。功能，而且也具有传感功能。2023/1/651 光纤本身由光纤本身由纤芯纤芯和和包层包层构成。构成。纤芯是由高透明固体材料纤芯是由高透明固体材料(如高二氧化硅玻璃，多组分玻璃、如高二氧化硅玻璃，多组分玻璃、塑料等塑料等)制成；制成；一、光纤的结构一、光纤的结构2023/1/652 纤芯的外面是包层，用折射率较低纤芯的外面是包层，用折射率较低(相对于纤芯材料相对于纤芯材料而言而言)的有损耗的有损耗(每公里几百分贝每公里几百分贝)的石英玻璃、多组分的石英玻璃、多组分玻璃或塑料制成。玻璃或塑料制成。光纤的光纤的导光能力导光能力取决于纤芯和包层的性质。取决于纤芯和包层的性质。2023/1/65
36、32023/1/654 光纤的外面是光纤的外面是一次被覆层一次被覆层，主要目的是防止玻璃光纤的，主要目的是防止玻璃光纤的玻璃表面受损伤，并保持光纤的强度。玻璃表面受损伤，并保持光纤的强度。通常采用连续挤压法把热可塑硅树脂被覆在光纤外而制通常采用连续挤压法把热可塑硅树脂被覆在光纤外而制成。此层的厚度约为成。此层的厚度约为100100150150m mm m。2023/1/655 在一次被覆层之外是在一次被覆层之外是缓冲层缓冲层，外径为，外径为400400m mm m，目的在于防，目的在于防止光纤因一次被覆层不均匀或受侧压力作用而产生微弯，带止光纤因一次被覆层不均匀或受侧压力作用而产生微弯，带来额
37、外损耗。来额外损耗。必须用缓冲效果良好的低杨氏系数的材料作缓冲层。必须用缓冲效果良好的低杨氏系数的材料作缓冲层。2023/1/656 为了保护一次被覆层和缓冲层，在缓冲层之外加上为了保护一次被覆层和缓冲层，在缓冲层之外加上二二次被覆层次被覆层。二次被覆层材料的杨氏系数应比一次被覆层的。二次被覆层材料的杨氏系数应比一次被覆层的大，而且要求具有小的温度系数，常采用尼龙，这一层外大，而且要求具有小的温度系数，常采用尼龙，这一层外径常为径常为0.90.9m mm m。2023/1/657 如果有一束光投射到折射率分别为如果有一束光投射到折射率分别为n1和和n2的两种媒质界面的两种媒质界面上时，上时，(
38、设设n1n2)入射光将分为反射光和折射光。入射光将分为反射光和折射光。二、光在光纤中传输的基本原理二、光在光纤中传输的基本原理2023/1/658 入射角入射角1与折射角与折射角2之间服从光的折射定律之间服从光的折射定律 由上式可知，当入射角由上式可知，当入射角1 逐渐增大时，折射角逐渐增大时，折射角2 也相也相应增大。应增大。2023/1/659 当1sin-1 n2/n1时，折射角2/2，这时入射光线全部返回到原来的介质中去，这种现象叫光的全反射。此时的入射角1sin-1 n2/n1 叫做临界角。122023/1/660 在光纤中，光的传送就是利用光的全反射原理，当入射在光纤中，光的传送就
39、是利用光的全反射原理，当入射进光纤芯子的光与光纤轴线的交角小于一定值时，光线在界进光纤芯子的光与光纤轴线的交角小于一定值时，光线在界面上发生全反射。这时，光将在光纤的芯子中沿锯齿状路径面上发生全反射。这时，光将在光纤的芯子中沿锯齿状路径曲折前进，但不会穿出包层，这样就完全避免了光在传输过曲折前进，但不会穿出包层，这样就完全避免了光在传输过程中的折射损耗。程中的折射损耗。2023/1/661模式模式：光学上把具有一定频率，一定的偏振状态和传播方向：光学上把具有一定频率，一定的偏振状态和传播方向的光波叫做光波的一种模式、或称光的一种波型。的光波叫做光波的一种模式、或称光的一种波型。传输模式是光学纤
40、维最基本的传输特性之一。传输模式是光学纤维最基本的传输特性之一。单模光纤单模光纤：若一种光纤只允许传输一个模式的光波、则称它：若一种光纤只允许传输一个模式的光波、则称它为单模光纤。为单模光纤。多模光纤多模光纤：如果一种光纤允许同时传输多个模式的光波，这：如果一种光纤允许同时传输多个模式的光波，这种光纤为多模光纤。种光纤为多模光纤。2023/1/662 单模光纤的直径非常细，只有单模光纤的直径非常细，只有3-10m mm，同光波的波长相，同光波的波长相近。在这样细的光纤中，只有沿着光纤轴线方向传播的一种近。在这样细的光纤中，只有沿着光纤轴线方向传播的一种模式的光被满足全反射条件，在光纤中得到正常
41、的传输。其模式的光被满足全反射条件，在光纤中得到正常的传输。其余模式的光波由于不满足全反射条件，在光纤中传送一段距余模式的光波由于不满足全反射条件，在光纤中传送一段距离后很快就被淘汰。离后很快就被淘汰。2023/1/663 多模光纤直径为几十至上百微米，与光波长相比大很多，多模光纤直径为几十至上百微米，与光波长相比大很多，因此，许多模式的光波进入光纤后都能满足全反射条件，在因此，许多模式的光波进入光纤后都能满足全反射条件，在光纤中得到正常的传输。在光纤的输出端可以看到光强度分光纤中得到正常的传输。在光纤的输出端可以看到光强度分布的不同花样，即在输出端出现多个亮斑，一个亮斑代表多布的不同花样，即
42、在输出端出现多个亮斑，一个亮斑代表多模光纤所传输的一种模式的光波。模光纤所传输的一种模式的光波。2023/1/664 在多模光纤中，传输的模式很多，不同的模式，其传在多模光纤中，传输的模式很多，不同的模式，其传输路径不同，所经过的路程就不同，达终点的时间也就不同，输路径不同，所经过的路程就不同，达终点的时间也就不同，这就引起了脉冲的展宽或叫模式色散，所以传输的信息量不这就引起了脉冲的展宽或叫模式色散，所以传输的信息量不可能很高。可能很高。单模光纤不存在模式色散，所以传输频带比多模光纤传单模光纤不存在模式色散，所以传输频带比多模光纤传输的信息容量大。输的信息容量大。在同一根光纤中，高次模到达终点
43、走的路程长，在同一根光纤中，高次模到达终点走的路程长，低次模走的路程短，这就意味着高次模到达终低次模走的路程短，这就意味着高次模到达终点需要的时间长，低次模到达点需要的时间短。点需要的时间长，低次模到达点需要的时间短。在同一条长度为的光纤上，最高次模与最低次在同一条长度为的光纤上，最高次模与最低次模到达终点所用的时间差，就是这段光纤产生模到达终点所用的时间差，就是这段光纤产生的脉冲展宽。的脉冲展宽。2023/1/665 在大容量、长距离光纤通信中单模光纤具有美好的应用在大容量、长距离光纤通信中单模光纤具有美好的应用前景。前景。但单模光纤直径太细，制造工艺要求高，所以目前使用但单模光纤直径太细，
44、制造工艺要求高，所以目前使用还不普遍。还不普遍。多模光纤由于直径较粗，制造工艺比单模光纤简单些，在多模光纤由于直径较粗，制造工艺比单模光纤简单些，在使用中光纤的连接与耦合也比单模光纤容易得多。使用中光纤的连接与耦合也比单模光纤容易得多。目前光通信所使用的光纤，大多是多模光纤。目前光通信所使用的光纤，大多是多模光纤。2023/1/666三、光纤的种类三、光纤的种类按光纤传播光波的模数传播光波的模数来分，有多模光纤多模光纤、单模光纤单模光纤两大类。按光纤芯折射率分布光纤芯折射率分布不同可分为：阶跃型光纤阶跃型光纤和梯度型光纤梯度型光纤两大类。2023/1/667阶跃型光纤阶跃型光纤：折射率分布是突
45、变的，纤芯折射率均匀分布，：折射率分布是突变的，纤芯折射率均匀分布，而且具有恒定值而且具有恒定值n1，而包层折射率则为稍小于，而包层折射率则为稍小于n1的常数的常数n2。n(r)可表示为可表示为2023/1/668 阶跃型多模光纤和单模光纤的阶跃型多模光纤和单模光纤的区别区别：后者的芯径和折射率差都比前者小。后者的芯径和折射率差都比前者小。设计时，适当地选取这两个参数，以使得光纤中只能传播最设计时，适当地选取这两个参数，以使得光纤中只能传播最低模式的光，这就构成了单模光纤。低模式的光，这就构成了单模光纤。2023/1/669梯度光纤梯度光纤：纤芯折射率的分布是径向坐标的递减函数，而：纤芯折射率
46、的分布是径向坐标的递减函数，而包层折射率的分布则是均匀的，可用下式表示包层折射率的分布则是均匀的，可用下式表示2023/1/670 从从传感的角度传感的角度来分，可以分为来分，可以分为传输光纤传输光纤和和功能光纤功能光纤。按按材料组分材料组分不同，光纤可分为：不同，光纤可分为：v石英光纤石英光纤v多组分玻璃光纤多组分玻璃光纤v全塑料光纤全塑料光纤v塑料包层光纤塑料包层光纤v红外光纤红外光纤2023/1/671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
47、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，再进行拉，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，可在制备预丝。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添加剂。用锗可提高折制件的过程中，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。新的方向是采用氟，例如加射指数，用硼可降低折射指数。新的方向是采用氟，例如加入入CF4或或CCl2F2降低包层的折射指数。加入磷来降低石英光纤降低包层的折射指数。加入磷来降低石英光纤的熔点。的熔点。石英光纤石英光纤2023/1/672SiO2约占
48、百分之几十，此外占百分之几十，此外还含有含有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等改性等改性剂，熔点低，熔点低(1400)，可用，可用传统的坩的坩埚法拉法拉丝，适于制做大芯径、大数，适于制做大芯径、大数值孔径光孔径光纤。多组分玻璃光纤多组分玻璃光纤2023/1/673 全塑料光纤主要由特制的高透明度有机玻璃、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数十模光纤，目前光纤损耗已降至数十dB/km。其特。其特
49、点是柔韧、加工方便、芯径和数值孔径大。点是柔韧、加工方便、芯径和数值孔径大。全塑料光纤全塑料光纤2023/1/674 塑料包层光纤是以石英作纤芯、塑料作包层的阶塑料包层光纤是以石英作纤芯、塑料作包层的阶跃型多模光纤。其芯径和数值孔径都较大，适于短距跃型多模光纤。其芯径和数值孔径都较大，适于短距离小容量通信系统应用。离小容量通信系统应用。塑料包层光纤塑料包层光纤2023/1/675 石英光石英光纤在在1.3至至1.5m的区域内具有最低的的区域内具有最低的损耗和色散，耗和色散，损耗已降低到耗已降低到0.15dB/km(1.55 m)，接近于，接近于0.1dB/km的理的理论极限。但其极限。但其传输
50、距离由于瑞利散射不会超距离由于瑞利散射不会超过200km。利用利用散射散射损耗与波耗与波长四次四次幂成反比成反比的关系，制造出适用的关系，制造出适用于于长波波长的光的光纤，使，使损耗耗进一步降低，就能延一步降低，就能延长传输距离。距离。5000km传输距离如用距离如用0.83 m的光的光纤传输系系统，需，需333个中个中继站，而用站，而用1.5 m的系的系统有有33个中个中继站就站就够了。各了。各发达国家已达国家已着眼于着眼于230 m的新的的新的传输波段，波段，对卤化物、硫属化物和重金化物、硫属化物和重金属氧化物等属氧化物等红外光外光纤做了大量开做了大量开创性工作。性工作。红外光纤红外光纤2