材料物理与力学性能光学.ppt

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1、 任何形式的能量，激发电子从价带进入导带，任何形式的能量，激发电子从价带进入导带，当其返回到价带时便发射出光子。当其返回到价带时便发射出光子。如果这些光子的波长在可见光范围内，便产生如果这些光子的波长在可见光范围内，便产生了发光现象。发光是辐射能量以可见光的形式出现。了发光现象。发光是辐射能量以可见光的形式出现。上述机制所发出的光称为上述机制所发出的光称为冷光冷光。荧光和磷光荧光和磷光4.3 材料的发光材料的发光发光和热辐射发光和热辐射荧光和磷光荧光和磷光荧光：当激发去除后荧光：当激发去除后10-8s内发出的光称为荧光。内发出的光称为荧光。光子光子激发激发导带导带价带价带Eg激发激发导带导带价

2、带价带EdEg光子光子磷光磷光 发光强度：发光强度：发磷光的材料往往含有杂质并在能隙附近建立了施主能级。发磷光的材料往往含有杂质并在能隙附近建立了施主能级。光子发射时间延光子发射时间延迟。当陷阱中的电子迟。当陷阱中的电子逐渐逸出时，跳回价逐渐逸出时，跳回价带发射光子。带发射光子。1568年，年，Cellini，第一位观察到自然磷光现象第一位观察到自然磷光现象 1600年，人工合成磷光材料年，人工合成磷光材料1853年，确定发荧光的时间为年，确定发荧光的时间为100s，现在定为，现在定为10ns。发光时间很短、仅为发光时间很短、仅为10ns 的光叫荧光。的光叫荧光。荧光和磷光区别荧光和磷光区别

3、激发停止后的一段时间内仍能发光的复杂晶体无机激发停止后的一段时间内仍能发光的复杂晶体无机物质叫物质叫磷光体磷光体。根据发光时间区分：根据发光时间区分：高的发光效率；高的发光效率；发光色彩；发光色彩；适当的余辉时间适当的余辉时间(afterglow time)；余辉时间，就是发光后其强度降到原强度余辉时间，就是发光后其强度降到原强度1/10时所需要的时间。时所需要的时间。材料与基体结合力强等。材料与基体结合力强等。对磷光体材料的要求对磷光体材料的要求磷光体磷光体ZnS CdS Ag Cu Mn=基体基体+激活剂激活剂ZnS：Ag 蓝光蓝光Zn，CdS：Cu，Al 黄光黄光Zn2SiO4：Mn 绿

4、光绿光 荧光灯的组成：灯头、阴极、内壁涂有荧光粉的玻璃灯管。灯管内封有气压很低的汞蒸气和惰性气体。发光原理：高电压使得灯管内的汞蒸气发生气体放电，此时产生大量的紫外线，波长为254nm，紫外线激发灯管内壁上的荧光粉，从而发出可见光。荧光灯4.2.1.2 LED（发光二极管）（发光二极管）当当pn结二极管加上一正向电压时，其正向电流是结二极管加上一正向电压时，其正向电流是所加电压的函数。该正向电流造成结面的载流子所加电压的函数。该正向电流造成结面的载流子过剩。构成过剩。构成p区少数载流子的注入，虽然扩散使其区少数载流子的注入，虽然扩散使其离开界面，但它们可能跨过带隙产生复合，则离开界面，但它们可

5、能跨过带隙产生复合，则GaAs：Eg=1.44eV，g=0.86mGaP：Eg=2.26eV，g=0.55m发光强度i 正比于通过界面注入的少子数，或者正比于电流I：二极管发光强度与所加正向偏压具有指数的关 系。发光二极管的特点：能源利用率高。半导体灯几乎完全用于发光，而白炽灯只有5%用于发光，95%的能量消耗于发热。荧光灯的能源利用率也只有20%30%；节省能源。同样发光效果的二极管所耗的能量只有白炽灯的1/10。长寿命。同样功率的发光二极管的使用寿命是白炽灯的100倍。4.2.1.3 热辐射热辐射温度增加温度增加电子激发电子激发跃迁回正常态跃迁回正常态 光子发射光子发射由温度所决定的电磁辐

6、射称为由温度所决定的电磁辐射称为热辐射热辐射。任何物体在任何物体在任何温度下任何温度下都不断向周围空间发射电磁波，都不断向周围空间发射电磁波，其波谱是其波谱是连续连续的。的。微观机制微观机制室温下，物体在单位时间内辐射的能量很少，辐射能大多分布在波长较长的区域。电磁辐射与温度的关系温度升高，单位时间内辐射的能量迅速增加，辐射能中短波部分所占比例也逐渐增大。温度继续升高，辐射能中短波部分所占比例更高，可见光波段比例增加，物体由暗红色，逐渐变为赤红、黄、蓝、最后白色。4.2.2 激光激光 激激光光（LaserLaser）是是受受激激辐辐射射光光放放大大的的简简称称，是是一一种种单单色色性性好好,亮

7、度高、相干性强、方向性好的相干光束。亮度高、相干性强、方向性好的相干光束。激激光光技技术术是是2020世世纪纪6060年年代代后后发发展展起起来来的的一一门门技技术术，它它带带动动了了傅傅里里叶叶光光学学、全全息息术术、光光学学信信息息处处理理、光光纤纤通通信信、非非线线性性光光学和激光光谱学等学科的发展，形成了现代光学。学和激光光谱学等学科的发展，形成了现代光学。电子跃迁(荧光与磷光)、热辐射所发射的光子都是随机、独立的，即产生的光波不具有相干性。激光的特点激光是在外来光子的激发下诱发电子能态的转变，从而发射出与外来光子的频率、相位、传输方向以及偏振态均相同的相干光波。1、激光工作原理、激光

8、工作原理泵浦。在外界能源(电源或光源)的激励下，基态上的粒子被抽运到激发态上。粒子数反转。当亚稳态上的粒子数多于基态上的粒子数时，实现了粒子数的反转。受激辐射。当由于某种原因使粒子从激发态跃迁到基态时，激光产生。亚稳态能级更好地为粒子数反转创造条件。亚稳态能级更好地为粒子数反转创造条件。不受外界能量的影响，只是由于原子内部运动规律导致从受激高能态返回基态，同时发出光子的跃迁，叫做自发辐射跃迁。由此产生的光不是激光，没有相干性。自发辐射受激辐射由于入射光子的感应或激励，导致激发原子从高能级跃迁到低能级去，这个过程称为受激跃迁或感应跃迁。这种跃迁辐射叫做“受激辐射”。受激辐射出来的光子与入射光子有

9、着同样的特征，如频率、相位、振辐以及传播方向等完全一样。激光器的组成三要素工作物质激励能源又称泵浦实现粒子数反转。光学谐振腔两个高度平行的镀银面之间形成的空间。4.2.2.2 激光工作物质激光工作物质工作物质又称激光晶体，由基质晶体与激活离子组成。基质晶体决定激光晶体的物理化学性质。激活离子的能级结构决定激光晶体的光谱特性。离子受基质的影响会导致光谱特性变化。离子对基质的影响会导致物理化学性质变化。工作物质按激活离子的能级特点分为：三能级系统(红宝石激光器)四能级系统(YAG激光器)四能级系统的工作效率高。红宝石激光器 三能级系统工作物质：Cr3+:Al2O3(0.05%Cr3+)Cr3+离子

10、提供了产生激光的所必要的电子能态。将红宝石制成柱状，两端为高度抛光互相平行的平面；一个端面部分镀银，能部分透光；另一端面充分镀银，使之对光波有完全反射作用；在激光管内，用氙气闪光灯辐照红宝石。红宝石被辐照之前Cr3+都处于基态，在氙气闪光灯(波长560 nm)照射下，Cr3+离子中的电子受激转变为高能态，造成粒子数反转。当有几个电子自发地从亚稳态返回基态时，带动更多电子以“雪崩”形式返回基态，从而发射出愈来愈多的光子。氙灯在绿色和蓝色的光谱波段有较强的光束输出，正好与红宝石的吸收光谱对应起来。闪光灯的大部分输入能量耗散为热，只有一部分变成光能为红宝石所吸收。钇铝石榴石激光器 四能级系统钇铝石榴

11、石激光器的工作物质：Nd3+-Y3Al5O12(Nd3+:YAG)(0.5%2%)激光工作物质有固体、液体和气体。固体激光器是最重要的一种。激活离子密度大；振荡频带宽；能产生谱线窄的光脉冲；具有良好的机械性能和稳定的化学性能。固体激光器分类掺杂型激光晶体 掺杂稀土激活离子(Nd3+:YAG)；掺杂过渡族激活离子(Cr3+:Al2O3)高辐射效率、长辐射寿命，且与闪光灯光谱匹配。激活离子浓度增加到一定程度时，就产生浓度猝灭效应，使激光寿命下降。自激活激光晶体 激活离子做为晶体一种组分而存在。激活浓度高，很薄的晶体可得到足够大的增益，有利于高效、小型化。可调谐激光晶体 利用过渡金属d-d 跃迁易受

12、晶格影响的特点使激光波长在一定范围内可调谐。半导体激光器 特点：体积小、效率较高、运行简单、便宜。缺点：单色性差4.2.2.3 半导体激光器半导体激光器（1）工作原理）工作原理Eg空导带空导带满价带满价带 T=0K注入电子注入电子光照射光照射电子轰击电子轰击h电子电子空穴空穴单色性差单色性差设定半导体温度处于0K，电子受某种激发从价带跃迁到导带，使导带和价带间发生粒子数反转。当导带电子和空穴复合时，形成受激辐射。条件：条件：为满足粒子数反转的条件，必须使倒带的费米分布为满足粒子数反转的条件，必须使倒带的费米分布函数函数fc大于价带的费米分布函数大于价带的费米分布函数fv。可以证明，只要电子和空

13、穴的准费米能级差大于入可以证明，只要电子和空穴的准费米能级差大于入射光子的能量，作为激光工作物质的半导体就可以射光子的能量，作为激光工作物质的半导体就可以实现粒子数反转。实现粒子数反转。构成激光器的半导体材料一定是直接带隙半导体。构成激光器的半导体材料一定是直接带隙半导体。谐振腔谐振腔激活层厚度约激活层厚度约2m。激光波长激光波长837nm（4.24K）。）。AlxGa1-xAsn（2）半导体激光材料）半导体激光材料双外延注入激光器（双外延注入激光器（DH）Al的引入提高能隙，降低折射指数，界面应变小的引入提高能隙，降低折射指数，界面应变小GaAs InP InAs GaAspAlxGa1-x

14、As p电流电流近紫外近紫外红外红外半导体量子阱激光器作为泵浦光源，光半导体量子阱激光器作为泵浦光源，光谱匹配度好，转换效率高，热效应低。谱匹配度好，转换效率高，热效应低。全息照相全息照相全息术全息术（holography）是利用光的干涉和利用光的干涉和衍射原理衍射原理，将携带物质信息的光波以干涉图的形式记录下来，并且在一定的条件下使其再现，形成原物体逼真的立体象。由由于记录了物体的全部信息，包括振幅和相于记录了物体的全部信息，包括振幅和相位因此称为全息术位因此称为全息术。为了提高电子显微镜的分辨本领，为了提高电子显微镜的分辨本领，伽伯伽伯（D.Gabor，19001979）在）在1948年提

15、出了年提出了全息术原理全息术原理，并开始了全息照相，并开始了全息照相（holography）的早期研究工作。）的早期研究工作。那时的主要问题是再现的那时的主要问题是再现的原始象与其共轭象不能分离原始象与其共轭象不能分离，以及，以及没有好的没有好的相干光源相干光源。1960年出现了激光以后，年出现了激光以后，1962年莱特（年莱特（E.Leith）和乌帕特尼）和乌帕特尼克斯（克斯（J.Upatnieks）在全息术中利用了激光，并提出了）在全息术中利用了激光，并提出了离轴离轴全息术全息术，使全息技术迅速发展成为科学技术的一个新领域。，使全息技术迅速发展成为科学技术的一个新领域。激光记录和白光再现的

16、全息术，例如反射全息、象全息、彩激光记录和白光再现的全息术，例如反射全息、象全息、彩虹全息以及合成全息等，使全息术在显示方面展现出了它的虹全息以及合成全息等，使全息术在显示方面展现出了它的优越性，并逐步深入到了社会的各个领域中。优越性，并逐步深入到了社会的各个领域中。而且，而且，声全息术和微波全息术声全息术和微波全息术等也已经开始发展，但进展远等也已经开始发展，但进展远不如光学全息术。不如光学全息术。全息照片的获得全息照片的获得光的干涉光的干涉 由激光器发出的激光束，通过分光镜分由激光器发出的激光束，通过分光镜分成两束。成两束。透镜全反镜全息干板物体透镜全反镜 全息照片的拍摄全息照片的拍摄分光

17、镜电快门干涉条纹的间距：干涉条纹的间距：d=/2sin(/2)一束称物光，它是经过透镜扩束后射向一束称物光，它是经过透镜扩束后射向物体，再由物体反射后投向全息干版；物体，再由物体反射后投向全息干版；另一束光经反射镜反射和透镜扩束后直另一束光经反射镜反射和透镜扩束后直接照到全息干版上，称为参考光。接照到全息干版上，称为参考光。在干版上相遇后，发生干涉，形成干涉在干版上相遇后，发生干涉，形成干涉条纹。它是无数组干涉条纹的集合，最条纹。它是无数组干涉条纹的集合，最终形成一肉眼不能识别的全息图。终形成一肉眼不能识别的全息图。He-Ne激光器全息照片的再现全息照片的再现光的衍射光的衍射感光以后的全息底片

18、经显影、定影等处理得到的全息照感光以后的全息底片经显影、定影等处理得到的全息照片上，记录了无数干涉条纹，相当于一个片上，记录了无数干涉条纹，相当于一个“衍射光栅衍射光栅”，一般是用相同于拍摄时的激光作为照明光，照明光经全一般是用相同于拍摄时的激光作为照明光，照明光经全息照片（即息照片（即“光栅光栅”）便发生衍射，得到一列沿照射方）便发生衍射，得到一列沿照射方向传播的零级衍射光波和二列一级衍射波。向传播的零级衍射光波和二列一级衍射波。共轭实像三维虚像全息照片激光 全息照片的再现全息照片的再现4.4耦合光学效应耦合光学效应(电电光效应、光折变效应、非线性光光效应、光折变效应、非线性光学效应学效应)

19、自然光自然光：一般光源发出的光中，包含着各个方向的光矢：一般光源发出的光中，包含着各个方向的光矢量在所有可能的方向上的振幅都相等（轴对称）这样的光叫量在所有可能的方向上的振幅都相等（轴对称）这样的光叫自然光自然光.自然光以两互相自然光以两互相垂直垂直的互为独的互为独立的立的 （无确定无确定的的相位相位关系）振幅相关系）振幅相等的光振动表示等的光振动表示,并各具有并各具有一半一半的的振动能量振动能量.符号表示符号表示注意注意 各光矢量间无固定的相位关系各光矢量间无固定的相位关系.二二互相互相垂直方向是任选的垂直方向是任选的.4.4.1 相关预备知识相关预备知识偏振光偏振光 偏振光偏振光（线偏振光

20、）（线偏振光）符号表示符号表示 部分偏振光部分偏振光：某一方向的光振动比与之垂直方：某一方向的光振动比与之垂直方向上的光振动占优势的光为部分偏振光向上的光振动占优势的光为部分偏振光.符号表示符号表示光振动只沿某一固定方向的光光振动只沿某一固定方向的光.振动面振动面椭圆偏振光可用两列沿同一方向传播的频率相等、振动椭圆偏振光可用两列沿同一方向传播的频率相等、振动方向相互垂直的线偏振光叠加得到。这两列线偏振光的方向相互垂直的线偏振光叠加得到。这两列线偏振光的相位差不等于相位差不等于0、；如果二线偏振光的振幅相等，它们；如果二线偏振光的振幅相等，它们的相位差应不等于的相位差应不等于0、/2、。空气空气

21、布儒斯特角和马吕斯定律布儒斯特角和马吕斯定律 入射面入射面 入射光线和法线所入射光线和法线所成的平面成的平面.反射光反射光 部分部分偏振光偏振光 ，垂，垂直于入射面的振动大于平行于入直于入射面的振动大于平行于入射面的振动射面的振动.折射光折射光 部分部分偏振光，平行于入射面的振动大于垂直于偏振光，平行于入射面的振动大于垂直于入射面的振动入射面的振动.理论和实验证明理论和实验证明：反射光的偏振化程度与入射角有关：反射光的偏振化程度与入射角有关.玻璃玻璃布儒斯特定律布儒斯特定律（1812年）年）反射光为完全偏振光，且反射光为完全偏振光，且振动面垂直入射面，折射振动面垂直入射面，折射光为部分偏振光。

22、光为部分偏振光。当当 时，时，玻璃玻璃空气空气NM马吕斯定律马吕斯定律（1880 年）年）检偏器检偏器起偏器起偏器NM 马吕斯定律马吕斯定律 强度为强度为 的偏振的偏振光通过检偏振器后光通过检偏振器后,出射光的强度为出射光的强度为 某些各向异性晶体（如方解石和石英等）具有某些各向异性晶体（如方解石和石英等）具有双折射双折射现象现象。当一束自然光射到这些晶体上时，晶体内会有两束。当一束自然光射到这些晶体上时，晶体内会有两束折射光，它们均为平面偏振光，且偏振方向垂直。折射光，它们均为平面偏振光，且偏振方向垂直。eo自然光自然光晶体的双折射晶体的双折射 其中一束满足折射定律，称为寻常光（或其中一束满

23、足折射定律，称为寻常光（或O光光）,另一束不另一束不满足折射定律，称为非常光（或满足折射定律，称为非常光（或e光光）。）。干干涉涉4.4.1.3 双折射和光折射率椭球体双折射和光折射率椭球体 对晶体而言，有一特定方向对晶体而言，有一特定方向,当光线沿此方向入射时，不会产当光线沿此方向入射时，不会产生双折射现象，该方向称为晶体的生双折射现象，该方向称为晶体的光轴光轴。如图所示，一单色平面偏振光垂直入射在各向异性的晶体平如图所示，一单色平面偏振光垂直入射在各向异性的晶体平板上，其光轴平行于晶体表面。当入射平面偏振光的偏振化方板上，其光轴平行于晶体表面。当入射平面偏振光的偏振化方向与晶体光轴夹角为向

24、与晶体光轴夹角为，则光轴方向上产生，则光轴方向上产生e光光，垂直光轴方向产，垂直光轴方向产生生o光光，在晶体内，两光束虽沿，在晶体内，两光束虽沿同一方向同一方向传播，但有不同的速度。传播，但有不同的速度。透过晶体板后，透过晶体板后，o光和光和e光之间产生一定的光之间产生一定的相位差相位差。对于给定的波。对于给定的波长，如果晶体板的厚度恰好使长，如果晶体板的厚度恰好使o光和光和e光的相位差为光的相位差为 ，即相位，即相位差为差为 ,则出射光线的电矢量由两个垂直的、相位差为则出射光线的电矢量由两个垂直的、相位差为 的的o光光和和e光振动的合成。光振动的合成。能够产生双折射的晶体。都是具有各向异性结

25、构的。能够产生双折射的晶体。都是具有各向异性结构的。晶体的光轴：光沿此方向入射时无双折射。晶体的光轴：光沿此方向入射时无双折射。方解石晶体，亦称冰洲石晶体，即方解石晶体，亦称冰洲石晶体，即CaCO3，碳酸钙的六，碳酸钙的六角晶系，就是一种典型的负单轴双折射晶体。角晶系，就是一种典型的负单轴双折射晶体。石英（水晶）、红宝石、冰等正单轴双折射晶体。云石英（水晶）、红宝石、冰等正单轴双折射晶体。云母、蓝宝石、橄榄石、硫黄等是双轴双折射晶体母、蓝宝石、橄榄石、硫黄等是双轴双折射晶体o光：振动方向垂直于主平面，即电矢量垂直于光轴。光：振动方向垂直于主平面，即电矢量垂直于光轴。e光：振动方向平行于主平面，

26、即电矢量在光：振动方向平行于主平面，即电矢量在e光主平面内。光主平面内。折射率椭球折射率椭球光频范围内光频范围内主折射率：主折射率：nx ny nz由光的电磁理论可知：电感应在晶体内的传播可用以椭由光的电磁理论可知：电感应在晶体内的传播可用以椭球体表示，他的三个半轴长分别与主折射率成正比，故球体表示，他的三个半轴长分别与主折射率成正比，故称此球为折射率椭球。称此球为折射率椭球。折射率椭球的物理意义折射率椭球的物理意义（1）根据入射光的方向可以判断偏振光振动方向和折射率。）根据入射光的方向可以判断偏振光振动方向和折射率。（2）直观解释光轴、单轴和双轴晶体的意义。）直观解释光轴、单轴和双轴晶体的意

27、义。光各向同性体光各向同性体4.4.2 电光效应电光效应由于外加电场所引起的材料折射率变化的效应由于外加电场所引起的材料折射率变化的效应线性电光效应（线性电光效应（Pockels电光效应）电光效应）没有对称中心的晶体，外加电场与没有对称中心的晶体，外加电场与n的折射关系具有一的折射关系具有一次电光效应。次电光效应。旋转椭球体旋转椭球体单轴晶体单轴晶体三轴椭球光折射率体三轴椭球光折射率体对于电光陶瓷对于电光陶瓷电光系数电光系数二次电光效应（二次电光效应（Kerr电光效应）电光效应）具有对称中心或结构任意混乱的介质，不具具有对称中心或结构任意混乱的介质，不具有一次电光效应，只具有二次电光效应。有一

28、次电光效应，只具有二次电光效应。对于光各向同性材料对于光各向同性材料K：电光克尔常数：电光克尔常数：入射光真空波长：入射光真空波长电光材料与应用电光材料与应用：（1）纵向）纵向KDP光调制器光调制器偏振片1透透明明电电极极透透明明电电极极压压电电晶晶体体KDP偏振片2 KDPKDP（磷酸二氢钾）是一种无对称中心（磷酸二氢钾）是一种无对称中心的晶体，沿某一特定方向施加电场后，在的晶体，沿某一特定方向施加电场后，在晶体内能对某种方向的入射光产生双折射晶体内能对某种方向的入射光产生双折射（2）电光陶瓷快门偏振片1偏振片2在装有平行板电容器的透明盒内，在装有平行板电容器的透明盒内，充以某种特定的液体（

29、如硝基苯）充以某种特定的液体（如硝基苯）接入极间电压，使两极板间产生电场，液体变成各向异性媒质，并产生双折射，系统末端有光输出，其响应极快，信号频率可高达 10 Hz,能用作高速“光阀门”。1010（2）电光陶瓷快门）电光陶瓷快门4.5 光导纤维光导纤维4.4.1 概述概述光纤通讯优点：损耗低、频带宽、尺寸小、质量轻，抗干扰光纤通讯优点：损耗低、频带宽、尺寸小、质量轻，抗干扰光纤分类：光纤分类：普通光纤普通光纤 特种光纤特种光纤4.5.2 通讯光纤的构成与分类通讯光纤的构成与分类结构结构芯部芯部+包覆层包覆层+保护层保护层非晶非晶SiO2+高硅玻璃高硅玻璃+尼龙增强材料尼龙增强材料纤芯n150

30、m125m分类：分类：按折射率变化分类按折射率变化分类突变光纤、渐变光纤突变光纤、渐变光纤按传播模式分类按传播模式分类单模光纤、多模光纤单模光纤、多模光纤按材料分类按材料分类玻璃光纤、塑料光纤玻璃光纤、塑料光纤光线n2n1nr2b2a(a)单模阶跃折射率光纤(b)多模阶跃折射率光纤光线r2b2ann1n24.5.3 光纤的传输模式、损耗、色散光纤的传输模式、损耗、色散光纤传输几何模型光纤传输几何模型 假设有三种不同情况的电磁波在材料中传播：假设有三种不同情况的电磁波在材料中传播：一是在芯部并向界面传播一是在芯部并向界面传播 第二种情况是电磁波从界面反射并在芯部传播第二种情况是电磁波从界面反射并

31、在芯部传播 第三种情况是电磁波从界面离去并在包覆层内传播第三种情况是电磁波从界面离去并在包覆层内传播光束光束界面界面芯部芯部 n1包覆层包覆层 n 21221n2/n1=0.99，临临=0.142传播损耗：传播损耗：（1）散射损耗散射损耗 散射损耗是由于光纤材料密度的微观变化、成分散射损耗是由于光纤材料密度的微观变化、成分的起伏、结构上的不完善以及制造过程中产生的缺陷造成的。光在的起伏、结构上的不完善以及制造过程中产生的缺陷造成的。光在不均匀的介质中传播将被散射，散射效应不均匀的介质中传播将被散射，散射效应破坏了在纤芯包层边界保破坏了在纤芯包层边界保持全反射的条件持全反射的条件，部分光会穿出纤

32、芯，造成功率损耗。这种散射也，部分光会穿出纤芯，造成功率损耗。这种散射也称为瑞利散射。它与波长的四次方成反比，在为称为瑞利散射。它与波长的四次方成反比，在为1550nm时，瑞利时，瑞利散射损耗为散射损耗为0.154dB/km。（2）吸收损耗吸收损耗 在光纤制造过程，光纤中的氧与氢相结合会形成在光纤制造过程，光纤中的氧与氢相结合会形成OH离离子子时，会对时，会对1390nm和和940nm的光造成大量的吸收。为了降低光纤的吸收损的光造成大量的吸收。为了降低光纤的吸收损耗，已经研制出全波长光纤，它可在耗，已经研制出全波长光纤，它可在1200nm1650nm范围内将损耗做得范围内将损耗做得很低。很低。

33、OH离子也可以是因为氢气进入光纤内部形成的，在含有很多氢气的离子也可以是因为氢气进入光纤内部形成的，在含有很多氢气的环境中使用光纤，或者光缆的金属部分在水中因腐蚀产生氢气时，有可能出环境中使用光纤，或者光缆的金属部分在水中因腐蚀产生氢气时，有可能出现光纤损耗大量增加的现象。现光纤损耗大量增加的现象。我们将我们将OH离子引起的衰减称为杂质吸收损耗。除此之外，还有光纤离子引起的衰减称为杂质吸收损耗。除此之外，还有光纤石英材料（石英材料（SiO2）固有的吸收，称之为）固有的吸收，称之为内部吸收内部吸收。当波长大于。当波长大于2m时，石英时，石英材料会产生谐振吸收光能，吸收带延伸到材料会产生谐振吸收光

34、能，吸收带延伸到1500nm1700nm波段，形成了波段，形成了光纤工作波长的上限。常用的石英光纤，内部吸收损耗在光纤工作波长的上限。常用的石英光纤，内部吸收损耗在1550nm时，约为时，约为0.02dB/km，但当波长为，但当波长为1700nm时，损耗增至时，损耗增至0.32dB/km，所以将，所以将1650nm看作为石英光纤工作波长的上限看作为石英光纤工作波长的上限。(3)弯曲损耗弯曲损耗 由于光纤的敷设中，不可避免地会遇到需要弯曲的场所，光线从光由于光纤的敷设中，不可避免地会遇到需要弯曲的场所，光线从光纤的平直部分进入弯曲部位时，原来的束缚光线在弯曲部位的入射角减纤的平直部分进入弯曲部位

35、时，原来的束缚光线在弯曲部位的入射角减小，使得光纤纤芯和包层界面上的全反射条件遇到破坏，光束的一部分小，使得光纤纤芯和包层界面上的全反射条件遇到破坏，光束的一部分就从光纤的纤芯中逃离出去，造成到达目地的光功率比从光源发出的进就从光纤的纤芯中逃离出去，造成到达目地的光功率比从光源发出的进入光纤时的光功率小，这就是弯曲损耗，如图所示。入光纤时的光功率小，这就是弯曲损耗，如图所示。C包层纤芯 弯曲损耗是光信息传输所受衰减的主要原因之一，它与光纤敷设弯曲损耗是光信息传输所受衰减的主要原因之一，它与光纤敷设的弯曲半径有关，最小弯曲半径常作为光纤的一项参数给出。关于最小的弯曲半径有关，最小弯曲半径常作为光

36、纤的一项参数给出。关于最小弯曲半径的经验数据是，对于长期应用，弯曲半径应超出光纤包层直径弯曲半径的经验数据是，对于长期应用，弯曲半径应超出光纤包层直径的的150倍；对短期应用，应超过包层直径的倍；对短期应用，应超过包层直径的100倍。如果包层直径为倍。如果包层直径为125m的话，这两个数值分别的话，这两个数值分别19mm和和13mm。弯曲损耗的另一种形式是微弯损耗，它是由光纤受到侧向应力而弯曲损耗的另一种形式是微弯损耗，它是由光纤受到侧向应力而产生微小形变而引起的，同样因不满足全反射条件而造成能量的漏泄。产生微小形变而引起的，同样因不满足全反射条件而造成能量的漏泄。利用光纤的弯曲损耗特性，可以

37、在光纤链路上引入一些利用光纤的弯曲损耗特性，可以在光纤链路上引入一些可控的衰减可控的衰减。在需要对光进行可控衰减时，通过将光纤绕上几圈就可以实现，所绕圈在需要对光进行可控衰减时，通过将光纤绕上几圈就可以实现，所绕圈数和半径均可控制衰减量。数和半径均可控制衰减量。延时失真延时失真当光脉冲在光纤中传播时，脉冲可能扩展，这种现象称为延时失当光脉冲在光纤中传播时，脉冲可能扩展，这种现象称为延时失真。也称为色散。真。也称为色散。1.模式色散模式色散 在多模光纤中，纤芯的直径比较大，光源入射到纤芯中的光以一组在多模光纤中，纤芯的直径比较大，光源入射到纤芯中的光以一组独立的光线传播，这组光线以不同的入射角传

38、播，入射角的范围从零度独立的光线传播，这组光线以不同的入射角传播，入射角的范围从零度（直线）到临界传播角，如图，我们将这些不同传播角传输的光线称为（直线）到临界传播角，如图，我们将这些不同传播角传输的光线称为不同的模式。在多模光纤中可以传播数百个模式的光波，显然，以临界不同的模式。在多模光纤中可以传播数百个模式的光波，显然，以临界传播角入射的光线经历的路程最长，所以它的轴向传播速度最慢；而与传播角入射的光线经历的路程最长，所以它的轴向传播速度最慢；而与光纤横截面垂直入射的光线传播速度最快。光纤横截面垂直入射的光线传播速度最快。不同入射角的光线代表不同的模式不同入射角的光线代表不同的模式纤芯光

39、源包层对于入射的光脉冲（在数字信号中表示对于入射的光脉冲（在数字信号中表示1），它可以分解成各个模式所携带），它可以分解成各个模式所携带一组脉冲，如图，由于它们各自在光纤中传输的时间不同，到光纤的输出端，一组脉冲，如图，由于它们各自在光纤中传输的时间不同，到光纤的输出端，各个模式的光脉冲组合起来，就形成了一个脉宽增加的光脉冲。各个模式的光脉冲组合起来，就形成了一个脉宽增加的光脉冲。脉冲因多个模式而起的展宽脉冲因多个模式而起的展宽-模式色散模式色散光源0纤芯包层1230123TTt我们将因多个不同模式的存在而引起脉冲展宽称为模式色散或我们将因多个不同模式的存在而引起脉冲展宽称为模式色散或模间色散

40、。脉冲展宽的计算如下：设光纤的长度为模间色散。脉冲展宽的计算如下：设光纤的长度为L，最低模式，最低模式（也称为零级模式）沿中心轴线到达光纤输出端所需时间为（也称为零级模式）沿中心轴线到达光纤输出端所需时间为习惯上记习惯上记式中，为光在折射率为式中，为光在折射率为n1的纤芯中传输的速度，的纤芯中传输的速度，c为真空中为真空中的光速传输，最高模式（以临界角传播的光线）所需时间的光速传输，最高模式（以临界角传播的光线）所需时间式中，式中，C为临界传播角，为临界传播角，脉冲展宽时间脉冲展宽时间 显然，如果光纤中传输的光只有零级模式，就可以消除模间色显然，如果光纤中传输的光只有零级模式，就可以消除模间色

41、散；如果减小纤芯直径的尺寸，就可以减少模式数量；另外，减小散；如果减小纤芯直径的尺寸，就可以减少模式数量；另外，减小相对折射率，也可以有效地控制模间色散，这些就是单模光纤设计相对折射率，也可以有效地控制模间色散，这些就是单模光纤设计的基本思路。典型的单模光纤的纤芯直径和相对折射率分别是的基本思路。典型的单模光纤的纤芯直径和相对折射率分别是8.3m和和0.37%，而渐变折射率光纤这两者的数值分别是，而渐变折射率光纤这两者的数值分别是50m和和2%。2.波导色散波导色散 引起波导色散的原因是：进入单模光纤中的光信号功率大约只有引起波导色散的原因是：进入单模光纤中的光信号功率大约只有80%在纤芯中传

42、播，另外在纤芯中传播，另外20%在包层传输，由于纤芯和包层有着不同在包层传输，由于纤芯和包层有着不同的折射率，所以这两部分的传输速度不同，在包层中传播的光功率速的折射率，所以这两部分的传输速度不同，在包层中传播的光功率速度要更大一些，因而在光纤输出端，脉冲会展宽。度要更大一些，因而在光纤输出端，脉冲会展宽。波导色散引起的单位长度脉冲展宽可由下式计算：波导色散引起的单位长度脉冲展宽可由下式计算：式中式中 是波导色散系数，单位为是波导色散系数，单位为 ,它与光纤的设计参它与光纤的设计参数有关，数有关，为光源的线宽，即光源辐射光的波长范围，为光源的线宽，即光源辐射光的波长范围，L为光纤长度。为光纤长

43、度。3.材料色散材料色散 材料色散是由于纤芯材料的折射率随波长变化，使得各个模式的群材料色散是由于纤芯材料的折射率随波长变化，使得各个模式的群速率（光脉冲包络线速度）都会随着波长的变化而造成的。在单模光速率（光脉冲包络线速度）都会随着波长的变化而造成的。在单模光纤内，即使光经过完全相同的路径，也会发生脉冲的展宽，因为光纤内，即使光经过完全相同的路径，也会发生脉冲的展宽，因为光源发出的光不是单一波长的，而是存在一定的波长范围。源发出的光不是单一波长的，而是存在一定的波长范围。孔径数孔径数 光源与光纤端面之间存在着空气缝隙，入射到光纤端面上的光，一部光源与光纤端面之间存在着空气缝隙，入射到光纤端面

44、上的光，一部分是不能进入光纤的，而能进入光纤端面内的光也不一定能在光纤中传分是不能进入光纤的，而能进入光纤端面内的光也不一定能在光纤中传输，只有符合特定条件的光才能在光纤中发生全内反射而传播到远方。输，只有符合特定条件的光才能在光纤中发生全内反射而传播到远方。由图可知，只有从空气缝隙到光纤端面光的入射角小于由图可知，只有从空气缝隙到光纤端面光的入射角小于o，入射到光纤，入射到光纤里的光线才能传播。实际上里的光线才能传播。实际上o是个空间角，也就是说如果光从一个限制是个空间角，也就是说如果光从一个限制在在2o的锥形区域中入射到光纤端面上，则光可被光纤捕捉。设空气的折的锥形区域中入射到光纤端面上，

45、则光可被光纤捕捉。设空气的折射率为射率为no，在空气与光纤端面上运用斯涅尔定律，有，在空气与光纤端面上运用斯涅尔定律，有c包层n2纤芯n1包层n20c光 源空气n01光纤端面式中式中C与临界入射角与临界入射角C之间的关系为之间的关系为对空气，有对空气，有n01，故有，故有 显然，显然，0越大，即纤芯与包层的折射率之差越大，光纤捕捉光线的能越大，即纤芯与包层的折射率之差越大，光纤捕捉光线的能力越强，而参数力越强，而参数sin0直接反映了这种能力，我们称为光纤的孔径数直接反映了这种能力，我们称为光纤的孔径数NA(Numerical Aperture)。光纤制作工艺光纤制作工艺光纤的制作工艺包括两个

46、主要阶段，第一是制作光纤的制作工艺包括两个主要阶段，第一是制作预制棒预制棒，第二是，第二是拉丝拉丝。1.预制棒的制作预制棒的制作 预预制制棒棒是是制制作作光光纤纤的的原原料料，它它的的径径向向折折射射率率按按照照芯芯层层和和包包层层的的折折射射率率要要求求而而分分布布，但但尺尺寸寸则则要要大大的的多多，典典型型的的预预制制棒棒直直径径约约为为1025mm，长长度度约约为为60120cm。目目前前，生生产产预预制制棒棒的的工工艺艺采采用用两两步步法法，先先制制造造预预制制棒棒的的棒棒芯芯，然然后后在在芯芯棒棒外外采采用用不不同同技技术术制制造造包包层层。芯芯棒棒的的制制造造决决定定了了 光光 纤

47、纤 的的 传传 输输 性性 能能，而而 包包 层层 的的 则则 决决 定定 了了 光光 纤纤 的的 制制 造造 成成 本本。MCVDPCVDOVDVAD芯 棒外套管技术外沉积技术外喷技术预制棒预制棒制造工艺流程 由图可见，芯棒的制作有四种工艺，它们分别是改进的化学汽相由图可见，芯棒的制作有四种工艺，它们分别是改进的化学汽相沉积法沉积法MCVD(Modified Chemical Vapor Deposition)，外部气相沉，外部气相沉积法积法OVD(Outside Vapor Deposition)，汽相轴向沉积法，汽相轴向沉积法VAD(Vapor Axial Deposition)和等离子

48、体化学汽相沉积法和等离子体化学汽相沉积法PCVD(Plasma Chemical Vapor Deposition)，其基本化学反应是用两种气体，其基本化学反应是用两种气体SiCl4和和O2在高温下进行混合在高温下进行混合,生成二氧化硅生成二氧化硅SiO2，为了控制折射率，为了控制折射率,往往还要往往还要加入一些掺杂物。加入一些掺杂物。（1）外部汽相沉积法）外部汽相沉积法OVD这种方法如图所示。基棒由石墨石英或氧化铅做成，从喷管出来的这种方法如图所示。基棒由石墨石英或氧化铅做成，从喷管出来的SiO2粉粉尘在旋转并移动的基棒上形成一层沉积层，沉积层较为松散，沉积过程完尘在旋转并移动的基棒上形成一

49、层沉积层，沉积层较为松散，沉积过程完成后抽走基棒，将粉尘预制棒置于固化炉中成后抽走基棒，将粉尘预制棒置于固化炉中,在高温在高温(大约大约1400)环境下将环境下将其脱水固化，制成洁净的玻璃基棒，这种管状芯棒的中心空洞在拉丝过程其脱水固化，制成洁净的玻璃基棒，这种管状芯棒的中心空洞在拉丝过程中会消失。中会消失。OVD法要求环境清洁，严格脱水，可以制得法要求环境清洁，严格脱水，可以制得0.16dB/km，的单模光纤，几，的单模光纤，几乎接近于石英光纤在乎接近于石英光纤在1.55窗口的理论损耗窗口的理论损耗0.15dB/km。沉积层SiO2粉尘基棒O2SiCl4（2）改进的化学汽相沉积法）改进的化学

50、汽相沉积法MCVD MCVD广泛用于低损耗渐变折射率光纤的生产，下图给出了其过程，反广泛用于低损耗渐变折射率光纤的生产，下图给出了其过程，反应气体应气体(O2、SiCl4、CeCl4等等)由基管由基管(合成石英管合成石英管)的左侧流进基管，基管的左侧流进基管，基管是旋转的，下面有来回移动的喷灯，这样是旋转的，下面有来回移动的喷灯，这样SiO2、GeO2和其它掺杂物将形成和其它掺杂物将形成粉尘并沉积在基管内的表面，经过喷灯烧结成一层纯净的玻璃薄层，其工粉尘并沉积在基管内的表面，经过喷灯烧结成一层纯净的玻璃薄层，其工作温度大约有作温度大约有1600。当管子内壁的玻璃沉积层达到一定厚度时，停止反。当