光电基础知识培训

1、1 12 2反射反射折射折射全反射全反射干涉干涉衍射衍射偏振偏振光纤光纤激光器激光器光无源器件光无源器件光学玻璃光学玻璃光学晶体光学晶体光学塑料光学塑料3 3光光- -，是我们最熟悉的现象之一，是我们最熟悉的现象之一，没有光，人类就无法生存。没有光，人类就无法生存。万物生长靠太阳！万物生长靠太阳！地球上的主要能源都是直接或间接来自太阳能！地球上的主要能源都是直接或间接来自太阳能！4 4佛光佛光彩虹彩虹海市蜃楼海市蜃楼日晕日晕5 5光学的应用领域越来越广泛光学的应用领域越来越广泛显微镜显微镜激光制导激光制导潜望镜潜望镜红外雷达红外雷达哈勃太空望远镜哈勃太空望远镜光纤通讯光纤通讯6 6 萌芽时期萌

2、芽时期 （前（前5世纪世纪-15世纪末世纪末 ） 几何光学时期几何光学时期 （16世纪初世纪初-18世纪末）世纪末） 波动光学时期波动光学时期 （19世纪初世纪初-19世纪末）世纪末） 现代光学时期现代光学时期 （20世纪世纪60年代起年代起- ） 量子光学时期量子光学时期 （19世纪末世纪末-20世纪初）世纪初）7 7光又是什么？光又是什么？什么是光？什么是光？Light is color! Light is energy!Light is wave?Light is particle ?8 8 9 9 实验证明实验证明光同无线电波、光同无线电波、X X射线、射线、射线一样都是电磁波射线一样

3、都是电磁波，仅是它们的频，仅是它们的频率不同而已，电磁波的波长率不同而已，电磁波的波长、频率、频率和传播速度和传播速度三者之间的关系为：三者之间的关系为： -按电磁波的波长（或频率）大小的顺序把它们排列成谱按电磁波的波长（或频率）大小的顺序把它们排列成谱速度速度= =波长波长频率频率1010 由由合起来构成范围非常广阔的电合起来构成范围非常广阔的电磁波谱磁波谱 在电磁波中，能被眼睛看到的，只是一个很窄的波段，通常叫在电磁波中，能被眼睛看到的，只是一个很窄的波段，通常叫做可见光，在可见光做可见光，在可见光 范围内不同波长的光引起范围内不同波长的光引起不同的颜色感觉。不同的颜色感觉。（400-76

4、0nm）1111无线电波无线电波红外线、可见光、紫外线红外线、可见光、紫外线X X射线射线射线射线1212波长范围波长范围特性特性应用应用波长大于波长大于1mm1mm传播过程中波动性明显传播过程中波动性明显无线电技术无线电技术1313波长范围波长范围特性特性760760nmnm10106 6nmnm热效应热效应应用应用 加热物体、红外摄影、探加热物体、红外摄影、探测物体、红外遥感技术等测物体、红外遥感技术等红外侦察红外侦察1414波长范围波长范围特性特性应用应用400400nmnm760760nmnm能作用于眼睛并引起视觉能作用于眼睛并引起视觉照明、摄影等照明、摄影等1515 可见光波长与颜色

5、的可见光波长与颜色的对应关系如下对应关系如下 76007600630063006000600057005700500050004500450043004300400040001616波长范围波长范围5 5nm nm 400400nmnm特性特性 荧光效应、化学作用、杀菌消毒荧光效应、化学作用、杀菌消毒应用应用感光技术、医用消毒等感光技术、医用消毒等紫外线杀菌灯紫外线杀菌灯紫外光皮肤病治疗仪紫外光皮肤病治疗仪 1717波长范围波长范围X X射线：射线：1010-12-12m m 1010-9-9m m射线：小于射线：小于 1010-12 -12 m m特性特性穿透力很强穿透力很强应用应用检查金属

6、部件，医学透视等检查金属部件，医学透视等医学透视医学透视CT 机机1818l阳光含有：阳光含有：无线电波、红外无线电波、红外线、可见光、紫外线、线、可见光、紫外线、x x射射线、线、射线射线l太阳辐射的能量集中在太阳辐射的能量集中在可见可见光、红外线、紫外线光、红外线、紫外线三个区三个区域域l阳光中波长在阳光中波长在5.5x105.5x10-7-7m m的的黄黄绿光绿光附近，辐射的能量最强，附近，辐射的能量最强，这区域恰好是人眼最敏感这区域恰好是人眼最敏感1919 任何波长的电磁波在真空中的传播速度都任何波长的电磁波在真空中的传播速度都是相同的：是相同的：C = 3C = 310108 8m/

7、sm/s 单位换算：单位换算：1m =101m =103 3mm=10mm=106 6m=10m=109 9nm=10nm=1010 10 （埃）（埃） 光具有光具有波粒二象性波粒二象性：光具有粒子性，这种粒子：光具有粒子性，这种粒子称做称做“光量子光量子”，简称，简称“光子光子”20202121 几何光学几何光学 采用光的直线传播概念，研究光传播的基本规律和光采用光的直线传播概念，研究光传播的基本规律和光通过光学系统成像的原理和应用通过光学系统成像的原理和应用 按照近代物理学的观点，光具有波粒二象性，那么如按照近代物理学的观点，光具有波粒二象性，那么如果只考虑光的粒子性，把光源发出的光抽象成

8、一条条光果只考虑光的粒子性，把光源发出的光抽象成一条条光线，然后按此来研究光学系统成像。线，然后按此来研究光学系统成像。 内容内容光的直线传播定律光的直线传播定律光的独立传播定律光的独立传播定律光的反射和折射定律光的反射和折射定律 2222 物体的影子物体的影子 光只有在均匀媒光只有在均匀媒质里沿直线传播质里沿直线传播，在非均匀媒质，在非均匀媒质中光线将因折射中光线将因折射而弯曲而弯曲2323 在一个暗箱的前壁上开一小孔，在一个暗箱的前壁上开一小孔，由物体上各点发出的光线将沿直线由物体上各点发出的光线将沿直线通过小孔，在暗箱的后壁上形成一通过小孔，在暗箱的后壁上形成一倒立的像倒立的像小孔成像小

9、孔成像注意：光线只在均匀媒质中沿直线传播，注意：光线只在均匀媒质中沿直线传播，在非均匀媒质中光线将因折射而弯曲在非均匀媒质中光线将因折射而弯曲日食形成过程日食形成过程2424 不同的光源发出的光线在空间某点相遇不同的光源发出的光线在空间某点相遇时，时，。在光线的相会点上，。在光线的相会点上，光的强度是各光束的简单叠加，离开交会光的强度是各光束的简单叠加，离开交会点后，各个光束点后，各个光束。局限性：没有考虑光的波动性质局限性：没有考虑光的波动性质2525 斯涅耳折射定律斯涅耳折射定律 n1 sin = n2 sin 这可是重点这可是重点啊！啊！光的反射、折射定律：光的反射、折射定律：反射线与折

10、射线都在入射面内反射线与折射线都在入射面内反射角等于入射角，反射角等于入射角， = 折射角与入射角正弦之比与入射角无折射角与入射角正弦之比与入射角无关，是一个与媒质和光的波长有关的关，是一个与媒质和光的波长有关的常数常数 2626n1n2入射线入射线反射线反射线折射线折射线 - 入射角入射角 - 反射角反射角 - 折射角折射角物质的折射率物质的折射率n=c/v -描述介质中光速减慢程度的物理量描述介质中光速减慢程度的物理量注意：几何光学三定律注意：几何光学三定律是近似的，它只有在空是近似的，它只有在空间障碍物以及反射和折间障碍物以及反射和折射界面的尺寸远大于光射界面的尺寸远大于光的波长时成立的

11、波长时成立 利用三定律来设计利用三定律来设计光学仪器光学仪器法线法线真空折射率为真空折射率为1，在标准压力下，在标准压力下，20摄氏度时空气折射率为摄氏度时空气折射率为1.000282727（四）全反射现象（四）全反射现象 全反射现象的定义：全反射现象的定义： 光线入射到两种介质的分界面时，通常都会发生折射和光线入射到两种介质的分界面时，通常都会发生折射和反射，但在一定条件下，入射到介质上的光会全部反射回反射，但在一定条件下，入射到介质上的光会全部反射回原来的介质中，而没有折射光产生，这种现象称为原来的介质中，而没有折射光产生，这种现象称为光的全光的全反射现象反射现象 发生全反射的条件可归结为

12、：发生全反射的条件可归结为： 、光线从光密介质射向光疏介质、光线从光密介质射向光疏介质 、入射角大于临界角、入射角大于临界角 重点重点2828C.全反射现象的产生过程：全反射现象的产生过程：a a、一般情况下、一般情况下 斯涅耳折射定律斯涅耳折射定律 n1 sin = n2 sin b b、n1n1n2n2c c、n1n1n2n2应用到的应用到的公式公式入射光在两种均入射光在两种均匀介质的分界面匀介质的分界面产生折射和反射产生折射和反射入射角入射角折射角折射角入射角入射角折射角折射角2929=90n1sin = n2sin全反射条件：全反射条件：n1n2 sinsin 当当=90时，此时的时，

13、此时的称为临界角称为临界角当入射角当入射角大于临界角时发生全反射现象大于临界角时发生全反射现象n1n2就这么就这么简单！简单！3030D. 两个全反射原理应用的例子：两个全反射原理应用的例子： 、全反射棱镜全反射棱镜i i、改变光线传播方向、改变光线传播方向iiii、在光学仪器中，代替平、在光学仪器中，代替平面反射镜，减少反射时的面反射镜，减少反射时的光能损失光能损失等腰直角三角棱镜等腰直角三角棱镜 、光学纤维、光学纤维光纤线传输光信号光纤线传输光信号光线光线纤芯和包层纤芯和包层涂覆层涂覆层3131反射棱镜反射棱镜简单棱镜简单棱镜屋脊棱镜屋脊棱镜复合棱镜复合棱镜角锥棱镜角锥棱镜A A：3232

14、B B：应用：棱镜光谱仪，研究光谱应用：棱镜光谱仪，研究光谱棱镜的色散棱镜的色散利用棱镜对不同波长的光有不同的折射率这一性质利用棱镜对不同波长的光有不同的折射率这一性质3333C C：透镜透镜 -由两个折射面包围一种透明介质（如玻璃）所形成的光学零件由两个折射面包围一种透明介质（如玻璃）所形成的光学零件34343535实物图片实物图片3636由右由右图图可知，可知，颜颜料料三原色三原色加在一起可加在一起可变变成黑色成黑色。顏料三原色混合：顏料三原色混合：洋洋红红+ +青青= =蓝蓝 青青+ +黃黃= =绿绿黄黄+ +洋洋红红= =红红洋洋红红+ +青青+ +蓝蓝= =黑黑 红红、绿绿、蓝蓝能够

15、匹配所有颜色的三种颜色称为三原色能够匹配所有颜色的三种颜色称为三原色37373838 波动光学波动光学 以光的波动性为基础，研究光的传播及其规律以光的波动性为基础，研究光的传播及其规律 以波动理论研究以波动理论研究光的传播光的传播及光与物质相互作用的光学及光与物质相互作用的光学分支分支 内容内容 干涉干涉 衍射衍射 偏振偏振 393940404141：随时间变：随时间变化的电场在周围空间产化的电场在周围空间产生一个涡旋的磁场，随生一个涡旋的磁场，随时间变化的磁场在周围时间变化的磁场在周围空间产生一个涡旋的电空间产生一个涡旋的电场，它们互相激发，交场，它们互相激发，交替产生，在空间形成统替产生，

16、在空间形成统一的场一的场电磁场，交电磁场，交变电磁场在空间以一定变电磁场在空间以一定的速度由近及远的传播，的速度由近及远的传播，就形成了电磁波就形成了电磁波 电磁波最主要的电磁波最主要的性质之一就是能够传性质之一就是能够传输能量，电磁波的传输能量，电磁波的传播过程伴随着能量在播过程伴随着能量在空间的传递空间的传递光波既光波既然是电磁波，它的传然是电磁波，它的传播过程就是能量传递播过程就是能量传递的过程，而光源发光的过程，而光源发光实际上是物体不断向实际上是物体不断向外辐射电磁波的过程外辐射电磁波的过程4242u电磁波在真空中的传播速度为电磁波在真空中的传播速度为 3 310108 8m/sm/

17、s：物体在一定的位置附近来回重复的运动：物体在一定的位置附近来回重复的运动波动是振动的传播过程，振动是产生波动的根源波动是振动的传播过程，振动是产生波动的根源 波动最基本的形式有两种：波动最基本的形式有两种：水面波是横波，声波是纵波，电磁波也是一种横波水面波是横波，声波是纵波，电磁波也是一种横波4343：振动方向和传播方向垂直的波：振动方向和传播方向垂直的波举例举例：将一根绳子一端固定，呈水平状，手握绳子另一端做上下振动，：将一根绳子一端固定，呈水平状，手握绳子另一端做上下振动，凹凸传播凹凸传播图：绳子形成的横波图：绳子形成的横波：振动方向和传播方向相同的波：振动方向和传播方向相同的波举例举例

18、：用手迅速而有节奏的推压弹簧的另一端，可以看到弹簧上有的部分：用手迅速而有节奏的推压弹簧的另一端，可以看到弹簧上有的部分疏，有的部分密，疏密相间，沿着弹簧向前传播疏，有的部分密，疏密相间，沿着弹簧向前传播图：弹簧形成的纵波图：弹簧形成的纵波机械振动的传播过程机械振动的传播过程形成机械波，电磁振动形成机械波，电磁振动（电磁振荡）的传播过（电磁振荡）的传播过程形成电磁波程形成电磁波横波和纵波演示横波和纵波演示4444A: 光是某一波段的电磁波光是某一波段的电磁波, 在真空中电磁波的传播速度是在真空中电磁波的传播速度是001c= 2.99794108 m/s 3108 m/s XYZOEH4545

19、C C: :可见光的波长范围和频率范围。（真空中）可见光的波长范围和频率范围。（真空中）B:折射率折射率rrvcn连接光学和电磁学的桥梁。连接光学和电磁学的桥梁。 390760nm 7.510144.11014Hz红外红外紫外紫外oA7600oA4000oA50mm1 . 0D D: :光波是横波（振向和传向垂直）光波是横波（振向和传向垂直） 实验证明：对人眼视觉和感光仪器起作用的主要是光的振动部分，实验证明：对人眼视觉和感光仪器起作用的主要是光的振动部分，所以，一般用电振动矢量来代表光的振动。所以，一般用电振动矢量来代表光的振动。 光在不同介质中，光速不同，但频率不光在不同介质中，光速不同，

20、但频率不 变，所以波长变，变，所以波长变，波长一般指真空中的波长。波长一般指真空中的波长。4646u 干涉：干涉：在两个（或多个）光波叠加的区域，某些点的振动始终加强，在两个（或多个）光波叠加的区域，某些点的振动始终加强，另一些点的振动始终减弱，形成在该区域内稳定的光强强弱分布的现另一些点的振动始终减弱，形成在该区域内稳定的光强强弱分布的现象称为象称为光的干涉现象光的干涉现象 对于光波来说，对于光波来说，干涉现象往往表现成亮暗相干涉现象往往表现成亮暗相间的条纹，干涉现象的显著间的条纹，干涉现象的显著程度可用干涉条纹的程度可用干涉条纹的反衬度反衬度来描述：来描述： = = （I IM M- -I

21、 Im m)/ ()/ (I IM M- -I Im m) )0101其中其中I IM M和和I Im m分别是干涉场中光分别是干涉场中光强的极大和极下值强的极大和极下值两束波形成干的两束波形成干的条件：条件：频率相同频率相同振动方向相同振动方向相同 相位差恒定相位差恒定重点重点4747杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉 (1801年年)So缝屏缝屏缝屏缝屏接收屏接收屏暗条纹暗条纹以中央明纹为对称的以中央明纹为对称的明暗相间的干涉条纹明暗相间的干涉条纹S1S2. . . .4848D相邻两条明（暗）纹的间距：相邻两条明（暗）纹的间距：I 04I02I0 2 4 2 4 6 64949两种常用的干涉仪介绍

22、两种常用的干涉仪介绍5050等厚条纹等厚条纹待测工件待测工件平晶平晶 测表面不平度测表面不平度 nL2 mRrrkmk 221:测波长：测波长：已知已知、n，测测L可得可得2:测折射率：测折射率：已知已知、，测测L可得可得n3:测细小直径、厚度、微小变化测细小直径、厚度、微小变化牛顿环牛顿环1：测透镜球面的半径：测透镜球面的半径R2：测波长：测波长 3：检验透镜球表面质量：检验透镜球表面质量5151衍射现象衍射现象当波遇到障碍物时，它将偏离直线传播，这种现象叫做当波遇到障碍物时，它将偏离直线传播，这种现象叫做波的衍射波的衍射5252 一切波都能发生衍射，通过衍射把能量一切波都能发生衍射，通过衍

23、射把能量传到阴影区域，能够发生明显衍射的条件是传到阴影区域，能够发生明显衍射的条件是障碍物或孔的尺寸跟波长差不多障碍物或孔的尺寸跟波长差不多 取一个不透光的屏，取一个不透光的屏，在它的中间装上一个在它的中间装上一个宽度可以调节的狭缝，宽度可以调节的狭缝，用平行的单色光照射，用平行的单色光照射，在缝后适当距离处放在缝后适当距离处放一个像屏一个像屏 5353衍射装置实物图衍射装置实物图54545555ABS 1、 孔较大时孔较大时屏屏上出现清晰的光斑上出现清晰的光斑 2、 孔较小时孔较小时屏上出现屏上出现衍射花样衍射花样5656光的干涉和衍射现象表明光是一种波动光的干涉和衍射现象表明光是一种波动光

24、的偏振表明光的横波性光的偏振表明光的横波性光矢量光矢量57571 1、自然光、自然光0I58582 2、线偏振光、线偏振光E59593 3、部分偏振光、部分偏振光0I60604 4、0I0I61610I62626363n取一根软绳，一端固定在墙上，手持另一端上下抖动，就在软绳上形成一列横波取一根软绳，一端固定在墙上，手持另一端上下抖动，就在软绳上形成一列横波. .现在，让软绳穿过一块带有狭缝的木现在，让软绳穿过一块带有狭缝的木板，如果狭缝与振动方向平行，则振板，如果狭缝与振动方向平行，则振动可以通过狭缝传到木板的另一侧动可以通过狭缝传到木板的另一侧（图甲）如果狭缝与振动方向垂直，（图甲）如果狭

25、缝与振动方向垂直，则振动就被狭缝挡住而不能向前传播则振动就被狭缝挡住而不能向前传播（图乙）（图乙）n如果将这根绳换成细软的弹簧，前后如果将这根绳换成细软的弹簧，前后推动弹簧形成纵波，则无论狭缝怎样推动弹簧形成纵波，则无论狭缝怎样放置，弹簧上的纵波都可以通过狭缝放置，弹簧上的纵波都可以通过狭缝传播到木板的另一侧（如下图）传播到木板的另一侧（如下图） 设计实验，证明光是一种横波设计实验，证明光是一种横波6464偏振片偏振片发光体发光体以以光波光波代替代替机械波机械波以以偏振片偏振片代替代替木板狭缝木板狭缝6565 当只有一块偏振片时，以光的传播方向为轴旋转偏振片，透射光的强度不变 当两块偏振片的透

26、振方向平行时，当两块偏振片的透振方向平行时，透射光的强度最大，但是，比通透射光的强度最大，但是，比通过一块偏振片时要弱过一块偏振片时要弱 当两块偏振片的透振方向垂当两块偏振片的透振方向垂直时，透射光的强度最弱，直时，透射光的强度最弱，几乎为零几乎为零. .所以说：光波是一种横波所以说：光波是一种横波6666ii67670090i2n1n0i0i6868 偏振现象的实际应用偏振现象的实际应用 制成偏光眼镜，可观看立体电影制成偏光眼镜，可观看立体电影 若在所有汽车前窗玻璃和大灯前都装上与地面若在所有汽车前窗玻璃和大灯前都装上与地面 45 角、且向同一方向倾斜的偏振片，可以避免角、且向同一方向倾斜的

27、偏振片，可以避免 汽车会车时灯光的晃眼汽车会车时灯光的晃眼6969 在拍摄玻璃窗内的物体时，去掉反射光在拍摄玻璃窗内的物体时，去掉反射光 的干扰的干扰未装偏振片未装偏振片装偏振片装偏振片70707171n 光纤通讯：光纤通讯：n 光纤通讯的基本物质要素光纤通讯的基本物质要素 7272光通讯发展简史光通讯发展简史 20002000多年前多年前 烽火台烽火台灯光、旗语、手势灯光、旗语、手势 1880年年 光电话光电话无线光通信无线光通信 1970年年 光纤通信光纤通信7373 实现光实现光通讯的关通讯的关键点是什键点是什么？么？第一、第一、可靠的光源，可靠的光源，相干性好相干性好第二、第二、合适的

28、传播介质，合适的传播介质，损耗低，可靠性高损耗低，可靠性高7474n1960 Maiman1960 Maiman：红宝石：红宝石激光器激光器n1962 GaAs1962 GaAs二极管激光器：脉冲方式，二极管激光器：脉冲方式，7777K.K.n1966 1966 高锟、高锟、HockhamHockham及及WertsWerts：石英光纤的损耗可以减小到适合作为传输石英光纤的损耗可以减小到适合作为传输介质介质n19701970两大重要突破两大重要突破康宁公司：康宁公司：单模光纤，损耗单模光纤，损耗 20dB/km20dB/km，传，传输介质的阈值输介质的阈值贝尔实验室：贝尔实验室：室温连续室温连

29、续AlGaAsAlGaAs半导体激光半导体激光器器n波长波长850nm850nmn寿命几分钟数小时寿命几分钟数小时n结构：结构： GaAsGaAs材料上外延生长双异质结材料上外延生长双异质结AlGaAs AlGaAs 历历史史7575n第一代：第一代：0.85um0.85um多模光纤多模光纤系统系统n第二代：第二代：1.3um1.3um多模光纤多模光纤系统系统n第三代：第三代：1.3um1.3um单模光纤单模光纤系统系统n第四代：第四代：1.55um1.55um单模光纤单模光纤系统系统n三个过渡：三个过渡：短波长短波长 长波长长波长多模光纤多模光纤 单模光纤单模光纤AlGaAs/GaAsInG

30、aAsP/InPAlGaAs/GaAsInGaAsP/InPn三项新技术三项新技术: :波分复用波分复用(WDM)(WDM)相干通信相干通信光电子集成光电子集成(OEIC)(OEIC)历历史史7676信息源信息源传输介质传输介质信息终端信息终端光纤、双绞线、光纤、双绞线、自由空间自由空间光通信系统介绍光通信系统介绍7777n通信容量大n中继距离长n不受电磁干扰n资源丰富n光纤重量轻、体积小光纤通讯的优点光纤通讯的优点7878n光是一种电磁波光是一种电磁波n可见光可见光400nm400nm760nm760nmn光纤通信所用的波长光纤通信所用的波长 近红外波段近红外波段 8008001600nm1

31、600nm（0.8m-1.6m)0.8m-1.6m)n光的反射、折射光的反射、折射n全反射全反射1cm 1mm 100um 10um 1um 100nm 10nm 1nm 波長波長10G 100G 1T 10T 100T 1015 1016 1017 f (Hz)1.6um 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1.0um 900 800 700 600nm光通信使用范围光通信使用范围红外线红外线紫外线紫外线7979纤芯纤芯包层包层涂覆层涂覆层 纤芯纤芯Core:Core:折射率较高，用来传送光折射率较高，用来传送光 包层包层Cladding:Cladding:折射率较低，与纤芯一起形成全反

32、折射率较低，与纤芯一起形成全反 射条件；射条件； 涂覆层涂覆层Jacket:Jacket:强度大，能承受较大冲击，保护光强度大，能承受较大冲击，保护光纤，增强光纤的柔韧性。纤，增强光纤的柔韧性。单模光纤单模光纤80803MM光缆光缆3mm OUTER JACKET125 MICRON CLADDING (SILICA)50/62.5 MICRON CORE (SILICA)MULTIMODESINGLEMODEARAMID STRENGTHMEMBERS (Kevlar)900 MICRONBUFFER JACKET250 MICRON COATING 9 MICRON CORE (SILIC

33、A)8181ITU-T将单模光纤传输系统的低衰减工作波段将单模光纤传输系统的低衰减工作波段1260 1675nm细分的细分的6个波段个波段8282 短工作波长：短工作波长：850nm850nm 长工作波长：长工作波长：1310nm1310nm、1550nm1550nm光纤的分类光纤的分类-按工作波长按工作波长光纤的分类光纤的分类-按材料分类按材料分类石英系光纤：石英系光纤：高纯度的高纯度的SiO2SiO2掺适量杂质，光纤掺适量杂质，光纤 损耗最低、强度和可靠性最高，应用最广泛损耗最低、强度和可靠性最高，应用最广泛塑料包层光纤：塑料包层光纤：纤芯是石英，包层是硅树脂纤芯是石英，包层是硅树脂全塑光

34、纤：全塑光纤：纤芯和包层均由塑料制成，其损耗较纤芯和包层均由塑料制成，其损耗较大，可靠性也不高大，可靠性也不高8383n单模（单模（Single-ModeSingle-Mode）：）：长距离、大容量光纤通讯系统n多模（多模（Multi-ModeMulti-Mode）：）：中距离、中容量的光纤通讯系统CoreCladdingCoating光纤的分类光纤的分类-按模式分类按模式分类8484n阶跃折射率分布光纤阶跃折射率分布光纤 （阶跃光纤（阶跃光纤Step-Index Step-Index FiberFiber，SIFSIF ）n渐变折射率分布光纤渐变折射率分布光纤 （渐变光纤（渐变光纤Grade

35、d-Graded-Index FiberIndex Fiber，GIFGIF ）光纤的分类光纤的分类-按折射率分类按折射率分类85858686n按照按照ITU-TITU-T关于光纤类型的建议，可以将光关于光纤类型的建议，可以将光纤分为纤分为G.651G.651光纤光纤( (渐变型多模光纤渐变型多模光纤) )、G.652G.652光光纤纤( (常规单模光纤常规单模光纤) )、G.653G.653光纤光纤( (色散位移光色散位移光纤纤) )、G.654G.654光纤光纤( (截止波长光纤截止波长光纤) )和和G.655G.655( (非零非零色散位移光纤色散位移光纤) )光纤光纤。n按套塑按套塑(

36、 (二次涂覆层二次涂覆层) )可以将光纤分为可以将光纤分为松套松套光纤光纤和和紧套光纤紧套光纤。n现在实用的石英光纤通常有以下三种：现在实用的石英光纤通常有以下三种：阶阶跃型多模光纤跃型多模光纤、渐变型多模光纤渐变型多模光纤和和阶跃型单模阶跃型单模光纤。光纤。光纤的分类光纤的分类-按按ITU-TITU-T分类分类8787激光器激光器光放大器光放大器探测器探测器光调制器光调制器波长转换器波长转换器光隔离器光隔离器光耦合器光耦合器光滤波器光滤波器光开关光开关光衰减器光衰减器色散补偿器色散补偿器偏振控制器偏振控制器偏振模补偿器偏振模补偿器888889899090 激光的亮度很高，把激光聚起来，可以产

37、生激光的亮度很高，把激光聚起来，可以产生几千万度的高温，它可以溶解最难融化的金属；几千万度的高温，它可以溶解最难融化的金属； 一根普通的电话线，只能同三路电话；一条一根普通的电话线，只能同三路电话；一条微波线路，可通十万路电话；而一条激光通讯线微波线路，可通十万路电话；而一条激光通讯线路，可以同一亿路电话；路，可以同一亿路电话； 激光在传输过程中始终像一条笔直的线，一激光在传输过程中始终像一条笔直的线，一束激光射出束激光射出2020公里远，光斑只有茶杯口那么大。公里远，光斑只有茶杯口那么大。9191 1917年，爱因斯坦就预言了受激辐射的存在年，爱因斯坦就预言了受激辐射的存在 1957年，我国

38、第一所光学专业研究所长春光机所建立年，我国第一所光学专业研究所长春光机所建立 1958年，美国物理学家肖洛、汤斯发表激光原理论文年，美国物理学家肖洛、汤斯发表激光原理论文 1960年，迈曼制成了世界上第一台红宝石激光器，标志着年，迈曼制成了世界上第一台红宝石激光器，标志着激光技激光技 术的诞生术的诞生 1963年，我国第一台半导体激光器研制成功年，我国第一台半导体激光器研制成功 1964年，我国第一所激光技术的专业研究所上海光机所成年，我国第一所激光技术的专业研究所上海光机所成立立 1966年，我国第一台年，我国第一台YAG激光器研制成功激光器研制成功9292水分子模型水分子模型:H2O一个水

39、分子是由一个氧原子和两个氢原子构成的一个水分子是由一个氧原子和两个氢原子构成的原子是化学变化中的最小粒子原子是化学变化中的最小粒子9393n 物质是由一些同类微粒组成，（即原子，分子，离子）物质是由一些同类微粒组成，（即原子，分子，离子）n 原子可以处于不同的运动状态，具有不同的内部能量。原子可以处于不同的运动状态，具有不同的内部能量。 这些能量在数值上是断续的。这些能量在数值上是断续的。 通常把原子所可能具有的能量，按其高低画出，这就是所谓的能级图。通常把原子所可能具有的能量，按其高低画出，这就是所谓的能级图。n 基态：原子处于内部能量最低的状态，称次原子处于基态：原子处于内部能量最低的状态

40、，称次原子处于基态基态。n 激发态：其它比基态能量高的状态，都叫做激发态：其它比基态能量高的状态，都叫做激发态激发态粒子二能级分布图粒子二能级分布图E1E1E2E2能量少，低能级能量少，低能级能量多，高能级能量多，高能级9494 自发辐射自发辐射E2E2E1E1辐射出的光子能量辐射出的光子能量hh2121满足玻尔条件：满足玻尔条件：E2-E1= hE2-E1= h2121 在没有外界在没有外界作用情况下，作用情况下，原子从高能态原子从高能态向低能态跃迁，向低能态跃迁，释放的能量以释放的能量以光辐射的形式光辐射的形式放出放出9595 受激吸收受激吸收E2E2E1E1当原子系统受到当原子系统受到外

41、来的能量为外来的能量为h21的光子照射的光子照射时，如果时，如果h21=E2-E1，则处于低能态则处于低能态E1上的原子受到激上的原子受到激发，跃迁到高能发，跃迁到高能态态E2上去，同时上去，同时吸收一个能量为吸收一个能量为h21的光子的光子9696 受激辐射受激辐射受激辐射过程产生的光简称受激辐射过程产生的光简称 当原子受到外来能当原子受到外来能量为量为h21h21的光子照射的光子照射时，若时，若h21=E2-E1h21=E2-E1，则处于高能态则处于高能态E2E2上的上的原子也会受到外来的原子也会受到外来的能量为能量为h21h21的光子的的光子的诱发，而从高能态诱发，而从高能态E2E2跃迁

42、到低能态跃迁到低能态E1E1上去上去，这时原子将发射一，这时原子将发射一个和外来光子能量相个和外来光子能量相同的光子同的光子9797 受激辐射是与受激辐射是与受激吸收相反的受激吸收相反的过程，放出的光过程，放出的光子与外来光子频子与外来光子频率、传播方向、率、传播方向、相位及偏振等完相位及偏振等完全一样，光辐射全一样，光辐射能量增大一倍能量增大一倍9898光放大过程：光的受激辐射光的受激吸收光放大过程：光的受激辐射光的受激吸收 实现原子系统的粒子数反转分布实现原子系统的粒子数反转分布是使光是使光的受激辐射从次要位置转化为主导地位的的受激辐射从次要位置转化为主导地位的必要条件，它也是形成激光的必

43、要条件必要条件，它也是形成激光的必要条件E1E1E2E2 若一物质，处于若一物质，处于高能级上的原子高能级上的原子数密度大于处于数密度大于处于低能级上的原子低能级上的原子数密度，则该物数密度，则该物质处于质处于“粒子数粒子数反转分布反转分布”状态状态，这时的介质称，这时的介质称为为激活介质激活介质或或增增益介质益介质9999必须利用激励能源，使工作物质内部的必须利用激励能源，使工作物质内部的一中粒子在某些能级间实现粒子数反转一中粒子在某些能级间实现粒子数反转分布分布满足阈值条件满足阈值条件G（） G（）：）：单位长度的增益单位长度的增益 ：单位长度上的损耗单位长度上的损耗100100工作物质工

44、作物质激励源（泵浦系统）激励源（泵浦系统）光学谐振腔光学谐振腔101101u 根据工作物质：根据工作物质：l 固体激光器：固体激光器：红宝石激光器、钕玻璃激光器、红宝石激光器、钕玻璃激光器、YAGYAG激光器激光器l 气体激光器：气体激光器：氦氦- -氖激光器、二氧化碳激光器、氩离子激光器氖激光器、二氧化碳激光器、氩离子激光器l 半导体激光器：半导体激光器：砷化镓半导体激光器砷化镓半导体激光器l 染料激光器：染料激光器：若丹明若丹明6G6G染料激光器染料激光器u 根据激励方式：根据激励方式：l 光激励激光器、电激励、热激励等光激励激光器、电激励、热激励等u 根据运转方式：根据运转方式：l 连续

45、运转激光器和脉冲运转激光器连续运转激光器和脉冲运转激光器102102u红宝石：红宝石：CrCr3+3+:AI:AI2 2O O3 3 激活离子为三价铬离子，基质是刚玉晶体激活离子为三价铬离子，基质是刚玉晶体uNdNd3+3+:YAG:YAG掺钕钇石榴石掺钕钇石榴石 激活离子为三价铬离子，基质是激活离子为三价铬离子，基质是YAGYAG晶体晶体u钕玻璃：钕玻璃： 光学玻璃中掺入适量的光学玻璃中掺入适量的NdNd2 2O O3 3103103LDLD泵浦固体激光器泵浦固体激光器104104高相干性的激光束产生高相干性的激光束产生105105激光的特性激光的特性激光的应用激光的应用单色性好单色性好方向

46、性好方向性好相干性好相干性好能量集中能量集中激光切割激光切割激光焊接激光焊接激光打孔激光打孔激光医疗激光医疗光信息处理和激光通讯光信息处理和激光通讯激光在受控核聚变中的应用激光在受控核聚变中的应用106106激光切割激光切割激光的实际应用激光的实际应用激光打孔激光打孔激光武器激光武器激光医疗激光医疗激光焊接激光焊接激光通信激光通信107107108108109109水平型水平型 Pigtail垂直型垂直型 Pigtail110110保偏光纤线：保偏光纤线：Polarization-maintaining optical fiber 111111光纤准直器光纤准直器n准直器的基本结构是有由一个光

47、纤头加一个耦合透镜组成n基本的参数要求：插损、回损、工作距离等112112113113连接器连接器 connectorconnector114114115115FC-FCFC-FC多模光纤跳线多模光纤跳线LC-LCLC-LC多模光纤跳线多模光纤跳线SC-SCSC-SC多模光纤跳线多模光纤跳线ST-STST-ST单模光纤跳线单模光纤跳线LC-LCLC-LC单模光纤跳线单模光纤跳线SC-SCSC-SC单模光纤跳线单模光纤跳线光纤连接器光纤连接器( (又称跳线又称跳线) )：是指光线两端都装上连接器插头，用来实现光路活动连接；是指光线两端都装上连接器插头，用来实现光路活动连接； 单模光纤连接器：单模

48、光纤连接器：连接头连接类型有连接头连接类型有FCFC、SCSC、STST，端面接触方式有，端面接触方式有PCPC、UPCUPC、APCAPC型型 ；116116常用连接器类型FC TypeSC TypeSC2 TypeFDD Type117117F e r r u l e + Flange Insertion Loss(插入损耗插入损耗) 40dB SPC45dB UPC50dB APC60dB118118的典型结构是两个偏振器加一个旋转片4 5 p o l a r c o r ef o r w o r d d i r e c t i o ng a r n e t0 p o l a r c o

49、 r er e v e r s e d i r e c t i o n119119120120无源光耦合器件（无源光耦合器件（Coupler)：能使传输中的光信号在特殊结构的耦合区发生耦合，并进行再分配的器件分类：-从功能上看：从功能上看： 光功率分配器（Splitter) 光波长分配（合/分波）耦合器（WDM Coupler)-从端口形式上：从端口形式上： X型（22）耦合器、Y型（12）耦合器、 星型（NN，N2）耦合器、树型（1 N，N2）耦合器-从工作带宽的角度：从工作带宽的角度： 单工作窗口窄带耦合器（Standard Coupler) 单工作窗口宽带耦合器（Wavelength F

50、lattened Coupler) 双工作窗口宽带耦合器（ Wavelength Independent Coupler)-从传导模式上分：从传导模式上分： 多模耦合器 单模耦合器121121PLC SplitterDual Window 1N SpliterCoupler122122 -波分复用是光纤通讯中的一种传输技术，它利用了一根光纤可以同时传输波分复用是光纤通讯中的一种传输技术，它利用了一根光纤可以同时传输多个不同波长的光载波的特点，把光纤可能应用的波长范围划分成若干个多个不同波长的光载波的特点，把光纤可能应用的波长范围划分成若干个波段，每个波段用做一个独立的通道传输一种预定波长的光信

51、号波段，每个波段用做一个独立的通道传输一种预定波长的光信号通常将波分复用缩写为通常将波分复用缩写为WDM（Wavelength Division Multiplexing)按照通道间隔的差异，按照通道间隔的差异，WDM可以分为：可以分为： W-WDM（Wide-WDM ): 通道间隔等于或者大于通道间隔等于或者大于25nm M-WDM (Mid-WDM): 通道间隔小于通道间隔小于25nm,而大于而大于3.2nm D-WDM (Dense-WDM):通道间隔小于或等于通道间隔小于或等于3.2nm123123把不同波长的光信号复用到一根光纤中进行传送把不同波长的光信号复用到一根光纤中进行传送(如

52、每个波承载一种如每个波承载一种TDM 电信号）的方式统称为波分复用。电信号）的方式统称为波分复用。121 2 nWDM：波长间隔比较大，在不同传输窗口（比如：波长间隔比较大，在不同传输窗口（比如：1310nm、1550nm）DWDM：波长密集，同一传输窗口（比如：波长密集，同一传输窗口（比如1550nm）CWDM：粗波分复用，同一传输窗口内波长间隔大（比如：粗波分复用，同一传输窗口内波长间隔大（比如1550nm）双纤双向：一根光纤传送一个方向的信号，系统使用两根光纤双纤双向：一根光纤传送一个方向的信号，系统使用两根光纤单纤双向：一根光纤传送两个方向的信号，系统使用一根光纤单纤双向：一根光纤传送

53、两个方向的信号，系统使用一根光纤124124Tx1Tx2TxnMUXOLADEMUXRx1RxnRx2高速路加油站巡逻车 OSCOSC OSCOSC2.5Gbit/s10Gbit/s.千兆以太网125125OTUOUTWPA 1 n合合波波器器OTUOTU 1 nWBA波长转换波长转换合波器合波器光放大光放大分波器分波器分分波波器器OSCOSCOSC波长转换器（波长转换器（O T U）的功能是完成的功能是完成G.957光信号到光信号到G.692固定波长光的转换。固定波长光的转换。合波器和分波器合波器和分波器完成完成G.692固定波长光信号的合波和分波。固定波长光信号的合波和分波。光放大器光放大

54、器包括包括BA、PA、LA。BA是功放，通过提升合波后的光信号功率，从而提升各是功放，通过提升合波后的光信号功率，从而提升各 波长的输出光功率；波长的输出光功率；PA是预放，通过提升输入合波信号的光功率，从而提升是预放，通过提升输入合波信号的光功率，从而提升 各波长的接收灵敏度；各波长的接收灵敏度；LA是线放，完成对合波信号的纯光中继放大处理。是线放，完成对合波信号的纯光中继放大处理。OSC（光监控信道）（光监控信道）通常采用通常采用1310nm和和1510nm，负责整个网络的监控数据传送。，负责整个网络的监控数据传送。126126INiOUTINOUTi合波合波分波分波合波合波/(分波分波)

55、器件是将不同波长的光信号合在一起器件是将不同波长的光信号合在一起/(按波长分开按波长分开)的器件，是的器件，是DWDM系统最核心器件，这是光层的最基本复用合解复用。故分波系统最核心器件，这是光层的最基本复用合解复用。故分波/合波器件合波器件也经常被叫做光复用也经常被叫做光复用/(光解复用光解复用)器件器件这里的这里的“分分”、“合合”是相对波长是相对波长/频率而言的，不是针对光功率而言。频率而言的，不是针对光功率而言。127127特点：成本低，技术成熟，插损大特点：成本低，技术成熟，插损大插损理论计算方法：插损理论计算方法：插损级数插损级数3dB输入端口编号与波长无关输入端口编号与波长无关（对

56、波长不敏感）（对波长不敏感）对相邻波长隔离作用低对相邻波长隔离作用低inout12812814滤波器滤波器滤波器滤波器自聚焦棒透镜自聚焦棒透镜玻璃玻璃设计上可以实现结构稳定的小型化器件，信号同带平坦，且与极设计上可以实现结构稳定的小型化器件，信号同带平坦，且与极化无关，插入损耗小，通路间隔度好。化无关，插入损耗小，通路间隔度好。但通路数不会很多。但通路数不会很多。129129膜片型波分复用器n光波分复用器是对波长进行分离与合成的无源器件。nWDM的原理很简单，利用镀膜片，将需要的波长挑选出来。1301303端口端口8-Channel DWDM Modules4 Channel DWDM16-C

57、hannel DWDM Modules131131：是一种可把一列频率间隔为f的光信号分为两列频率间隔为2f的光信号，分别从两个信道输出的光滤波技术，称其中一个信道为奇信道，另外一个为偶信道。也称为132132Interleaver50GHz100GHz 140 WDM100GHz 140 WDM50GHz 180 DWDM 器件器件133133什么是Interleaver134134应用介绍1.6 T b/sinterleaver10-ch m ux/dem ux80-ch C -band+80-ch L-bandInterleaver主要和其他器件一起构成WDM系统，用于数据等的传输。13

58、5135136136u光学玻璃光学玻璃 -应用最广泛的光学材料，属于无机物，是高分子的凝聚应用最广泛的光学材料，属于无机物，是高分子的凝聚态物质态物质; ;不论化学成分和固化温度范围如何，一切由熔体过冷不论化学成分和固化温度范围如何，一切由熔体过冷却所得的无定形体，由于粘度逐渐增加而具有的固体的机械却所得的无定形体，由于粘度逐渐增加而具有的固体的机械性质的，均称之为玻璃；而且有液态变为玻璃态的过程应当性质的，均称之为玻璃；而且有液态变为玻璃态的过程应当是可逆的是可逆的光学晶体光学晶体 -是有规则排列结构的固体是有规则排列结构的固体光学塑料光学塑料 -属于有机物，是有机高分子化合物属于有机物，是

59、有机高分子化合物137137：无色光学玻璃：无色光学玻璃： 分为冕牌和火石两大类，各以分为冕牌和火石两大类，各以K和和F表示表示：有色光学玻璃：有色光学玻璃： 1、硒镉着色玻璃、硒镉着色玻璃-可以得到黄色（可以得到黄色（JB）、橙色（）、橙色（CB）、红色（）、红色（HB）玻璃）玻璃 2、离子着色的选择性吸收玻璃、离子着色的选择性吸收玻璃 3、离子着色的中性玻璃、离子着色的中性玻璃：特种光学玻璃：特种光学玻璃1、光学石英玻璃（熔石英）、光学石英玻璃（熔石英）2、红外光学玻璃、红外光学玻璃3、耐辐射光学玻璃、耐辐射光学玻璃4、防辐射光学玻璃、防辐射光学玻璃5、微晶玻璃、微晶玻璃-玻璃的物质性质，

60、如折射率、热膨胀系数，玻璃的物质性质，如折射率、热膨胀系数，不因测量方向的不同而不同不因测量方向的不同而不同138138-具有格子结构的固体，物质的具有格子结构的固体，物质的性质随测量方向的不同而不同性质随测量方向的不同而不同三大晶族七大晶系三大晶族七大晶系139139：紫外、红外晶体：紫外、红外晶体 -利用晶体透紫外、红外的性能，制造红外、紫外透光窗、分光棱镜利用晶体透紫外、红外的性能，制造红外、紫外透光窗、分光棱镜：偏振晶体：偏振晶体 -利用晶体的双折射性能制造偏振零件利用晶体的双折射性能制造偏振零件：闪烁晶体：闪烁晶体 - -某些碱卤化合物的光学晶体中引入杂质激活剂，能将看不见的核子射线