功能材料光学材料PPT讲稿.ppt

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1、功能材料光学材料第1页，共132页，编辑于2022年，星期五第七章第七章 光学材料光学材料 材材料料的的光光学学性性质质是是光光(自自X射射线线至至毫毫米米波波的的电电磁磁波波，波波长长为为10-4l02m)与与材材料料的的相相互互作作用用而而使使材材料料所所表表现现出出的的特特性性。如如果果光光与与材材料料相相互互作作用用的的光光强强较较弱弱，场场强强的的线线性性项项起起作作用用，光光与与材材料料的的相相互互作作用用就就产产生生各各种种线线性性光光学学效效应应。如如吸吸收收、反反射射、全全反反射射、透透射射、折折射射、色色散散、散散射射以以及及各各种种现现象象中中有有关关光光偏偏振振态态改改

2、变变的的效效应应等等。这这种种利利用用线线性性光光学学效效应应传传输输光光线线的的材材料料为为光光学学介介质质材材料料(Opticalmed Medium Materials)。7.1 7.1 光学材料概述光学材料概述第2页，共132页，编辑于2022年，星期五 光光学学材材料料主主要要是是光光介介质质材材料料。光光学学介介质质材材料料可可以以以以折折射射、反反射射和和透透射射的的方方式式改改变变光光线线的的方方向向、强强度度和和位位相相，使使光光线线按按预预定定的的要要求求传传输输；也也可可以以吸吸收收或或透透过过一一定定波波长长范范围围的的光光线线而而改改变变光光线线的的光光谱谱成成分分。

3、其其主主要要性性能能参参数数有有两两个个：光光谱谱通通过过率率和和光光学学色色散散，即即不不同同波波长长下下的的透透过过率率和和折折射射率率。光光学学介介质质材材料料从从形形态态及及组组成成上上可可分分为为5 5类类：光光学学玻玻璃璃、光光学学晶晶体体、光光学学塑塑料料、光光学薄膜和光学纤维。学薄膜和光学纤维。第3页，共132页，编辑于2022年，星期五7.2 7.2 激光材料激光材料 激激光光，又又名名镭镭射射(LASER)，来来源源于于经经受受激激辐辐射射引引起起光光频频放放大大的的英英文文（Light Amplification by Stimulated Emission of Rad

4、iatton的的缩缩写写)。原原意意表表示示光光的的放放大大及及其其放放大大的的方方式式，现现在在用用作作由由特特殊殊振荡器发出的品质好、具有特定频率的光波之意。振荡器发出的品质好、具有特定频率的光波之意。第4页，共132页，编辑于2022年，星期五 7.2.1 激光的产生激光的产生 光光的的产产生生总总是是和和原原于于中中电电子子的的跃跃迁迁有有关关。假假如如原原子子处处于于高高能能态态E2，然然后后跃跃迁迁到到低低能能态态E1，则它以辐射形式发出能量，则它以辐射形式发出能量，其辐射频率为其辐射频率为 第5页，共132页，编辑于2022年，星期五 能能量量发发射射可可以以有有两两种种途途径径

5、：一一是是原原子子无无规规则则地地转转变变到到低低能能态态，称称为为自自发发发发射射；二二是是一一个个具具有有能能量量等等于于两两能能级级间间能能量量差差的的光光子子与与处处于于高高能能态态的的原原子子作作用用，使使原原子子转转变变到到低低能能态态同同时时产产生生第第二二个个光光子子，这这一一过过程程称称为为受受激激发发射射，见见图图7-1。受激发射产生的光就是激光。受激发射产生的光就是激光。图图7-1 受激发射受激发射第6页，共132页，编辑于2022年，星期五 当当光光入入射射到到由由大大量量粒粒子子所所组组成成的的系系统统时时，光光的的吸吸收收、自自发发辐辐射射和和受受激激辐辐射射三三个

6、个基基本本过过程程是是同同时时存存在在的的。在在热热平平衡衡状状态态，粒粒子子在在各各能能级级上上的的分分布布服服从从玻玻耳耳兹兹曼曼分分布布律律：NiNee-Ki i/kT，其其中中Ni从从为为处处在在能能级级Ei的的粒粒子子数数；Ne为为总总粒粒子子数数；k为为玻玻耳耳兹兹曼曼常常数数；T为为体体系系的的绝绝对对温温度度。因因为为E2 El，所所以以高高能能级级上上的的粒粒子子数数N2总总是是小小于于低低能能级级上上的的粒粒子子数数N1，产产生生激激光光作作用用的的必必要要条条件件是是使使原原子子或或分分子子系系统统的的两两个个能能级级之之间实现粒子数反转。间实现粒子数反转。第7页，共13

7、2页，编辑于2022年，星期五7.2.2 固体激光器材料固体激光器材料 激激光光材材料料应应具具有有良良好好的的物物理理化化学学性性能能，即即要要求求热热膨膨胀胀系系数数小小、弹弹性性模模量量大大、热热导导率率高高、光光照照稳定性和化学稳定性要好。稳定性和化学稳定性要好。1激话离子激话离子 晶晶体体激激光光工工作作物物质质要要在在基基质质晶晶体体中中掺掺入入适适量量的的激激活活离离子子。激激活活离离子子的的作作用用在在于于在在团团体体中中提提供供亚亚稳稳态态能能级级，由由光光泵泵作作用用激激发发振振荡荡出出一一定定波波长长的的激光。激光。第8页，共132页，编辑于2022年，星期五 对对激激活

8、活离离子子的的要要求求总总是是希希望望是是四四能能级级的的，即即被被光光泵泵激激发发到到高高能能级级上上的的粒粒子子，由由感感应应激激发发跃跃迁迁到到低低能能级级发发生生激激光光振振荡荡时时，不不直直接接降降到到基基态态，而而是是降降到到中中间间的的能能级级，这这比比直直接接降降到到基基态态的的三三能能级级工工作作的的激激活活离离子子效效率率高高，振振荡荡的的阈阈值值也也低低。目目前前激激活活离离子子来来自自三三价价和和二二价价的的铁铁系系、镧镧系系和和锕锕系系元元素素。激激光光的的波波长长是是由激活离子的种类决定的。由激活离子的种类决定的。第9页，共132页，编辑于2022年，星期五 2基质

9、晶体基质晶体基基质质晶晶体体须须有有良良好好的的机机械械强强度度、良良好好的的导导热热性性和和较较小小的的光光弹弹性性。为为降降低低热热损损耗耗和和输输入入，基基质质对对产产生生激激光光的的吸吸收收应应接接近近零零。用用作作基基质质的的晶晶体体应应能能制制成成较较大大尺尺寸寸，且且光光学学性性能能均均匀匀。基基质质晶晶体体基基本上有三类：本上有三类：1)氟氟化化物物晶晶体体 这这类类晶晶体体熔熔点点较较低低，易易于于生生长长单单晶晶，是是早早期期研研究究的的激激光光晶晶体体材材料料，如如CaF2，BaF2，SrF2，LaF3，MgF2等等。但但是是，它它们们大大多多要要在低温下才能工作。所以现

10、在较少应用。在低温下才能工作。所以现在较少应用。第10页，共132页，编辑于2022年，星期五2)含含氧氧金金属属酸酸化化物物晶晶体体 这这类类材材料料是是较较早早研研究究的的激激光光晶晶体体材材料料之之一一，均均以以三三价价稀稀土土离离子子 为为 激激 活活 离离 子子，如如 CaWO4，CaMnO4，LiNbO4，Ca(PO4)3F等。等。3)金金属属氧氧化化物物晶晶体体 这这类类晶晶体体如如Al2O3，Y3Al5O12，Er2O3，Y2O3等等，掺掺入入三三价价过过渡渡族族金金属属离离子子或或三三价价稀稀土土离离子子构构成成激激光光晶晶体体，应应用用较较广广，研研制制最最多多。掺掺杂杂时

11、时不不需需电电荷荷补补尝尝，但但它它们们的熔点均高，制取优质单晶都较困难。的熔点均高，制取优质单晶都较困难。第11页，共132页，编辑于2022年，星期五3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，它是由刚玉单晶作物质，它是由刚玉单晶(-Al2O3)为基质，为基质，掺入掺入Cr3+激活离子所组成的。激活离子所组成的。-Al2O3为六方晶为六方晶系，铬原子的外层电子为系，铬原子的外层电子为3d54s1。将铬原子掺杂。将铬原子掺杂至至-Al2O3晶格中去后，铬原子失去晶格中去后，铬原子失去3d24s1三个三个电子

12、，只剩下电子，只剩下3d3三个外层电子，成为三个外层电子，成为Cr3+。从。从激光器对工作物质的物化性能和光谱性能要求来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。看，红宝石激光器堪称一种较为理想的材料。第12页，共132页，编辑于2022年，星期五 红红宝宝石石晶晶体体的的主主要要优优点点是是：晶晶体体的的物物化化性性能能很很好好，材材料料坚坚硬硬、稳稳定定、导导热热性性好好、抗抗破破坏坏能能力力高高，对对泵泵浦浦光光的的吸吸收收特特性性好好，可可在在室室温温条条件件下下获获得得0.6943m的的可可见见激激光光振振荡荡。主主要要缺缺点点是是属属三三能能

13、级级结结构，产生激光的阈值较高。构，产生激光的阈值较高。红红宝宝石石的的激激光光发发射射波波长长为为可可见见光光红红光光的的波波长长，这这一一波波长长的的光光，不不但但为为人人眼眼可可见见，而而且且对对于于绝绝大大多多数数的的各各种种光光敏敏材材料料和和光光电电探探测测元元件件来来说说，都都是是易易于于进进行行探探测测和和定定量量测测量量的的。因因此此红红宝宝石石激激光光器器在在激激光光器器基基础础研研究究、强强光光(非非线线性性)光光学学研研究究、激激光光光光谱谱学学研研究究、激激光光照照相相和和全全息息技技术术、激激光光雷雷达与测距技术等方面都有广泛的应用。达与测距技术等方面都有广泛的应用

14、。第13页，共132页，编辑于2022年，星期五4钕钇铝石榴石激光晶体钕钇铝石榴石激光晶体(YAG:Nd3+)激激光光工工作作物物质质是是Y3Al5O12作作为为基基质质，Nd3+作作为为激激光光离离子子。纪纪铝铝石石榴榴石石(YAG)属属立立方方晶晶系系，YAG:Nd3+激激光光跃跃迁迁能能级级属属于于四四能能级级系系统统，具具有有良良好的力学、热学和光学性能。好的力学、热学和光学性能。与与红红宝宝石石相相比比，YAG:Nd3+晶晶体体的的荧荧光光寿寿命命较较短短，荧荧光光谱谱线线较较窄窄，工工作作粒粒子子在在激激光光跃跃迁迁高高能能级级上上不不易易得得到到大大量量积积累累，激激光光储储能能

15、较较低低，以以脉脉冲冲方方式式运运转转时时，输输出出激激光光脉脉冲冲的的能能量量和和峰峰值值功功率率都都受到限制。受到限制。第14页，共132页，编辑于2022年，星期五 鉴鉴于于上上述述原原因因，YAG:Nd3+器器件件一一般般不不用用来来作作单单次次脉脉冲冲运运转转。但但由由于于其其阈阈值值比比红红宝宝石石低低，增增益益系系数数比比红红宝宝石石大大，适适合合于于作作重重复复脉脉冲冲输输出出运运转转。重重复复率率可可高高达达每每秒秒几几百百次次，每每次次输输出出功功率率达达百百兆兆瓦瓦以以上。上。军军用用激激光光测测距距仪仪和和制制导导用用激激光光照照明明器器都都采采用用钕钕钇钇铝铝石石榴榴

16、石石激激光光器器。这这种种激激光光器器也也是是唯唯一一能能在在常常温温下连续工作，且有较大功率的固体激光器。下连续工作，且有较大功率的固体激光器。第15页，共132页，编辑于2022年，星期五5半导体激光材料半导体激光材料 半半导导体体激激光光器器是是固固体体激激光光器器中中重重要要的的一一类类。这这类类激激光光器器的的特特点点是是体体积积小小、效效率率高高、运运行行简简单、便宜。单、便宜。半半导导体体激激光光器器的的基基本本结结构构极极为为简简单单，见见图图7-2，从从图图中中可可知知，半半导导体体激激光光器器是是半半导导体体器器件件p-n结结二二极极管管，在在电电流流正正向向流流动动时时会

17、会引引起起激激光光振荡。振荡。第16页，共132页，编辑于2022年，星期五图图7-2 半导体激光器的基本结构半导体激光器的基本结构 第17页，共132页，编辑于2022年，星期五 但但是是，在在普普通通电电路路用用的的二二极极管管中中，即即使使有有电电流流流流动动也也不不会会产产生生激激光光振振荡荡。引引起起激激光光振振荡荡的的第第一一个个条条件件是是，利利用用电电流流注注入入的的少少数数载载流流子子复复合合时时放放出出的的能能量量必必须须以以高高效效率率变变换换为为光光。因因此此，在在进进行行复复合合的的区区域域(在在p-n结结附附近近，称称此此区区域域为为活活性性区区)，一一般般必必须须

18、是是具具有有直直接接迁迁移移型型能能带带结结构构的的材材料料。在在这这一一方方面面，最最常常用用的的半半导导体体材材料料Si与与Ge已已失失去去作作为为激激光光材材料料的的资资格格。以以GaAs为为代代表表的的许许多多IIIA-VA族族化化合合物物由由于于具具有有直直接接迁迁移移型型能能带带结结构构，可可作作为为激激光光材材料料，大大部部分分IIA-VIA族半导体也有可能作为激光材料。族半导体也有可能作为激光材料。第18页，共132页，编辑于2022年，星期五 半半导导体体激激光光器器的的第第二二个个条条件件是是，在在引引起起反反转转分分布布时时要要注注入入足足够够浓浓度度的的载载流流子子。某

19、某阈阈值值以以下下的的电电流流，在在普普通通的的发发光光二二极极管管中中会会引引起起注注入入发光，但不会发生激光。发光，但不会发生激光。第第三三个个条条件件是是有有谐谐振振器器(空空腔腔)。激激光光器器的的谐谐振振器器一一般般是是由由二二片片反反射射镜镜组组成成的的法法布布里里-珀珀罗罗结结构构构构成成。半半导导体体激激光光器器由由于于增增益益极极高高，不不一一定定要要求求具具有有高高反反射射率率的的反反射射镜镜，可可利利用用垂垂直直于于结结面面而而且且平平行行的的二极管两个侧面作为反射镜。二极管两个侧面作为反射镜。第19页，共132页，编辑于2022年，星期五 目目前前大大部部分分半半导导体

20、体激激光光器器具具有有双双异异质质结结结结构构，该该结结构构可可减减小小阈阈值值电电流流密密度度，可可在在室室温温下下连连续续工工作作。双双异异质质结结激激光光器器的的p-n结结是是用用带带隙隙和和折折射射率率不不同同的的两两种种材材料料在在适适当当的的基基片片上上外外延延生生长长形形成成的的。不不同同种种类类的的材材料料所所形形成成的的结结(异异质质结结)，由由于于晶晶格格常常数数不不同同而而易易于于产产生生晶晶格格缺缺陷陷。结结面面的的晶晶格格缺缺陷陷作作为为注注入入载载流流子子的的非非发发光光中中心心而而使使发发光光效效率率下下降降，器器件件寿寿命命缩缩短短。因因此此，作作为为双双异异质

21、质结结激激光光器器材材料料，要要求求采采用用晶晶格格常常数数大大致致相相同同的的两两种种材材料料来来组组合合。在在室室温温下下GaAs和和AlAs的的晶晶格格常常数数分分别别为为0.5653nm和和0.5661nm，两者仅差两者仅差0.14。第20页，共132页，编辑于2022年，星期五 目目前前，制制作作半半导导体体激激光光器器的的材材料料很很多多，有有短短波波也也有有长长波波，它它的的激激发发方方式式可可以以是是电电注注入入式式，也有电子束激励及光激励等方式。也有电子束激励及光激励等方式。表表7-1为为各各种种半半导导体体激激光光器器材材料料和和它它的的发发光光波长。波长。第21页，共13

22、2页，编辑于2022年，星期五表表7-1 各种半导体激光器材料和发光波长各种半导体激光器材料和发光波长 第22页，共132页，编辑于2022年，星期五7.3 7.3 光纤材料光纤材料 60年年代代发发现现了了激激光光，这这是是人人们们期期待待已已久久的的信信号号载载体体。要要实实现现光光通通讯讯，还还必必须须有有光光元元件件、组组件件及及信信号号加加工工技技术术和和光光信信号号的的传传输输介介质质。1958年年，英英国国科科学学家家提提出出了了利利用用光光纤纤的的设设想想，1966年年，在在英英国国标标准准电电讯讯研研究究所所工工作作的的英英籍籍华华人人工工程程师师高高琨琨，论论证证了了把把光

23、光纤纤的的光光学学损损耗耗降降低低到到20dBkm以以下下的的可可能能性性(当当时时光光纤纤的的传传输输损损耗耗约约为为1000dB/km)，并并指指出出其其对对未未来来光光通通信信的的作作用用后后，作作为为光光通通信信媒媒质质用用的的光光纤纤引引起起了了世世界界工工业业发发达达国国家家的的科科学学界界、实实业业界界人人士士以以及及政政府府部门的普遍重视。部门的普遍重视。第23页，共132页，编辑于2022年，星期五 许许多多大大学学、研研究究所所、公公司司以以及及工工厂厂开开始始探探索索这这一一工工作作，对对多多组组分分玻玻璃璃系系和和高高二二氧氧化化硅硅玻玻璃璃系系光光纤纤进进行行开开发发

24、研研究究。随随着着理理论论研研究究和和制制造造技技术术的的提提高高，降降低低光光纤纤传传输输损损耗耗的的工工作作进进展展很很快快。1970年年，美美国国康康宁宁玻玻璃璃公公司司拉拉制制出出世世界界第第一一根根低低损损耗耗光光纤纤，这这是是一一根根高高二二氧氧化化硅硅玻玻璃璃光光纤纤，长长数数百百米米，损损耗耗低低于于20dB/km(降降低低为为1966年年光光纤纤损损耗耗的的1/50)。十十多多年年后后，高高二二氧氧化化硅硅玻玻璃璃光光纤纤的的损损耗耗又又降降低低了了两两个个数数量量级级，约约为为0.2dB/km，几几乎乎达达到到了了材材料料的的本征光学损耗。本征光学损耗。第24页，共132页

25、，编辑于2022年，星期五 然然而而，多多组组分分玻玻璃璃光光纤纤因因其其材材料料难难以以提提纯纯，以以及及此此类类玻玻璃璃的的均均匀匀性性差差，而而使使光光纤纤的的最最低低损损耗耗仍仍相相当当大大，约约为为4dB/km。近近20年年，各各种种各各样样的的光光纤纤层层出出不不穷穷，除除了了通通信信用用多多模模、单单模模光光纤纤外外，近近年年来来又又出出现现各各种种结结构构不不同同高高双双折折射射偏偏振振保保持持光光纤纤、单单偏偏振振光光纤纤，以以及及各各种种光光纤纤传传感感器器用用的的功功能能光光纤纤、塑塑料料光光纤纤等等。光光纤纤的的最最初初应应用用是是制制作作医医用用内内窥窥镜镜，但但其其

26、大大量量地地应应用用仍仍在在通通信信方方面面。许许多多国国家家建建造造了了光光纤纤通通信信系系统统，横横跨跨大大西西洋洋、太太平平洋洋的的海海底底光光缆缆已投人使用，使全世界进人信息时代。已投人使用，使全世界进人信息时代。第25页，共132页，编辑于2022年，星期五7.3.1光纤的结构及分类光纤的结构及分类光光纤纤是是用用高高透透明明电电介介质质材材料料制制成成的的非非常常细细(外外径径约约为为125200m)的的低低损损耗耗导导光光纤纤维维，它它不不仅仅具具有有束束缚缚和和传传输输从从红红外外到到可可见见光光区区域域内内的的光光的的功功能能，而而且且也也具具有有传传感感功功能能。一一般般通

27、通信信用用光光纤纤的的横截面的结构如图横截面的结构如图7-3所示。所示。第26页，共132页，编辑于2022年，星期五图图7-3 光纤横裁面结构示意图光纤横裁面结构示意图 (a)光纤光纤 (b)三层结构芯线三层结构芯线 第27页，共132页，编辑于2022年，星期五光光纤纤本本身身由由纤纤芯芯和和包包层层构构成成，见见图图7-3(a)，纤纤芯芯是是由由高高透透明明固固体体材材料料(如如高高二二氧氧化化硅硅玻玻璃璃，多多组组分分玻玻璃璃、塑塑料料等等)制制成成，纤纤芯芯的的外外面面是是包包层层，用用折折射射率率较较低低(相相对对于于纤纤芯芯材材料料而而言言)的的有有损损耗耗(每每公公里里几几百百

28、分分贝贝)的的石石英英玻玻璃璃、多多组组分分玻玻璃璃或或塑塑料料制制成成。这这样样就就构构成成了了能能导导光光的的玻玻璃璃纤纤维维光光纤纤，光光纤纤的的导导光光能能力力取取决决于于纤芯和包层的性质。纤芯和包层的性质。第28页，共132页，编辑于2022年，星期五上上述述光光纤纤是是很很脆脆的的，还还不不能能付付诸诸实实际际应应用用。要要使使它它具具有有实实用用性性，还还必必须须使使它它具具有有一一定定的的强强度度和和柔柔性性，采采用用图图7-3(b)所所示示的的三三层层芯芯线线结结构构。在在光光纤纤的的外外面面是是一一次次被被覆覆层层，主主要要目目的的是是防防止止玻玻璃璃光光纤纤的的玻玻璃璃表

29、表面面受受损损伤伤，并并保保持持光光纤纤的的强强度度。因因此此，在在选选用用材材料料和和制制造造技技术术上上，必必须须防防止止光光纤纤产产生生微微弯弯或或受受损损伤伤。通通常常采采用用连连续续挤挤压压法法把把热热可可塑塑硅硅树树脂脂被被覆覆在在光纤外而制成，此层的厚度约为光纤外而制成，此层的厚度约为100150m。第29页，共132页，编辑于2022年，星期五在在一一次次被被覆覆层层之之外外是是缓缓冲冲层层，外外径径为为400m，目目的的在在于于防防止止光光纤纤因因一一次次被被覆覆层层不不均均匀匀或或受受侧侧压压力力作作用用而而产产生生微微弯弯，带带来来额额外外损损耗耗。因因此此，必必须须用用

30、缓缓冲冲效效果果良良好好的的低低杨杨氏氏系系数数材材料料作作缓缓冲冲层层，为为了了保保护护一一次次被被覆覆层层和和缓缓冲冲层层，在在缓缓冲冲层层之之外外加加上上二二次次被被覆覆层层。二二次次被被覆覆层层材材料料的的杨杨氏氏系系数数应应比比一一次次被被覆覆层层的的大大，而而且且要要求求具具有有小小的的温温度度系系数数，常常采采用用尼尼龙龙，这这一一层层外外径径常常为为0.9mm。按按光光纤纤芯芯折折射射率率分分布布不不同同可可分分为为：阶阶跃跃型型光光纤和梯度型光纤两大类，见图纤和梯度型光纤两大类，见图7-4。第30页，共132页，编辑于2022年，星期五图图7-4 光纤的种类和光的传播光纤的种

31、类和光的传播(a)阶跃型多模光纤；阶跃型多模光纤；(b)梯度型多模光纤；梯度型多模光纤；(c)单模光纤单模光纤第31页，共132页，编辑于2022年，星期五阶阶跃跃型型多多模模光光纤纤和和单单模模光光纤纤的的折折射射率率分分布布都都是是突突变变的的，纤纤芯芯折折射射率率均均匀匀分分布布具具有有恒恒定定值值n1，而而包包层层折折射射率率则则为为稍稍小小于于n1的的常常数数n2，n(r)可表示为可表示为 其其中中r为为离离纤纤芯芯纵纵轴轴的的径径向向坐坐标标，a为为纤纤芯半径。芯半径。第32页，共132页，编辑于2022年，星期五 阶阶跃跃型型多多模模光光纤纤和和单单模模光光纤纤的的区区别别仅仅在

32、在于于，后后考考的的芯芯径径和和折折射射率率差差都都比比前前者者小小。设设计计时时，适适当当地地选选取取这这两两个个参参数数，以以使使得得光光纤纤中中只只能能传传播播最最低低模模式式的光，这就构成了单模光纤。的光，这就构成了单模光纤。阶阶跃跃型型光光导导纤纤维维的的芯芯子子与与包包层层间间折折射射率率是是阶阶梯梯状状的的改改变变，入入射射光光线线在在纤纤芯芯和和包包层层的的界界面面产生全反射，呈锯齿状曲折前进。产生全反射，呈锯齿状曲折前进。第33页，共132页，编辑于2022年，星期五 在在梯梯度度光光纤纤中中，纤纤芯芯折折射射率率的的分分布布是是径径向向坐坐标标的的递递减减函函数数，而而包包

33、层层折折射射率率分分布布则则是是均均匀匀的的，可用下式表示可用下式表示其中其中g为幂指数，一般取为幂指数，一般取2。第34页，共132页，编辑于2022年，星期五 梯梯度度型型光光导导纤纤维维的的纤纤芯芯折折射射率率从从中中心心轴轴线线开开始始向向径径向向逐逐渐渐减减小小(约约以以半半径径的的二二次次方方的的反反比比例例递递减减)，因因此此入入射射光光线线进进入入光光纤纤后后，偏偏离离中中心心轴轴线线的的光光将将呈呈曲曲线线路路径径向向中中心心集集束束传传输输。由由于于光光束束在在梯梯度度型型光光纤纤中中传传播播时时，形形成成周周期期性性的的会会聚聚和和发发散散，呈呈波波浪浪式式曲曲线线前前进

34、进，故故梯梯度度型型光光纤纤又又称称聚聚焦焦型光纤。型光纤。第35页，共132页，编辑于2022年，星期五按按材材料料组组分分不不同同，光光纤纤可可分分为为：高高二二氧氧化化硅硅(石石英英)玻玻璃璃光光纤纤、多多组组分分玻玻璃璃光光纤纤和和塑塑料料光光纤纤等等。目前，通信用光纤都是高二氧化硅玻璃光纤。目前，通信用光纤都是高二氧化硅玻璃光纤。按按光光纤纤传传播播光光波波的的模模数数来来分分，则则有有多多模模光光纤纤、单单模模光光纤纤两两大大类类。从从传传感感的的角角度度来来分分，可可以分为传输光纤和功能光纤。以分为传输光纤和功能光纤。第36页，共132页，编辑于2022年，星期五7.3.2 光在

35、光纤中传输的基本原理光在光纤中传输的基本原理如如果果有有一一束束光光投投射射到到折折射射率率分分别别为为n1和和n2的的两两种种媒媒质质界界面面上上时时，(设设n1n2)，入入射射光光将将分分为为反反射射光光和和折折射射光光。入入射射角角1与与折折射射角角2之之间间服服从从光的折射定律光的折射定律由由上上式式可可知知，当当入入射射角角1逐逐渐渐增增大大时时，折折射射角角2也也相相应应增增大大。当当1=sin1n2/n1时时，折折射射角角=/2，这这时时入入射射光光线线全全部部返返回回到到原原来来的的介介质质中中去去，这这种种现现象象叫叫光光的的全全反反射射。此此时时的的入入射射角角1=sin1

36、n2/n1叫做临界角。叫做临界角。第37页，共132页，编辑于2022年，星期五在在光光纤纤中中，光光的的传传送送就就是是利利用用光光的的全全反反射射原原理理，当当入入射射进进光光纤纤芯芯子子中中的的光光与与光光纤纤轴轴线线的的交交角角小小于于一一定定值值时时，光光线线在在界界面面上上发发生生全全反反射射。这这时时，光光将将在在光光纤纤的的芯芯子子中中沿沿锯锯齿齿状状路路径径曲曲折折前前进进，但但不不会会穿穿出出包包层层，这这样样就就完完全全避避免免了了光光在传输过程中的折射损耗，如图在传输过程中的折射损耗，如图7-5所示。所示。第38页，共132页，编辑于2022年，星期五图图7-5 光在光

37、学纤维中的传播路径光在光学纤维中的传播路径 第39页，共132页，编辑于2022年，星期五传传输输模模式式是是光光学学纤纤维维最最基基本本的的传传输输特特性性之之一一。若若一一种种光光纤纤只只允允许许传传输输一一个个模模式式的的光光波波、则则称称它它为为单单模模光光纤纤。如如果果一一种种光光纤纤允允许许同同时时传传输输多多个个模模式式的的光光波波，这这种种光光纤纤为为多多模模光光纤纤。光光学学上上把把具具有有一一定定频频率率，一一定定的的偏偏振振状状态态和和传传播播方方向向的的光光波波叫叫做做光光波波的的一一种种模模式式，或或称称光光的的一一种种波波型。型。第40页，共132页，编辑于2022

38、年，星期五多多模模光光纤纤直直径径为为几几十十至至上上百百微微米米，与与光光波波长长相相比比大大很很多多，因因此此，许许多多模模式式的的光光波波进进入入光光纤纤后后都都能能满满足足全全反反射射条条件件，在在光光纤纤中中得得到到正正常常的的传传输输。在在光光纤纤的的输输出出端端可可以以看看到到光光强强度度分分布布的的不不同同花花样样，即即在在输输出出端端出出现现多多个个亮亮斑斑，一一个个亮亮斑斑代代表表多多模模光光纤所传输的一种模式的光波。纤所传输的一种模式的光波。第41页，共132页，编辑于2022年，星期五单单模模光光纤纤的的直直径径非非常常细细，只只有有310m，同同光光波波的的波波长长相

39、相近近。在在这这样样细细的的光光纤纤中中，只只有有沿沿着着光光纤纤轴轴线线方方向向传传播播的的一一种种模模式式的的光光波波满满足足全全反反射射条条件件，在在光光纤纤中中得得到到正正常常的的传传输输。其其余余模模式式的的光光波波由由于于不不满满足足全全反反射射条条件件，在在光纤中传送一段距离后很快就被淘汰。光纤中传送一段距离后很快就被淘汰。第42页，共132页，编辑于2022年，星期五多多模模光光纤纤的的传传输输频频率率主主要要受受到到模模式式色色散散的的限限制制，所所以以传传输输的的信信息息量量不不可可能能很很高高。单单模模光光纤纤不不存存在在模模式式色色散散，所所以以传传输输频频带带比比多多

40、模模光光纤纤宽宽，传传输输的的信信息息容容量量大大。在在大大容容量量、长长距距离离光光纤纤通通信信中中单单模模光光纤纤具具有有美美好好的的应应用用前前景景。但但单单模模光光纤纤直直径径太太细细，制制造造工工艺艺要要求求高高，所所以以目目前前使使用用还还不不普普通通。多多模模光光纤纤由由于于直直径径较较组组，制制造造工工艺艺比比单单模模光光纤纤简简单单些些，在在使使用用中中光光纤纤的的连连接接与与耦耦合合也也比比单单模模光光纤纤容容易易得得多多。目目前前光光通信所使用的光纤，大多是多模光纤。通信所使用的光纤，大多是多模光纤。第43页，共132页，编辑于2022年，星期五7.3.3光纤材料及制造光

41、纤材料及制造1石英玻璃光纤石英玻璃光纤目目前前，国国内内外外所所制制造造的的光光纤纤绝绝大大部部分分都都是是高高二二氧氧化化硅硅玻玻璃璃光光纤纤。为为降降低低石石英英光光纤纤的的内内部部损损耗耗，现现都都采采用用化化学学气气相相反反应应淀淀积积法法制制取取高高纯纯度度的的石石英英预预制制棒棒，再再拉拉丝丝，制制成成低低损损耗耗石石英英光光纤。纤。第44页，共132页，编辑于2022年，星期五CVD法法是是根根据据半半导导体体气气相相生生长长法法发发展展起起来来的的，这这种种方方法法是是用用超超纯纯氧氧气气作作载载气气，把把超超纯纯原原料料气气体体四四氯氯化化硅硅(SiCl4)和和 掺掺 杂杂

42、剂剂 四四 氯氯 化化 锗锗(GeCl4)、三三溴溴化化硼硼(BBr3)、三三氯氯氧氧磷磷(POCl3)等等气气体体输输送送到到以以氢氢氧氧焰焰作作热热源源的的加加热热区区。混混合合气气体体在在加加热热区区发发生生气气相相反反应应，生生成成粉粉末末状状二二氧氧化化硅硅及及添添加加氧氧化化物物。继继续续升升温温加加热热，使使混混合合粉粉料料熔熔融融成成玻玻璃璃态态，制制成成超超纯纯玻玻璃璃顶顶制制棒棒。然然后后，把把预预制制棒棒从从一一端端开开始始加加热热至至1600左左右右(加加热热方方式式可可采采用用高高频频感感应应加加热热、电电阻阻加加热热、氢氢氧氧焰焰加加热热等等)使使料料棒棒熔熔化化，

43、同同时时进进行行拉拉丝丝。纤纤维维的的外外径径由由牵牵引引机机自自动动调调节节控控制制，折折射射率率可可通通过过添添加加氧氧化物的浓度加以调节。化物的浓度加以调节。第45页，共132页，编辑于2022年，星期五2多组分玻璃光纤多组分玻璃光纤多多组组分分玻玻璃璃光光纤纤的的成成分分除除石石英英(SiO2)外外，还还含含有有氧氧化化钠钠(Na2O)、氧氧化化钾钾(K2O)、氧氧化化钙钙(CaO)、三氧化二硼三氧化二硼(B2O3)等其他氧化物。等其他氧化物。多多组组分分光光纤纤采采用用双双坩坩埚埚法法制制造造。坩坩埚埚是是尾尾部部带漏管的内外两层铂坩埚同轴套在一起所组成。带漏管的内外两层铂坩埚同轴套

44、在一起所组成。第46页，共132页，编辑于2022年，星期五多多组组分分玻玻璃璃料料经经过过仔仔细细提提纯纯，芯芯料料玻玻璃璃放放在在内内层层坩坩埚埚里里，包包层层玻玻璃璃放放在在外外层层坩坩埚埚里里。玻玻璃璃料料经经加加热热熔熔化化后后从从漏漏管管中中流流出出。在在坩坩埚埚下下方方有有一一个个高高速速旋旋转转的的鼓鼓轮轮，将将熔熔融融状状态态的的玻玻璃璃拉拉成成一一定定直直径径的的细细丝丝。漏漏孔孔的的直直径径大大小小和和漏漏管管的的长长度度，决决定定着着芯芯子子的的直直径径与与包包层层厚厚度度的的比比值值。如如果果把把漏漏管管加加长长，使使芯芯子子与与包包层层材材料料在在高高温温下下接接触

45、触，通通过过离离子子交交换换，形形成成折折射射率率成成梯梯度度分分布布的的结结构构。通通过过调调节节加热炉炉温及拉丝速度，可控制纤维的总直径。加热炉炉温及拉丝速度，可控制纤维的总直径。第47页，共132页，编辑于2022年，星期五3晶体光纤晶体光纤晶晶体体光光纤纤可可分分为为单单晶晶与与多多晶晶两两类类。单单晶晶光光纤纤的制造方法主要有导模法和浮区溶融法。的制造方法主要有导模法和浮区溶融法。导导模模法法是是把把一一支支毛毛细细管管插插入入盛盛有有较较多多熔熔体体的的坩坩埚埚中中，在在毛毛细细管管里里的的液液体体因因表表面面张张力力作作用用而而上上升升，将将定定向向籽籽晶晶引引入入毛毛细细管管上

46、上端端的的熔熔体体层层中中，并并向向上上提提拉拉籽籽晶晶，使使附附着着的的熔熔体体缓缓慢慢地地通通过过一一个个温温度度梯梯度度区区域域，单单晶晶纤纤维维便便在在毛毛细细管管的的上上端端不不断断生生长，见图长，见图7-6。第48页，共132页，编辑于2022年，星期五图图7-6 导模法生长晶体光纤示意图导模法生长晶体光纤示意图第49页，共132页，编辑于2022年，星期五浮浮区区熔熔融融法法是是先先将将高高纯纯原原料料做做成成预预制制棒棒，然然后后使使用用激激光光束束在在预预制制的的一一端端加加热热，待待其其局局部部熔熔融融后后把把籽籽晶晶引引入入熔熔体体并并按按一一定定速速率率向向上上提提拉拉

47、便便得得到到一一根根单单晶纤维，见图晶纤维，见图7-7。图图7-7 激光区熔法生长红宝石单晶示意图激光区熔法生长红宝石单晶示意图第50页，共132页，编辑于2022年，星期五4红外光纤红外光纤近近年年来来，随随着着高高功功率率激激光光器器的的出出现现，需需要要与与之之相相配配的的红红外外光光纤纤。目目前前正正在在研研究究的的有有重重金金属属氧氧化化物物玻玻璃璃、卤卤化化物物玻玻璃璃、硫硫系系玻玻璃璃和和卤卤化化物物晶晶体体等。等。第51页，共132页，编辑于2022年，星期五重重金金属属氧氧化化物物玻玻璃璃主主要要指指比比重重较较石石英英玻玻璃璃大大的的氧化物玻璃如氧化物玻璃如GeO2，GeO

48、2-SbO3，CaO-Al2O3等。等。卤卤化化物物玻玻璃璃主主要要有有BeF2，BaF2-CaF2-YF3-AlF3，GdF3-BaF2-ZrF4等。等。硫硫系系玻玻璃璃主主要要指指以以S，Se，Te等等元元素素为为主主体体的单元或多元玻璃化合物。的单元或多元玻璃化合物。第52页，共132页，编辑于2022年，星期五7.4 7.4 红外材料红外材料7.4.1 红外线的基本性质红外线的基本性质1800年年，英英国国物物理理学学家家赫赫舍舍尔尔发发现现太太阳阳光光经经棱棱镜镜分分光光后后所所得得到到光光谱谱中中还还包包含含一一种种不不可可见见光光。它它通通过过棱棱镜镜后后的的偏偏折折程程度度比比

49、红红光光还还小小，位位于红光谱带的外侧，所以叫红外线。于红光谱带的外侧，所以叫红外线。第53页，共132页，编辑于2022年，星期五红红外外线线同同可可见见光光一一样样在在本本质质上上都都是是电电磁磁波波。它它的的波波长长范范围围很很宽宽，从从0.7m到到1000m。红红外外线线按按波波长长可可分分为为三三个个光光谱谱区区：近近红红外外(0.715m)，中中红红外外(1550m)和和远远红红外外(501000m)。红红外外线线与与可可见见光光一一样样，具具有有波波的的性性质质和和粒粒子子的的性性质质，遵遵守守光光的的反反射射和和折折射射定定律律，在在一一定定条条件件下下产产生生干干涉和衍射效应

50、。涉和衍射效应。第54页，共132页，编辑于2022年，星期五红红外外线线与与可可见见光光不不同同之之处处：(1)红红外外线线对对人人的的肉肉眼眼是是不不可可见见的的；(2)在在大大气气层层中中，对对红红外外波波段段存存在在着着一一系系列列吸吸收收很很低低的的“透透明明窗窗”。如如11.1m，1.61.75m，2.12.4m，3.44.2m等等波波段段，大大气气层层的的透透过过率率在在80以以上上。812m波波段段，透透过过率率为为6070。这这些些特特点点导导致致了了红红外外线线在在军军事事、工程技术和生物医学上的许多实际应用。工程技术和生物医学上的许多实际应用。第55页，共132页，编辑于