凝聚态物理前沿论文

1、 凝聚态物理前沿 学 院： 理学院 专 业： 姓 名： 学 号： 指导老师： 2017年 1月 2 日一、Nobel奖项的调研“在光学通信领域光在纤维中传输方面的突破性成就”2009年诺贝尔物理学奖获得者：高锟高锟，汉族，1933年11月4日出生在江苏省金山县（今上海市金山区），住在法租界。父亲是律师，弟弟高铻。祖父高吹万是晚清著名诗人，革命家，南社的重要成员。入学前，父亲聘老师回家，教导高锟和高铻读四书五经。10岁，高锟就读上海世界学校（如今的上海世界小学），在上海完成小学与初中一年级课程。 除了读中文之外，也读英文和法文，学校聘请留法的学者回来教授，高锟开始接触中国之外的人事文化。大学时代

2、的高锟高锟小时候住在一栋三层楼的房子里，三楼就成了他童年的实验室。童年的高锟对化学十分感兴趣，曾经自制灭火筒、焰火、烟花和晒相纸尝试自制炸弹。最危险的一次是用红磷粉混合氯酸钾，加上水并调成糊状，再掺入湿泥内，搓成一颗颗弹丸。待风干之后扔下街头，果然发生爆炸。幸好没有伤及路人。后来他又迷上无线电，很小便成功地装了一部有五六个真空管的收音机。1948年全家移居台湾。1949年，又移民香港，他进入圣若瑟书院就读。中学毕业后，他考入香港大学。但由于当时港大没有电机工程系，他远赴英国东伦敦伍尔维奇理工学院（现英国格林威治大学）就读。1957年，他从伍尔维奇理工学院电子工程专业毕业。1965年，在伦敦大学

3、学院6 （University College London）获得伦敦大学电机工程博士学位。1957年，高锟读博士时进入国际电话电报公司（ITT），在其英国子公司标准电话与电缆有限公司（Standard Telephones and Cables Ltd.）任工程师。1960年，他进入ITT设于英国的欧洲中央研究机构标准电信实验有限公司，在那里工作了十年，其职位从研究科学家升至研究经理。正是在 这段时期，高锟教授成为光纤通讯领域的先驱。从1957年开始，高锟即从事光导纤维在通讯领域运用的研究。1964年，他提出在电话网络中以光代替电流，以玻璃纤维代替导线。1965年，在以无数实验为基础的一篇论

4、文中提出以石英基玻璃纤维作长程信息传递，将带来一场通讯业的革命，并提出当玻璃纤维损耗率下降到20分贝/公里时，光纤维通讯就会成功。1966年，在标准电话实验室与何克汉共同提出光纤可以用作通信媒介。高锟在电磁波导、陶瓷科学（包括光纤制造）方面获28项专利。由于他取得的成果，有超过10亿公里的光缆以闪电般的速度通过宽带互联网，为全球各地的办事处和家居提供数据。由于他在光纤领域的特殊贡献，获得巴伦坦奖章、利布曼奖、光电子学奖等，被称为“光纤之父”。19571960年任标准电话和电缆公司工程师，19601970年任标准电信实验室主任研究工程师。1966年，高锟发表了一篇题为光频率介质纤维表面波导的论文

5、，开创性地提出光导纤维在通信上应用的基本原理，描述了长程及高信息量光通信所需绝缘性纤维的结构和材料特性。简单地说，只要解决好玻璃纯度和成分等问题，就能够利用玻璃制作光学纤维，从而高效传输信息。利用石英玻璃制成的光纤应用越来越广泛，全世界掀起了一场光纤通信的革命。随着第一个光纤系统于1981年成功问世，高锟“光纤之父”美誉传遍世界。高锟还开发了实现光纤通讯所需的辅助性子系统。他在单模纤维的构造、纤维的强度和耐久性、纤维连接器和耦合器以及扩散均衡特性等多个领域都作了大量的研究，而这些研究成果都是使信号在无放大的条件下，以每秒亿兆位元传送至距离以万米为单位的成功关键。举世公认高锟是提出用纤维材料传达

6、光束讯号，以建置通信的第一人。高氏仍在英国求学的1960年代，大家已经知道讯息是可以用数字或模拟的方式传送。当时已有人研究，透过气体或玻璃传送光，期望可达到高速的传送效率，但无法克服讯号会严重衰减的问题。1965年，高氏对各种非导体纤维进行仔细的实验。按他分析，当光学讯号衰减率能低于每公里20分贝时，光束通信便可行。他更进一步分析了吸收、散射、弯曲等因素，推论被包覆的石英基玻璃有可能满足衰减需求达到波导。这项关键研究结果，推动全球各地连串运用玻璃纤维波导来通讯的研发工作。高锟是继李政道、杨振宁、丁肇中、李远哲、朱棣文、崔琦及钱永健之后，第八位获得诺贝尔科学奖的华裔科学家。1970到1974年高

7、锟教授在香港中文大学担任电子学系教授及讲座教授，1974年又返回ITT工作。当时，光纤领域进入前生产阶段。他在位于美国弗吉尼亚州劳诺克的光电产品部担任主任科学家，后擢升为工程主任。1982年，他因卓越的研究与管理才能而被ITT公司任命为首位“ITT执行科学家”，主要在康尼迪克州的先进技术中心工作，1985年则在德国的SEL 研究中心工作。与此同时，他也担任耶鲁大学特朗布尔学院兼职教授及研究员。1986年，他被任命为合作研究主任。他也在标准电话电缆下属的标准电信实验室作研究。1987年10月，高锟从英国回到香港，并出任香港中文大学第三任校长。从1987年到1996年任职期间，他为中文大学罗致了大

8、批人才，使中大的学术结构和知识结构更加合理。其间中大实施灵活的学分制，全面检讨本科课程，成立工程、教育两学院，致力改善教学质量；创设多个研究所，促进跨学科研究；提升校园主干网络，连接世界各地系统；与国际学术重镇保持密切联系，加强与本地工商界合作 。在与内地科技界的交流合作中，他主张“一步一步把双方的联系实际化” 。高锟于1996年当选为中国科学院外籍院士 。此外，他担任香港高科桥集团有限公司（Transtech Services Group Ltd.）主席兼行政总裁，并致力于开发电信与信息。高锟在2002年或之前完成英文自传A Time and a Tide: Charles K. Kao:

9、A Memoir，许迪锵翻译的中文译本潮平岸阔高锟自述于2005年出版。2003年初，高锟证实罹患早期老人痴呆症，接受治疗。但事情到2009年，高锟得到诺贝尔物理学奖时才被广泛报道，其夫人黄美芸接受香港明报采访时指高锟“老人家记性差”，时而忘记锁匙或书本放在哪里，不过病情轻微，认人、认路均没有问题 。高锟时常在太太的扶持下在校园内四处走动，香港中文大学的学生们大都有幸时常看到他们夫妇相互扶持、相濡以沫的幸福场景。2009年，76岁的高琨因“开创性的研究与发展光纤通讯系统中低损耗光纤”而获得诺贝尔奖。在此前，诺贝尔奖偏重于基础研究领域的成果，高锟是首位以应用物理研究获诺贝尔物理学奖的人。这个荣耀

10、迟到了43年，如今的高琨已经渐渐地忘了自己心爱的研究成果了11 。10月6日，瑞典皇家科学院向高锟颁授诺贝尔物理学奖。12月8日，高锟的演说古沙递捷音由夫人和中大4名教授按照潮平岸阔内容代笔，夫人代为发表。12月10日，高锟在诺贝尔典礼上获特别安排，免除走到台中领奖、鞠躬三次的礼仪，瑞典国王卡尔十六世·古斯塔夫破例走到他面前颁奖。皇家科学院说，高锟在“有关光在纤维中的传输以用于光学通信方面”取得了突破性成就，他将获得2009年物理学奖一半的奖金，共500万瑞典克朗（约合70万美元）。技术：光纤通信技术主要指运用光导纤维实施传输信号，承载重要的信息，同时运用光纤，使其作为传输媒介。光纤

11、通信技术是现代社会最重要的一种通信方式，在通信行业中有着至关重要的作用。光纤主要用电气绝缘体玻璃材料制作而成的，因此无需担心其可能由于接地原因而出现回路现象，因为光线的芯比较细小，因此必须选择多芯构成光缆，光缆是信息传输的重要通道，进而形成占用空间较小的传输系统。 2. 光纤通信技术简介 2.1光纤通信各种技术简析 1、光纤通信技术中的波分复用技术。即WDM，充分利用了单模光纤低损耗区的优势，获得了大的宽带资源。波分复用技术基于每一信道光波的频率和波长不同等情况出发，把光纤的低损耗窗口规划为许多个单独的通信管道，并在发送端设置了波分复用器，将波长不同的信

12、号集合到一起送入单根光纤中，再进行信息的传输，而接收端的波分复用器把这些承载着多种不同信号的、波长不同的光载波再进行分离。 2、光纤通信技术中的光纤接入技术。光纤接入网技术是信息传输技术的一个崭新的尝试，它实现了普遍意义上的高速化信息传输，满足了广大民众对信息传输速度的要求，主要由宽带的主干传输网络和用户接入两部分组成。其中后者起着更为关键的作用，作为光纤宽带接入的最后环节。负责完成光接入的重要任务，基于光纤宽带的相关特性，为通信接收端的用户提供了所需的不受限制的带宽资源。 3、光纤通信技术中光传输与交换技术的融合。基于上述光接入网通讯技术的成熟发展，网络的核心架构已经正在

13、日新月异的变化发展着，在交换和传输两方面来讲也都早已进行了好几代的更新。光接入网技术和光传输与交换技术的融合技术，前者较在技术应用上有了一些技术上改进，从而也就提高了全网的进一步有效发展。 4、新一代的光纤在光纤通信技术中的应用。传统意义上的G652单模光纤已经在长距离且超高速的传送网络发展中表现出了力不从心的缺点，新一代光纤的研究已成为当务之需，在目前普遍需求的干线网和城域网的背景下，基于不同的发展需要，已经发展出了两种新一代光纤一非零色散光纤和全波光纤二、我所了解的纳米科技多孔阳极氧化铝纳米模板的制备在20世纪20年代，阳极氧化铝的研究开始起步，当时的研究人员想从实验中获得具有较

14、好耐腐蚀性、耐磨性及电绝缘性的氧化膜。10余年后，研究人员对阳极氧化铝的多孔特性产生了兴趣，并着手于令有色物质在多空膜中析出，于是便有了后来铝的电解着色法，这使得彩色铝合金一经推出就有了相当广泛的应用。直到20世纪的70年代，研究人员才渐渐地把研究重点转移到阳极氧化铝的多孔膜本身，便开始以此为核心的功能性膜材料的研究。在20世纪90年代，以多孔阳极氧化铝膜为模板制备纳米材料开始发展起来，所制备的纳米材料主要有纳米线、纳米管及纳米微粒，由此方法制备的纳米材料在电、光、磁方面具有广泛发展前景。由于阳极氧化铝多孔膜的微孔孔道是相互平行的，孔的形状较为规则，孔径的大小也比较均匀，再加上微孔排列在二维平

15、面上具有一定周期性，很快就被用于制备功能性的薄膜材料，涉及纳米过滤膜，声、光、电、磁、热等复合功能膜。目前，以多孔氧化铝为模板合成各种纳米有序阵列结构已成为材料科学的研究热点之一。 多孔阳极氧化铝( porous anodic alumina，PAA)膜是一种自组装的六边形密排纳米孔阵列结构，它的制备工艺简单，由金属铝在酸性电解液中阳极氧化得到的，成本低廉,通过改变氧化铝膜的孔径大小可以对纳米阵列材料的直径进行调控，从而实现对其性能的调制，膜孔的形貌和大小可以通过改变阳极化工艺参数来调整,孔径可在几纳米到几百纳米范围内变化，其方法也是简单易行的。多孔阳极氧化铝膜的孔密度高(达109-1012c

16、m2) ，并且氧化铝模板的尺寸跟纳米材料的孔径尺寸大致相同，应用时方便统一。对可见光透过率高、组装后易被酸或碱化学溶解，且化学和热力学性能稳定，具有大的比表面积，所以在很多领域都有潜在的应用价值。多孔阳极氧化铝（PAA)模板具有规则可控的纳米多孔结构，沉积在氧化铝膜孔道中的纳米阵列材料可通过除去外层模板的步骤而分离出来，且纳米材料从氧化铝膜中分离出来后，仍可保持高度有序的阵列分布，由此可见，其具备良好的化学稳定性和热稳定性。多孔层的膜胞为六角形紧密堆积排列,每个膜胞中心有一个纳米级的微孔,这些孔大小均匀,与基体表面垂直,彼此之间相互平行,可作为合成纳米材料的模板。多孔阳极氧化铝膜具有较高的硬度

17、和极大的比表面积，且适合制备多种阵列材料体系，适用的范围较广，具有一定的广泛性。因此对纳米材料、磁性材料、太阳能电池材料的制备有着重要意义。2研究现状据资料显示，影响PAA孔洞形貌尺寸的最主要因素仍然是阳极氧化的电场强度、电解液种类和温度。通过调整铝与电解液界面之间的电场，使其呈梯度分布，就可以获得孔径呈梯度分布的PAA 模板；通过阳极氧化电压(或电流)的周期性变化，可制备出孔道直径呈周期性调制的PAA模板。现实生产中，上述各种特殊型纳米PAA模板正是通过对这些主要影响因素的调控得到的。开展氧化铝膜纳米孔形成机理的研究，对采用氧化铝模板法组装纳米阵列材料有极其重要的理论价值。近年来，PAA模板

18、在纳米结构制备科学领域中已经占有极其重要的地位并拥有广阔的应用前景。而这些应用离不开对其形貌参数(孔径、孔间距、厚度)实施主观控制。进一步研究氧化铝纳米孔生长机制，便可以控制纳米孔的具体形状，以及方便设计、组装纳米材料的阵列体系。随着PAA模板研究的进步，PAA模板法已发展成为纳米结构材料组装的重要技术之一，作为模板材料，多孔阳极氧化铝模板为科学研究提供了一种新的思路方向。利用物理和化学的方法可在多孔阳极氧化铝模板的纳米级微孔中沉积金属、半导体、碳等多种材料,从而制备出金属、半导体纳米材料、碳纳米管及碳纳米复合材料等多种纳米功能材料,这些材料在许多方面都有很大的应用潜力。人们通过改变铝阳极氧化

19、条件制备出了多种特殊型纳米 PAA 模板，并利用这些模板结合物理或化学方法成功地合成了多种新型纳米功能材料。包括合成金属纳米线 1-2、催化 3-4、传感5-6、过滤和仿生7等。国外发达国家在这方面的工作开展得较早,如日本和美国早在20世纪80年代后期就开始了研究,现在在磁性纳米材料方面已经开发出了一些专利。然而目前并没有统一的机理来完关解释纳米多孔现象，对于多孔阳极氧化铝的研究也并不完善。这需要进一步优化其制备工序，探索更廉价更快速制备模板的方法;探究多孔阳极氧化铝模板形成的物理、化学本质；进一步精确调控模板的各项参数。迄今为止，PAA膜纳米孔洞的生长机理仍未完全弄清楚，还没有一种理论能解释

20、所有实验现象。纳米材料结构特殊,具有很多新异的特性和功能,是目前材料科学研究的一个热点。目前国内外研究者主要利用孔道结构均匀规整的常规PAA模板，制备各种孔径均一的一维纳米材料。将由氧化铝模板合成法制得的超微束状电极进行化学修饰,便可制得功能化的超微电极束,这种电极既保持了超微电极束的特性,又具有化学修饰电极的功能与效应,在生命科学和分析科学的研究领域中这种电极必将发挥其独特的作用。但是，随着各种纳米功能材料的出现和产业化进程的加快，如何高效、廉价地制备各种具有特殊形貌结构的纳米功能材料就成为纳米材料研究领域的重要目标。随着研究的不断发展，PAA模板的调控和制备技术将会有更新的突破，将出现更多

21、特殊型纳米PAA模板。这不仅从不同侧面为PAA膜的生长机理提供了研究线索，还为各种特殊形态的纳米材料的制备提供了基础，反过来生长机理的研究又会进一步促进特殊型纳米PAA模板的制备研究。我们应该充分利用纳米材料的特性,注意将其与其它一些学科相结合,这样一来纳米材料的应用前景会更为广阔。我国应加快阳极氧化铝模板的商品化步伐,大力促进我国纳米科技的发展。总之，新型PAA模板必将在光学、电学、磁学等纳米结构功能材料和器件中显示出巨大的应用潜力和广阔的应用前景，在材料科学领域中呈现出巨大的应用价值。三、混沌及其应用混沌,是非线性行为的理论学说。混沌提供了一种了解很多生物现象的新工具1,2,随着各种成功的

22、非线性动力学概念和技术被用于人体生理过程中的非线性行为,使人们已能更好地理解复杂的心律失常、浦肯野氏纤维传导、房室传导类型等等3,4。讲到混沌就离不开分形,本文将就混沌与分形概念、两者在心脏病学中的应用,以及常用的非线性动力学方法进行综述。混沌的特点如下：(1)混沌是确定性和随机性两者的结合。在牛顿物理学中,如果知道了方程(例如抛物线)和初始状态(例如X和K),就可以准确预测系统行为。不象牛顿物理学,混沌行为永不准确重复自己,没有可辨别的周期使它在规则的间隔返回。(2)混沌系统表现为敏感地依赖初始状态。这句话的意思是非常小的初始状态的差别将导致巨大的结果差别。(3)混沌行为被约束在比较窄的范围

23、内。虽然表现为随机的,系统行为实际是有界限的,而非无界限的漫游。(4)混沌行为有确定的形式。混沌行为不但是受约束的,而且有特定的行为模式5。2.2 分形分形是以几何学的观点去观察一些看起来毫无规律的图形,如云团、海岸线、血管结构等。分形的突出特点是分数维和自相似。所谓分数维是指维数在日常所见的一维、二维、三维之间,其值不是一个整数。如一个正方形是二维,一本杂志是三维;但我们无法断定人体的血管组织其整个组织到底是处于一维、二维、还是三维空间,因为无法在长度、面积或体积上找到共有意义的表达,也即用整数维表达血管组织没有意义,因此整数维不能准确刻划出它的性质,但我们可用分数维(分形维,简称

24、分维)的概念来定义这些形体。有关分维的内容我们还要详细论述。分形的另一个特征是自相似,即指某种结构或过程的特征从不同的空间尺度或时间尺度来看都是相似的,比如浦肯野氏系统、冠状动脉树分枝等6。具有分形结构的系统其行为往往表现为混沌6。3 在心脏病学中的应用3.1 用于解决心血管的形态学问题心脏结构在很多方面具有自相似或类分形的表现,如可用分形网展示浦肯野氏系统,可用分形分析冠状动脉树分枝和局部心肌灌流的不均匀性。在老鼠身上,研究者发现肺动脉高压发展伴随着肺动脉树分维值的减低16。此外,用一个具有分形传导系统的心室模型模拟QRS复合波的发生,研究由于传导系统几何结构的改变而引起

25、正常QRS频率成份的改变。用这种分形网络建立的心肌细胞的慢传导可以导致晚电位或对QRS高频成份的选择性衰减7。3.2 用于评价心脏自主神经功能心率变异是心脏节律变化心律不齐的新描述。人体中影响心率变异的因素非常复杂,包括脑的高级神经活动,中枢神经系统的自发性节律活动,由压力、化学感受器引导的心血管反射活动等,但上述各种因素最终的效果是对心交感、迷走神经系统进行调节。临床上心率变异分析主要用于评估心自主神经功能。由于心脏节律变化除有周期性外还具有非线性变化的特点,即各种生理因素使心率的总变化不是各因素作用的简单叠加,故用非线性分析技术可以分析心率非线性变化的特点8。Osaka采用相关维

26、(分维的一种)分析研究了心得安、阿托品、体位变化对自主神经系统的影响,他发现抑制交感神经系统活性可以增加相关维,而抑制副交感神经系统活性可以降低相关维,从而提出用心率变异的相关维作为人类自主神经功能的新指标9。用相关维预测室颤可以说是一个很好的例子。各种研究显示急性心梗后心率变异的减低与室颤的危险度增加有关。相关维反映了心率稳定状态,高维暗示系统的复杂结构,并可以指示正常的心率自主控制。用逐点相关维数对人和动物进行的研究显示,在冠状动脉结扎昏迷的5头猪身上,室颤前几分钟相关维由2.50±0.81下降至1.07±0.18。用Holter系统对曾患过室颤患者、正常人及无室颤的室

27、性心动过速研究表明,室颤患者均为低维<1.3,室颤前几分钟相关维降至一稳定范围0.81.3,因此心率的低混沌维预示着室颤的危险10。当前用于心率变异研究的非线性方法除了上边提到的相关维,常用的还有散点图、Lyapunov指数等等11。3.3 对于室性期前收缩的研究用分形几何学还可以研究心脏节律。一种简单的方法是将几何形体的一致或均匀性作为对系统的评价,时间轴按类推作为一个共同的坐标。Stein等将患者的室性期前收缩(用自动心电图仪记录)在时间上的分布用这种特殊的分形表示thefractaldust,从而测定维数D,D可将患者的室性异搏均匀性或成簇性数量化。通过严重充血性心力衰竭

28、的研究结果显示,维数D具有预测的重要性。当患者具有成簇异搏时(维数近零,交感神经张力呈短暂的增高),其死亡率高于均匀分布异搏的患者(维数近1)11,12,相似的分析方法可以用于所有心脏节律。3.4 生理系统复杂性的反映传统医学知识认为,疾病和衰老都是起源于对一种在正常情况下是有序的、类似于机器的系统的压力,这种压力扰乱了人体的正常周期节律。可是对心脏窦性节律的研究发现,正常人即使在静息状态下,RR间隔仍表现出很大程度的变化,呈现出混沌状态,这种混沌主要是由自主神经系统控制的。疾病状态时RR间隔趋于整齐即复杂性减小了;同样,随着年龄的增加,这种复杂性亦同样减小。Kaplan等用混沌论观

29、察了健康老人的心率和血压的复杂性,发现相对于年轻人减小,因此与一般直觉相反,当心脏处于年青和健康时期时,它们表现出不规则性和不可预见性,而日益增强的规则行为往往伴随着衰老和疾病,预示着系统复杂性的减小13。3.5 用于控制心律失常一些研究发现,某些心律失常是呈混沌的,这一点十分重要,因为它可能产生新的治疗措施。我们知道,对初始条件的极度敏感使混沌系统显示出了不稳定和不可预测,然而相同的敏感又使它们对控制极度敏感。最近一项新的对策出现了,它试图应用混沌本身控制混沌系统。Grafinkel等通过在兔子心脏标本动脉灌注液中加G毒毛旋花苷和肾上腺等诱导心律失常。G毒毛旋花苷和肾上腺素诱导的自

30、发跳动起初有恒定的心跳间隔,然后发展成为双倍和多倍周期状态,显示了混沌系统的特性。接下来通过埋藏在标本中的白金电极,由计算机控制,通过用混沌论决定的在不规则时间里对心脏电刺激,结果异常的节律变成了窦节律。许多临床上重要的快速型心律失常如房颤、多形态室性心动过速、多源性房性心动过速、室颤是非周期性的,未来的混沌控制策略可以通过一个灵巧的起搏器完成,它能恢复心脏节律使其达到正常14。4 非线性行为分析方法目前常用的非线性行为分析方法有相平面图、回归图、Lyapunov指数、分形维5,6。4.1 相平面图相平面图(Phaseplaneplots)是动力学系统行为在状态空间的代表,

31、它的典型图形形式是以信号的位置记于X轴,对应于信号速度记于Y轴,每一个循环周期称为轨线,代表着系统在给定时间周期的行为。二维相平面图是最常用的。周期信号的相平面图每个周期都有相同的轨线,即轨线重叠;随机信号轨线无结构,呈现非确定模式。混沌信号的相平面图虽然没有周期轨线,但确呈现出确定的模式,轨线限定在一狭窄的范围内,呈带状,类似土星的环,代表着邻近不重复轨线组。相平面图最大的缺点是它对噪音的敏感,因此记录系统和数据必须尽可能的无噪音。4.2 回归图回归图(Returnmap)类似相平面图,但分析的数据必须是离散的;如果不是,必须转换为数字形式。典型的回归图代表了一时间系列中给定点(描

32、于X)和其次点(描于Y)之间关系,两个点在时间上的差异称为延迟,延迟充当了数据中噪音的平滑机制,使得回归图的噪音敏感度低于相平面图。回归图清楚地分辨混沌和随机信号。4.3 Lyapunov指数Lyapunov指数方法用于辅助状态空间图分析。我们知道混沌系统表现为对初始条件的敏感依赖性,在状态空间,敏感依赖表现在图上为邻近轨线从最初靠近位置大大的发散。Lyapunov指数是这个分离速度的定量测量。指数的数量大小反映了系统的混沌程度,指数值愈大,则系统愈混沌。在三维系统,周期信号和随机信号Lyapunov指数为0,而一个混沌信号该指数为一正数。4.4 分形维(Fractaldi

33、mension)前边我们谈到可用分形维(分数维,简称分维)的概念来定义一些复杂形体,这里分形维不只是一个空间的抽象,更是一个有意义的定量。分形维可以定义为一个形体填充其所在空间的趋势。例如,一条线可分成两条边长为1/2的、三条边长为1/3的、四条边长为1/4的线。所以,对比较小的线而言,一条线的容量可表示为边长标量的一次幂;同样一个正方形的容量可表示为边长标量的2次幂。如果我们用r表示边长,在给定r情况下的容量为N(r),N(r)同(l/r)成比例,D定义为当r趋于零时,N(r)/(l/r)的极限,即D=limLog(N/(r)/Log(l/r)。分形维的计算很技巧,有关内容可以查阅文献。四、

34、磁场在生活和科学技术中的应用微波通信（Microwave Communication），是使用波长在1毫米至1米之间的电磁波微波进行的通信。该波长段电磁波所对应的频率范围是300 MHz（0.3 GHz）300 GHz。与同轴电缆通信、光纤通信和卫星通信等现代通信网传输方式不同的是，微波通信是直接使用微波作为介质进行的通信，不需要固体介质，当两点间直线距离内无障碍时就可以使用微波传送。利用微波进行通信具有容量大、质量好并可传至很远的距离，因此是国家通信网的一种重要通信手段，也普遍适用于各种专用通信网。微波通信使用波长为1m至0.1mm（频率为0.3GHz3THz）的电磁波进行的通信。包括地面微

35、波接力通信、对流层散射通信、卫星通信、空间通信及工作于微波波段的移动通信。微波通信具有可用频带宽、通信容量大、传输损伤小、抗干扰能力强等特点，可用于点对点、一点对多点或广播等通信方式。中国微波通信广泛应用L、S、C、X诸频段，K频段的应用尚在开发之中。由于微波的频率极高，波长又很短，其在空中的传播特性与光波相近，也就是直线前进，遇到阻挡就被反射或被阻断，因此微波通信的主要方式是视距通信，超过视距以后需要中继转发。一般说来，由于地球曲面的影响以及空间传输的损耗，每隔50公里左右，就需要设置中继站，将电波放大转发而延伸。这种通信方式，也称为微波中继通信或称微波接力通信。长距离微波通信干线可以经过几

36、十次中继而传至数千公里仍可保持很高的通信质量。微波的发展是与无线通信的发展是分不开的。1901年马克尼使用800KHz中波信号进行了从英国到北美纽芬兰的世界上第一次横跨大西洋的无线电波的通信试验，开创了人类无线通信的新纪元。无线通信初期，人们使用长波及中波来通信。20世纪20年代初人们发现了短波通信，直到20世纪60年代卫星通信的兴起，它一直是国际远距离通信的主要手段，并且对目前的应急和军事通信仍然很重要。用于空间传输的电波是一种电磁波，其传播的速度等于光速。无线电波可以按照频率或波长来分类和命名。我们把频率高于300MHz的电磁波称为微波。由于各波段的传播特性各异，因此，可以用于不同的通信系

37、统。例如，中波主要沿地面传播，绕射能力强，适用于广播和海上通信。而短波具有较强的电离层反射能力，适用于环球通信。超短波和微波的绕射能力较差，可作为视距或超视距中继通信。1931年在英国多佛与法国加莱之间建起世界上第一条微波通信电路。第二次世界大战后，微波接力通信得到迅速发展。1955年对流层散射通信在北美试验成功。20世纪50年代开始进行卫星通信试验，60年代中期投入使用。由于微波波段频率资源极为丰富，而微波波段以下的频谱十分拥挤，为此移动通信等也向微波波段发展。此外数字技术及微电子技术的发展，也促进了微波通信逐步从模拟微波通信向数字微波通信过渡。微波通信是二十世纪50年代的产物。由于其通信的

38、容量大而投资费用省（约占电缆投资的五分之一），建设速度快，抗灾能力强等优点而取得迅速的发展。20世纪40年代到50年代产生了传输频带较宽，性能较稳定的微波通信，成为长距离大容量地面干线无线传输的主要手段，模拟调频传输容量高达2700路，也可同时传输高质量的彩色电视，而后逐步进入中容量乃至大容量数字微波传输。80年代中期以来，随着频率选择性色散衰落对数字微波传输中断影响的发现以及一系列自适应衰落对抗技术与高状态调制与检测技术的发展，使数字微波传输产生了一个革命性的变化。特别应该指出的是80年代至90年代发展起来的一整套高速多状态的自适应编码调制解调技术与信号处理及信号检测技术的迅速发展，对现今的

39、卫星通信，移动通信，全数字HDTV传输，通用高速有线/无线的接入，乃至高质量的磁性记录等诸多领域的信号设计和信号的处理应用，起到了重要的作用。国外发达国家的微波中继通信在长途通信网中所占的比例高达50%以上。据统计美国为66%，日本为50%，法国为54%。我国自1956年从东德引进第一套微波通信设备以来，经过仿制和自发研制过程，已经取得了很大的成就，在1976年的唐山大地震中，在京津之间的同轴电缆全部断裂的情况下，六个微波通道全部安然无恙。九十年代的长江中下游的特大洪灾中，微波通信又一次显示了它的巨大威力。在当今世界的通信革命中，微波通信仍是最有发展前景的通信手段之一。1 微波站的设

40、备包括天线、收发信机、调制器、多路复用设备以及电源设备、自动控制设备等。为了把电波聚集起来成为波束,送至远方，一般都采用抛物面天线，其聚焦作用可大大增加传送距离。抛物面天线是一种将在电磁波谱上的超高频/特高频用于无线电、电视、数据通讯的高增益反射天线，也常被用来做无线电定位（雷达）。多个收发信机可以共同使用一个天线而互不干扰，中国现用微波系统在同一频段同一方向可以有六收六发同时工作，也可以八收八发同时工作以增加微波电路的总体容量。多路复用设备有模拟和数字之分。模拟微波系统每个收发信机可以工作于60路、960路、1800路或2700路通信，可用于不同容量等级的微波电路。数字微波系统应用数字复用设

41、备以30路电话按时分复用原理组成一次群，进而可组成二次群120路、三次群480路、四次群1920路,并经过数字调制器调制于发射机上，在接收端经数字解调器还原成多路电话。最新的微波通信设备,其数字系列标准与光纤通信的同步数字系列（SDH）完全一致，称为SDH微波。这种微波设备在一条电路上，八个束波可以同时传送三万多路数字电话电路（2.4Gbit/s）。微波通信系统由发信机、收信机、天馈线系统、多路复用设备、及用户终端设备等组成，如图2所示。其中，发信机由调制器、上变频器、高功率放大器组成，收信机由低噪声放大器、下变频器，解调器组成；天馈线系统由馈线、双工器及天线组成。用户终端设备把各种信息变换成

42、电信号。多路复用设备则把多个用户的电信号构成共享一个传输信道的基带信号。在发信机中调制器把基带信号调制到中频再经上变频变至射频，也可直接调制到射频。在模拟微波通信系统中，常用的调制方式是调频；在数字微波通信系统中，常用多相数字调相方式，大容量数字微波则采用有效利用频谱的多进制数字调制及组合调制等调制方式。发信机中的高功率放大器用于把发送的射频信号提高到足够的电平，以满足经信道传输后的接收场强。收信机中的低噪声放大器用于提高收信机的灵敏度；下变频器用于中频信号与微波信号之间的变换以实现固定中频的高增益稳定放大；解调器的功能是进行调制的逆变换。微波通信天线一般为强方向性、高效率、高增益的反射面天线

43、，常用的有抛物面天线、卡塞格伦天线等，馈线主要采用波导或同轴电缆。在地面接力和卫星通信系统中，还需以中继站或卫星转发器等作为中继转发装置。微波传播特点微波通信中电波所涉及的媒质有地球表面、地球大气（对流层、电离层和地磁场等）及星际空间等。按媒质分布对传播的作用可分为：连续的（均匀的或不均匀的）介质体，如对流层，电离层等，及离散的散射体，如雨滴、冰雷、飞机及其它飞行物等。微波通信中的电波传播，可分为视距传播及超视距传播两大类。视距传播时，发射点和接收点双方都在无线电视线范围内，利用视距传播的有地面微波接力通信、卫星通信、空间通信及微波移动通信。其特点是信号沿直线或视线路径传播，信号的传播受自由空

44、间的衰耗和媒质信道参数的影响。如地-地传播的影响包括地面、地物对电波的绕射、反射和折射、特别是近地对流层对电波的折射、吸收和散射；大气层中水气、凝结体和悬浮物对电波的吸收和散射。它们会引起信号幅度的衰落，多径时延，传波角的起伏和去极化（即交叉极化率的降低）等效应。在地-空和空-空视距传播中，主要考虑大气和大气层中沉降物的影响，而地面、地物和近地对流层对地-空、空-空传播的影响则比对地面视距传播的影响小，有时可以忽略不计。对流层超视距前向散射传播是利用对流层近地折射率梯度及介质的随机不连续性对入射无线电波的再辐射将部分无线电波前向散射到超视距接收点的一种传播方式。前向散射衰耗很大，且衰落深度远大

45、于地面视距微波通信，从而使可用频带受到限制，但站距则可远大于地面视距通信。分类根据通信方式和确定信道主要性质的传输媒质的不同，微波通信可分为大气层视距地面微波通信、对流层超视距散射通信、穿过电离层和外层自由空间的卫星通信，以及主要在自由空间中传播的空间通信。按基带信号形式的不同，微波通信可分为主要用于传输多路载波电话、载波电报、电视节目等的模拟微波通信，以及主要用于传输多路数字电话、高速数据、数字电视、电视会议和其它新型电信业务的数字微波通信。7.1 微波接力通信利用微波视距传播以接力站的接力方式离微波通信，也称微波中继通信。微波接力系统由两端的终端站及中间的若干接力站组成，为地面视距点对点通

46、信。各站收发设备均衡配置，站距约50km，天线直径1.54m，半功率角35°，发射机功率110W，接收机噪声系数310dB（相当噪声温度290261K），必要时二重分集接收。模拟调频微波容量可达18002700路，数字多进制正交调幅微波容量可达144Mbit/s。设备投资和施工费用较少，维护方便；工程施工与设备安装周期较短，利用车载式微波站，可迅速抢修沟通电路。7.2 对流层散射通信利用对流层中媒质的不均匀体的不连续界面对微波的散射作用实现的超视距无线通信。常用频段为0.25GHz，为地面超视距点对点通信。跨距数百公里，大型广告牌（抛物面）天线等效直径可达3035m，射束半功率角12

47、°，有孔径介质耦合损耗，发射机功率550kW，四重分集接收，容量数十话路至百余话路。对流层散射通信一般不受太阳活动及核爆炸的影响，可在山区、丘陵、沙漠、沼泽、海湾岛屿等地域建立通信电路。7.3 卫星通信地球站之间利用人造地球卫星上的转发器转发信号的无线电通信，为地一空视距多址通信系统，卫星中继站受能源和散热条件的限制，故地-空设备偏重配置。同步卫星系统，空间段单程大于3.6万公里，地面站天线直径1532m，增益60dB，射束半功率角0.11°，需要自动跟踪，发射机功率0.55kW。卫星中继站，下行全球波束用喇叭天线，点波束用抛物面天线，可借助波束分隔进行频率再用。转发器功率

48、数十瓦，带宽一般为36MHz，容量500010000话路。卫星通信覆盖面广，时延长，信号易被截获、窃听、甚至干扰。一种容量较小的可适用于稀路由的甚小天线地球站（VSAT）适用于数据通信。7.4 空间通信利用微波在星体（包括人造卫星、宇宙飞船等航天器）之间进行的通信。它包括地球站与航天器、航天器与航天器之间的通信、以及地球站之间通过卫星间转发的卫星通信。地球站与航天器之间的通信分近空通信与深空通信。在深空通信时，为了实现从髙噪声背景中提取微弱信号，需采用特种编码和调制、相干接收和频带压缩等技术。7.5 微波移动通信通信双方或一方处于运动中的微波通信，分陆上、海上及航空三类移动通信。陆上移动通信多

49、使用150，450或900MHz的频段，并正向更高频段发展。海上、航空及陆上移动通信均可使用卫星通信。海事卫星可提供此种移动通信业务。低地球轨道（LEO）的轻卫星将广泛用于移动通信业务。通信方式地面上的远距离微波通信通常采用中继（接力）方式进行，原因如下：微波波长短，具有视距传播特性。而地球表面是个曲面，电磁波长距离传输时，会受到地面的阻挡。为了延长通信距离，需要在两地之间设立若干中继站，进行电磁波转接。微波传播有损耗，随着通信距离的增加信号衰减，有必要采用中继方式对信号逐段接收、放大后发送给下一段，延长通信距离。业务种类微波通信由于其频带宽、容量大、可以用于各种电信业务的传送,如电话、电报、

50、数据、传真以及彩色电视等均可通过微波电路传输。抗衰落技术微波传输也会受到很多外界因素的干扰而衰落。从衰落的物理因素来看，可以分成以下几种类型：吸收衰落：大气中的氧分子和水分子能从电磁波吸收能量，导致微波在传播的过程中的能量损耗而产生衰耗。频率越高，站距越长，衰落越严重。雨雾引起的散射衰落：雨雾中的大小水滴能够散射电磁波的能量，因而造成电磁波的能量损失而产生衰落。雨雾天气时，对高频微波影响大。K型衰落：多径传输产生的干涉型衰落。由于这种衰落与大气的折射参数K值的变化而变化的，故称为K型衰落。这种衰落在水面、湖泊、平滑的地面时显得特别严重。波导型衰落：由于气象的影响，大气层中会形成不均匀的大气波导

51、。微波射线通过大气波导，则接收点的电场强度包含了“波导层”以外的反射波，形成严重的干扰型衰落，造成通信的中断。闪烁衰落：对流层中的大气常发生大气湍流，大气湍流形成的不均匀的块式层状物使介电系数与周围的不同。当微波射线射到不均匀的块式层状物上来时，将使电波向周围辐射，形成对流层散射。此时接收点也可以接收到多径传来的这种散射波，形成快衰落。由于这种衰落是由于多径产生的，因此称之为闪烁衰落。对抗这些衰落的技术有自适应均衡、自动发信功率控制（ATPC）、前向纠错（FEC）和分集接收技术等。主要特点微波通信具有良好的抗灾性能，对水灾、风灾以及地震等自然灾害，微波通信一般都不受影响。但微波经空中传送，易受

52、干扰，在同一微波电路上不能使用相同频率于同一方向，因此微波电路必须在无线电管理部门的严格管理之下进行建设。此外由于微波直线传播的特性，在电波波束方向上，不能有高楼阻挡,因此城市规划部门要考虑城市空间微波通道的规划，使之不受高楼的阻隔而影响通信。发展概况中国开发成功点对多点微波通信系统，其中心站采用全向天线向四周发射，在周围50公里以内，可以有多个点放置用户站，从用户站再分出多路电话分别接至各用户使用。其总体容量有100线、500线和1000线等不同的容量的设备，每个用户站可以分配十几或数十个电话用户，在必要时还可通过中继站延伸至数百公里外的用户使用。这种点对多点微波通信系统对于城市郊区、县城至

53、农村村镇或沿海岛屿的用户、对分散的居民点也十分合用，较为经济。微波通信还有“对流层散射通信”、“流星余迹通信”等，是利用高层大气的不均匀性或流星的余迹对电波的散射作用而达到超过视距的通信，这些系统，在中国应用较少。特征微波的基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性。对于玻璃、塑料和瓷器，微波几乎是穿越而不被吸收。对于水和食物等就会吸收微波而使自身发热。而对金属类东西，则会反射微波。一、穿透性微波比其它用于辐射加热的电磁波，如红外线、远红外线等波长长。微波透入介质时，由于介质损耗引起的介质温度的升高，使介质材料内部、外部几乎同时加热升温，形成体热源状态，大大缩短了常规加热中的热传导时间，且在条

54、件为介质损耗因数与介质温度呈负相关关系时，物料内外加热均匀一致。二、选择性加热物质吸收微波的能力，主要由其介质损耗因数来决定。介质损耗因数大的物质对微波的吸收能力就强，相反，介质损耗因数小的物质吸收微波的能力也弱。由于各物质的损耗因数存在差异，微波加热就表现出选择性加热的特点。物质不同，产生的热效果也不同。水分子属极性分子，介电常数较大，其介质损耗因数也很大，对微波具有强吸收能力。而蛋白质、碳水化合物等的介电常数相对较小，其对微波的吸收能力比水小得多。因此，对于食品来说，含水量的多少对微波加热效果影响很大。三、热惯性小微波对介质材料是瞬时加热升温，能耗也很低。另一方面，微波的输出功率随时可调，

55、介质温升可无惰性的随之改变，不存在“余热”现象，极有利于自动控制和连续化生产的需要。原理1、微波同光波一样，是直线传播的，要求两个通信地点（两个微波站）之间没有阻挡，信号才能传到对方，即所谓的视距传播。在微波的频段使用方面，各国的微波设备往往首先使用4GHz频段。目前各国的通信设备已使用到2、4、5、6、7、8、11、15、20GHz等各频段。我国的数字微波通信已有2、4、6、7、8、11GHz各频段的设备。频率低，其电波传播较稳定，但其设备及元器件的尺寸也较大，当天线口径一定时，微波频率越低，天线增益也越低。对微波频率的选取要遵照CCIR的建议和各国无线电管理委员会的规定，经申请后得到批准才

56、行。2、就微波通信的性能而论，数字微波通信的特点可概括为微波、多路、接力六个字。3、“微波”指通信频率是微波频段，又包括分米波、厘米波和毫米波。微波频段宽度是长波、中波、短波及特高频几个频段总和的l000倍。微波频率不受天电干扰和工业干扰及太阳黑子变化的影响，通信的可靠性较高。还因微波频率高，所以其天线尺寸较小，往往做成面式天线，其天线增益较高、方向性很强。4、“多路”指微波通信不但总的频段宽，传输容量大，而且其通信设备的通频带也可以做得很宽。例如，一个4000MHz的设备，其通频带按l%估算，可达40MHz。模拟微波的960路电话总频谱约为4MHz带宽。可见，一套微波收发信设备可传输的话路数

57、是相当多的。因数字信号占用带宽较宽，所以数字微波通信设备在选择适当的调制方式后，可传输的话路容量仍然是相当多的。5、“接力”因微波频段的电磁波在视距范围内是沿直线传播的，通信距离一般为4050km。考虑到地球表面的弯曲，在进行长距离通信时，就必须采用接力的传播方式，发端信号经若干中间站多次转发，才能到达收端。五、生活中的LED及其应用LED = Light Emitting Diode，发光二极管，是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。曾经有人指出，高亮度LED将是人类继爱迪生发明白炽灯泡后，最伟大的发明之一。随着国际国

58、内的经济发展，LED的应用领域正不断扩展，可以说在生活无处不在！  首先，在照明领域，LED正以绝对优势吞噬者整个领域。LED被称为第四代照明光源或绿色光源，具有节能、环保、寿命长、体积小等特点，可以广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城市夜景等领域。比如（1）便携灯具:手电筒、头灯、矿工灯、潜水灯等；（2）汽车用灯:汽车内部的仪表板、音响指示灯、开关的背光源、阅读灯和外部的高位刹车灯、刹车灯、转向灯、倒车灯、尾灯、侧灯以及头灯等，大功率的LED已被大量用于汽车照明中。（3）特殊照明:太阳能庭院灯、太阳能路灯、水底灯等；由于LED尺寸小，便于动态的亮度和颜色控制，因此比较适合用于建筑装饰照明。（4）背光照明:LED背光源以高效侧发光的背光源最为引人注目，LED作为LCD背光源应用，具有寿命长、发光效率高、无干扰和性价比高等特点， 已广泛应用于电子手表、手机、BP机、电子计算器和刷卡