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材料的光学性能Optical Properties of Materials杜宇雷材料科学与工程学院 二能级系统不能充当激光工作物质二能级系统不能充当激光工作物质,因因为其不能实现粒子反转。为其不能实现粒子反转。E2E1N2N1h 处于高能级态的粒子自处于高能级态的粒子自发跃迁到低能级态，并发跃迁到低能级态，并同时向外辐射出一个光同时向外辐射出一个光子（子（自发辐射只与原子自发辐射只与原子本身性质有关，与辐射本身性质有关，与辐射场的场的 无关）无关）。1 1、自发辐射自发辐射 为辐射场能量密度为辐射场能量密度自发跃迁概率：自发跃迁概率：单位时间、单位体积内，单位时间、单位体积内，上粒子上粒子的减少为：的减少为：为自发辐射跃迁的为自发辐射跃迁的爱因斯坦系数，表示单位爱因斯坦系数，表示单位时间内从高能态时间内从高能态E2到低能到低能态态E1发生自发辐射跃迁的发生自发辐射跃迁的几率。只与物质自身的性几率。只与物质自身的性质有关。质有关。受激吸收概率：受激吸收概率：为爱因斯坦吸收系数为爱因斯坦吸收系数,只与粒子本身的性质有关。只与粒子本身的性质有关。为辐射场能量密度为辐射场能量密度 为为E1能级上的原子数密度能级上的原子数密度,受激吸收受激吸收处于低能级态的原子在处于低能级态的原子在一定条件下的辐射场作一定条件下的辐射场作用下，吸收一个光子，用下，吸收一个光子，跃迁到高能级态。跃迁到高能级态。表示单位时间内从低能态表示单位时间内从低能态E1到高能态到高能态E2发生受激吸收发生受激吸收跃迁的几率。跃迁的几率。受激辐射受激辐射受激辐射的概率：受激辐射的概率：称为爱因斯坦受激发射系数。称为爱因斯坦受激发射系数。处于高能级态的原子处于高能级态的原子在一定条件下的辐射在一定条件下的辐射场作用下，跃迁到低场作用下，跃迁到低能级态，并同时能级态，并同时辐射辐射出一个与入射光子完出一个与入射光子完全一样的光子全一样的光子。表示单位时间内从高能态表示单位时间内从高能态E2到低能态到低能态E1发生受激辐射发生受激辐射跃迁的几率。跃迁的几率。w21=w12 受激辐射与受激跃迁几率相等。受激辐射与受激跃迁几率相等。从低能级到高能级的自发跃迁几从低能级到高能级的自发跃迁几率为零。率为零。自发跃迁几率与外辐射场无关。自发跃迁几率与外辐射场无关。受激跃迁几率与外辐射场成正比。受激跃迁几率与外辐射场成正比。7热平衡时，不热平衡时，不同能级的原子同能级的原子数服从数服从玻尔兹玻尔兹曼分布曼分布受激辐射与吸收同时存在，要受激辐射与吸收同时存在，要产生激光产生激光必须必须N2w21 N1w12 由于由于w21=w12 即需要即需要N2 N1nclad 光在芯和包层之间的界面上反复进行全反射，并在光纤中传递下去。光纤的结构光纤的结构 光纤本身由纤芯和包层构成，纤芯是由高透明固体材料光纤本身由纤芯和包层构成，纤芯是由高透明固体材料(如高二氧化硅玻璃，多组分玻璃、塑料等如高二氧化硅玻璃，多组分玻璃、塑料等)制成，纤芯的外制成，纤芯的外面是包层，用折射率较低面是包层，用折射率较低(相对于纤芯材料而言相对于纤芯材料而言)的有损耗的有损耗(每每公里几百分贝公里几百分贝)的石英玻璃、多组分玻璃或塑料制成。这样的石英玻璃、多组分玻璃或塑料制成。这样就构成了能导光的玻璃纤维就构成了能导光的玻璃纤维光纤，光纤的导光能力取决于光纤，光纤的导光能力取决于纤芯和包层的性质。纤芯和包层的性质。芯芯芯芯包层包层包层包层树脂被覆层树脂被覆层树脂被覆层树脂被覆层 在光纤的外面是一次被覆层，主要目的是防止玻璃光纤的玻璃表面受损伤，井保持光纤的强度。因此，在选用材料和制造技术上，必须防止光纤产生微弯或受损伤。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100150m，在一次被覆层之外是缓冲层，外径为400m，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，带来额外损耗。因此，必须用缓冲效果良好的低杨氏系数材料作缓冲层，为了保护一次被覆层和缓冲层，在缓冲层之外加上二次被覆层。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，这一层外径常为0.9mm。光纤的结构光纤的结构三层芯线结构三层芯线结构 上述光纤是很脆的，还不能付诸实际应用。要使它具有实用性，还必须使它具有一定的强度和柔性，采用三层芯线结构。光纤的类型光纤的类型 光光纤纤的的分分类类方方法法很很多多，既既可可以以按按照照光光纤纤截截面面折折射射率率分分布布来来分分类类，又又可可以以按按照照光光纤纤中中传传输输模模式式数数的的多多少少、光光纤纤使使用用的的材材料料或传输的工作波长来分类。或传输的工作波长来分类。按传输模式的数量分类按传输模式的数量分类 按按光光纤纤中中传传输输的的模模式式数数量量，可可以以将将光光纤纤分分为为多多模模光光纤纤(Multi-Mode Fiber，MMF)和和单单模模光纤光纤(Single Mode Fiber，SMF)。多多模模光光纤纤和和单单模模光光纤纤是是由由光光纤纤中中传传输输的的模模式式数数决决定定的的，判判断断一一根根光光纤纤是是不不是是单单模模传传输输，除除了了光光纤纤自自身身的的结结构构参参数数外外，还还与与光光纤纤中中传传输输的光波长有关。的光波长有关。高次模高次模基模基模低次模低次模 传输模式传输模式是光学纤维最基本的传输特性之一。若一是光学纤维最基本的传输特性之一。若一种光纤只允许传输一个模式的光波，则称它为种光纤只允许传输一个模式的光波，则称它为单模光单模光纤纤。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，这种光纤为种光纤为多模光纤多模光纤。光学上把具有一定频率，一定的。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偏振状态和传播方向的光波叫做光波的一种模式模式，或，或称光的一种波型。称光的一种波型。多模光纤多模光纤直径为几十至上直径为几十至上百微米，与光波长相比大得多，百微米，与光波长相比大得多，因此，许多模式的光波进入光因此，许多模式的光波进入光纤后都能满足全反射条件，在纤后都能满足全反射条件，在光纤中得到正常的传输。在光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，即在输出端出布的不同花样，即在输出端出现多个亮斑，一个亮斑代表多现多个亮斑，一个亮斑代表多模光纤所传输的一种模式的光模光纤所传输的一种模式的光波。波。单模光纤单模光纤的直径只有的直径只有310m，同光波的波长接近。同光波的波长接近。在这样细的光纤中，只有沿着光纤轴线方向传播的一在这样细的光纤中，只有沿着光纤轴线方向传播的一种模式的光波满足全反射条件，在光纤中得到正常的种模式的光波满足全反射条件，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离后很快就被淘汰。纤中传送一段距离后很快就被淘汰。多模光纤多模光纤：顾名思义，多模光纤就是允许多个模：顾名思义，多模光纤就是允许多个模式在其中传输的光纤，或者说在多模光纤中允许式在其中传输的光纤，或者说在多模光纤中允许存在多个分离的传导模。存在多个分离的传导模。优优点点：芯芯径径大大，容容易易注注入入光光功功率率，可可以以使使用用LEDLED作为光源作为光源缺点缺点：存在模间色散，只能用于短距离传输：存在模间色散，只能用于短距离传输单模光纤单模光纤：只能传输一种模式的光纤称为单模光纤。：只能传输一种模式的光纤称为单模光纤。优优点点：单单模模光光纤纤只只能能传传输输基基模模(最最低低阶阶模模)，它它不不存存在在模模间间时时延延差差，因因此此它它具具有有比比多多模模光光纤纤大大得得多多的的带带宽，这对于高码速长途传输是非常重要的。宽，这对于高码速长途传输是非常重要的。缺点缺点：芯径小，较多模光纤而言不容易进行光耦合，：芯径小，较多模光纤而言不容易进行光耦合，需要使用半导体激光器激励。需要使用半导体激光器激励。按光纤截面上折射率分布分类按光纤截面上折射率分布分类按按照照截截面面上上折折射射率率分分布布的的不不同同可可以以将将光光纤纤分分为为阶阶跃跃型型光光纤纤(Step-Index Fiber，SIF)和和渐渐变变型型光光纤纤(Graded-Index Fiber，GIF)，其折射率分布如图所示。其折射率分布如图所示。根据芯区折射率径向分布的不同，可分为：根据芯区折射率径向分布的不同，可分为：根据芯区折射率径向分布的不同，可分为：根据芯区折射率径向分布的不同，可分为：不同的折射率分布，传输特性完全不同不同的折射率分布，传输特性完全不同不同的折射率分布，传输特性完全不同不同的折射率分布，传输特性完全不同光线以折线形状传输，脉冲信号畸变大，用于光线以折线形状传输，脉冲信号畸变大，用于光线以折线形状传输，脉冲信号畸变大，用于光线以折线形状传输，脉冲信号畸变大，用于近距离传输近距离传输近距离传输近距离传输Multimode Step-Index光线以曲线形状传输，脉冲信号畸变相对较小，光线以曲线形状传输，脉冲信号畸变相对较小，光线以曲线形状传输，脉冲信号畸变相对较小，光线以曲线形状传输，脉冲信号畸变相对较小，比阶跃型传输距离更大，传输距离更长比阶跃型传输距离更大，传输距离更长比阶跃型传输距离更大，传输距离更长比阶跃型传输距离更大，传输距离更长Multimode Graded-Index光线以直线传输，脉冲信号畸变小，用于长距光线以直线传输，脉冲信号畸变小，用于长距光线以直线传输，脉冲信号畸变小，用于长距光线以直线传输，脉冲信号畸变小，用于长距离高速传输，当前光纤发展的主流离高速传输，当前光纤发展的主流离高速传输，当前光纤发展的主流离高速传输，当前光纤发展的主流Single Mode以不同入射角进入光纤的光线将经历不同的途以不同入射角进入光纤的光线将经历不同的途以不同入射角进入光纤的光线将经历不同的途以不同入射角进入光纤的光线将经历不同的途径，虽然在输入端同时入射并以相同的速度传径，虽然在输入端同时入射并以相同的速度传径，虽然在输入端同时入射并以相同的速度传径，虽然在输入端同时入射并以相同的速度传播，但到达光纤输出端的时间却不同，出现了播，但到达光纤输出端的时间却不同，出现了播，但到达光纤输出端的时间却不同，出现了播，但到达光纤输出端的时间却不同，出现了时间上的分散，导致脉冲严重展宽。时间上的分散，导致脉冲严重展宽。时间上的分散，导致脉冲严重展宽。时间上的分散，导致脉冲严重展宽。模间色散模间色散模间色散模间色散所有所有 大于临大于临界角界角 C的光线的光线都被限制在纤都被限制在纤芯内。芯内。阶跃光纤阶跃光纤High-order Mode(Longer path)High-order Mode(Longer path)Low-order Mode(shorter path)Low-order Mode(shorter path)Axial Mode(shortest path)Axial Mode(shortest path)corecorecladdingcladding-孔径数孔径数孔径数孔径数(NA)(NA)相对折射率差相对折射率差相对折射率差相对折射率差n0n0、n1n1、n2-n2-分别是空气、纤芯、包层折射率，分别是空气、纤芯、包层折射率，分别是空气、纤芯、包层折射率，分别是空气、纤芯、包层折射率，c-c-芯包界面全反射临界角芯包界面全反射临界角芯包界面全反射临界角芯包界面全反射临界角阶跃光纤阶跃光纤代表光纤接收光的本领代表光纤接收光的本领代表光纤接收光的本领代表光纤接收光的本领（示意图）（示意图）（示意图）（示意图）c c i in n1 1n n2 2n n0 0 最大理论数值孔径的定义为：其中，n1为阶跃光纤均匀纤芯的折射率（梯度光纤为纤芯中心的最大折射率），n2为均匀包层的折射率。D=(n2 n1)/n1为纤芯-包层相对折射率差.光纤的数值孔径（NA）是一个小于1的无量纲的数，其值通常在0.14到0.50之间。数值孔径对光源耦合效率、光纤损耗、弯曲的敏感性以及带宽有着密切的关系，数值孔径大有利于光耦合。但是数值孔径太大的光纤模畸变加大，使得通信带宽较窄。最大理论数值孔径（最大理论数值孔径（NamaxNamax）-阶跃光纤阶跃光纤渐变光纤渐变光纤渐变光纤的芯区折射率不是一个常数，从芯区中心的最大值渐变光纤的芯区折射率不是一个常数，从芯区中心的最大值逐渐降低到包层的最小值。光线以正弦振荡形式向前传播。逐渐降低到包层的最小值。光线以正弦振荡形式向前传播。入射角大的光线路径长入射角大的光线路径长,由于折射率的变化由于折射率的变化,光速在沿路径变化光速在沿路径变化,虽然沿光纤轴线传输路径最短虽然沿光纤轴线传输路径最短,但轴线上折射率最大但轴线上折射率最大,光传播光传播最慢最慢.通过合理设计折射率分布通过合理设计折射率分布,使光线同时到达输出端，降使光线同时到达输出端，降低模间色散。低模间色散。如果光纤只能传输一个光线模式，如果光纤只能传输一个光线模式，如果光纤只能传输一个光线模式，如果光纤只能传输一个光线模式，这种光纤称为这种光纤称为这种光纤称为这种光纤称为单模光纤单模光纤单模光纤单模光纤（Single Mode Single Mode Single Mode Single Mode fiberfiberfiberfiber，简称，简称，简称，简称SMSMSMSM）。）。）。）。如果光纤允许光线中的多个模式传如果光纤允许光线中的多个模式传如果光纤允许光线中的多个模式传如果光纤允许光线中的多个模式传输，这种光纤称为输，这种光纤称为输，这种光纤称为输，这种光纤称为多模光纤多模光纤多模光纤多模光纤（Multi Multi Multi Multi Mode fiberMode fiberMode fiberMode fiber，简称，简称，简称，简称MMMMMMMM）。）。）。）。再根据光纤的折射率分布的不同，再根据光纤的折射率分布的不同，再根据光纤的折射率分布的不同，再根据光纤的折射率分布的不同，多模光纤又分为多模光纤又分为多模光纤又分为多模光纤又分为多模阶跃型光纤多模阶跃型光纤多模阶跃型光纤多模阶跃型光纤和和和和多模多模多模多模渐变型光纤渐变型光纤渐变型光纤渐变型光纤。三种主要类型光纤的比较三种主要类型光纤的比较光纤的色散特性光纤的色散特性色散的概念色散的概念 当日光通过棱镜或水雾时会呈现按红橙黄绿青蓝紫顺序排列的彩色光谱。这是由于棱镜材料（玻璃）或水对不同波长（对应于不同的颜色）的光呈现的折射率n不同，从而使光的传播速度不同和折射角度不同，最终使不同颜色的光在空间上散开。光脉冲中的不同频率或模式在光纤中的群速度不同，这些频率成分和模式到达光纤终端有先有后，使得光脉冲发生展宽，这就是光纤的色散，如图所示。色散一般用时延差来表示，所谓时延差，是指不同频率的信号成分传输同样的距离所需要的时间之差。色散引起的脉冲展宽示意图模式色散：不同模式不同传输速度（仅多模光纤有）模式色散：不同模式不同传输速度（仅多模光纤有）材料色散：不同频率不同折射率材料色散：不同频率不同折射率波导色散：不同频率不同模场分布波导色散：不同频率不同模场分布偏振模色散：不同偏振态不同传输速度偏振模色散：不同偏振态不同传输速度色散分类色散分类脉冲展宽导致接收端无法将相邻的脉冲分开，从而导致误码。因此，色散特性限制了光纤的传输容量。模式色散模式色散 多多模模光光纤纤中中不不同同模模式式的的光光束束有有不不同同的的群群速速度度，在在传传输输过过程程中中，不不同同模模式式的的光光束束的的时时间间延延迟迟不不同同而而产产生生的的色色散散，称称模模式式色色散。散。所所谓谓模模式式色色散散，用用光光的的射射线线理理论论来来说说，就就是是由由于于轨轨迹迹不不同同的的各各光光线线沿沿轴轴向向的的平平均均速度不同所造成的时延差。速度不同所造成的时延差。阶跃型光纤中的模式色散阶跃型光纤中的模式色散在在阶阶跃跃型型光光纤纤中中，传传播播最最快快的的和和最最慢慢的的两两条条光光线线分分别别是是沿沿轴轴线线方方向向传传播播的的光光线线和和以以临临界界角角c入入射射的的光光线线，如如图图所所示示。因因此此，在在阶阶跃跃型型光光纤纤中中最最大大色散是光线色散是光线和光线和光线到达终端的时延差。到达终端的时延差。DL为两种模式的光程差。渐变型光纤中的模式色散渐变型光纤中的模式色散 在在渐渐变变型型光光纤纤中中合合理理地地设设计计光光纤纤折折射射率率分分布布，使使光光线线在在光光纤纤中中传传播播时时速速度度得得到到补补偿偿，从而模式色散引起的光脉冲展宽将很小。从而模式色散引起的光脉冲展宽将很小。特点：降低了模间色散（或多径色散）特点：降低了模间色散（或多径色散）沿着轴心传播的光经历的路程短但折射率高，沿着轴心传播的光经历的路程短但折射率高，沿纤芯外层传播的光路程长但折射率低。沿纤芯外层传播的光路程长但折射率低。光在光纤中传播是有损耗的，这是光纤通信中光在光纤中传播是有损耗的，这是光纤通信中最重要的问题。这是由于在光纤中存在两种损耗机最重要的问题。这是由于在光纤中存在两种损耗机制：一种是制：一种是吸收吸收，这是光与光纤本身（在某些波长，这是光与光纤本身（在某些波长情况下）和光纤中的杂质相互作用的结果，引起电情况下）和光纤中的杂质相互作用的结果，引起电子跃迁。其后这些电子放出另一种波长的光子或者子跃迁。其后这些电子放出另一种波长的光子或者把能量变成机械振动（热的形式）放出。另一种能把能量变成机械振动（热的形式）放出。另一种能量损失是量损失是散射散射的方式，纤维的组织结构的不完整性的方式，纤维的组织结构的不完整性（尺寸上可能大于或小于所传导的波长）可以引起（尺寸上可能大于或小于所传导的波长）可以引起光更改传播方向，逸出光导纤维。光更改传播方向，逸出光导纤维。这些损耗都需要通过控制光纤的制备过程及选这些损耗都需要通过控制光纤的制备过程及选择合适的工艺参数来降低。择合适的工艺参数来降低。光纤的损耗机制光纤的损耗机制1.吸收损耗吸收损耗 吸收损耗分本征吸收、杂质吸收。吸收损耗分本征吸收、杂质吸收。(1)本征吸收本征吸收 本征吸收来自石英玻璃中电子跃迁和分子振动本征吸收来自石英玻璃中电子跃迁和分子振动产生的吸收。产生的吸收。(2)杂质吸收杂质吸收 杂质吸收是由于材料不纯造成的，主要来源于杂质吸收是由于材料不纯造成的，主要来源于石英玻璃中的金属离子和氢氧根石英玻璃中的金属离子和氢氧根(OH-)。在制作过程。在制作过程中，必须对原材料进行严格的化学提纯。中，必须对原材料进行严格的化学提纯。2.散射损耗散射损耗 散散射射是是由由于于微微小小颗颗粒粒、材材料料密密度度的的微微观观变变化化、成成分分的的起起伏伏、制制造造过过程程中中产产生生的的结结构构上上的的不不均均匀匀性性或或缺缺陷陷、非非线线性性效效应应引引起起的的损损耗耗。可可分分为为制制作作缺缺陷陷散射、瑞利散射、受激散射。散射、瑞利散射、受激散射。(1)制作缺陷散射制作缺陷散射 原原料料中中的的杂杂质质、光光纤纤拉拉制制过过程程中中产产生生的的气气泡泡、粗粗细细不不均均匀匀、纤纤芯芯与与包包层层间间界界面面不不平平滑滑等等都都会会引引起起散射。散射。(2)瑞利散射瑞利散射 瑞瑞利利散散射射是是光光纤纤制制造造过过程程中中，因因热热起起伏伏造造成成材材料料密密度度、玻玻璃璃组组分分密密度度和和折折射射率率不不均均匀匀而而引引起起的的本本征征散散射。瑞利散射的损耗的表达式为射。瑞利散射的损耗的表达式为 式中式中A为瑞利系数，为瑞利系数，B代表波导色散或不完善引起的损代表波导色散或不完善引起的损耗，与波长无关。耗，与波长无关。(3)受激散射受激散射 受激布里渊散射和受激喇曼散射是当强度足够受激布里渊散射和受激喇曼散射是当强度足够高的激光在光纤中传输时，由于非线性效应产生散高的激光在光纤中传输时，由于非线性效应产生散射光，造成传输光信号强度减弱。射光，造成传输光信号强度减弱。第二传输窗口第二传输窗口第二传输窗口第二传输窗口第一传输窗口第一传输窗口第一传输窗口第一传输窗口1300130015501550850850紫外吸收紫外吸收紫外吸收紫外吸收红外吸收红外吸收红外吸收红外吸收瑞利散射瑞利散射瑞利散射瑞利散射0.20.22.52.5损损损损 耗耗耗耗 (dB/km)(dB/km)波波波波 长长长长 (nm)(nm)OHOH离子吸收峰离子吸收峰离子吸收峰离子吸收峰光纤损耗谱特性光纤损耗谱特性第三传输窗口第三传输窗口第三传输窗口第三传输窗口在在在在1.551.55 mm处最小损耗处最小损耗处最小损耗处最小损耗约为约为约为约为0.20.2dB/kmdB/km损耗特性损耗特性 （类似于衰减）（类似于衰减）吸收损耗（材料中杂质吸收）吸收损耗（材料中杂质吸收）散射损耗（材料、形状、折射率分布有缺陷或不散射损耗（材料、形状、折射率分布有缺陷或不均匀）均匀）主要主要是瑞利散射：光纤材料折射率的随机性变化是瑞利散射：光纤材料折射率的随机性变化色散特性（类似于时延失真）色散特性（类似于时延失真）材料色散（材料折射率随频率变化引起）材料色散（材料折射率随频率变化引起）波导色散（几何结构、形状不完善使光进入包层波导色散（几何结构、形状不完善使光进入包层传播）传播）模式色散（多模光纤的主要色散，单模光纤无）模式色散（多模光纤的主要色散，单模光纤无）非线性光学效应非线性光学效应19661966年年FrankenFranken首次将红宝石晶体所产生的激光束入射到石英首次将红宝石晶体所产生的激光束入射到石英晶体，实验过程中发现两束出射光，一束是原来入射的红宝晶体，实验过程中发现两束出射光，一束是原来入射的红宝石激光，其波长为石激光，其波长为694.3nm694.3nm；而另一束就是倍频光，其波长为；而另一束就是倍频光，其波长为347.2nm347.2nm。当时，红宝石激光倍频的效率很低，只有。当时，红宝石激光倍频的效率很低，只有1010-8-8。