激光和光纤材料

1、激光和光纤材料第1页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五2光纤材料2激光材料31第2页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五第一节 激光材料第3页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五4一、激光与激光器第4页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五第5页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五6一、激光及激光器概述20世纪四大发明： 原子能 计算机 半导体 激光器激光应用通信：激光武器医学第6页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五7英文名：LASER(Light Amplificatio

2、n by Stimulated Emission of Radiation) “镭射”、“莱塞”中文名：1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”“最快的刀”“最准的尺”“最亮的光”奇异的激光小学五年级语文课文第7页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五激光器的诞生19世纪的科学家们进行了关于电磁波的研究1905年爱因斯坦提出了光量子和光电效应的概念，揭示了辐射的波粒二象性 1916年爱因斯坦提出了受激辐射的概念1900年普朗克引入的能量量子化的概念 基础性、探索性研究第8页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五激光走向新技术的开发和

3、工程应用阶段1954年研制成第一台微波激射器 1958年美国的Charles H.Townes和苏联的Nikolay G.Basov及Aleksandr M.Prokhorow等人提出了激光的概念和理论设计（1964年诺贝尔物理学奖）1960年美国的梅曼研制成功第一台红宝石激光器；贾万等人研制成氦氖激光器。我国的第一台激光器于1961年在长春光机所创制成功 第9页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五1965年，第一台可产生大功率激光的器件-二氧化碳激光器诞生。 1967年，第一台射线激光器研制成功。 第10页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五11二、激

4、光的特点及应用1.方向性好：发散角小：激光器发射的激光，天生就是朝一个方向射出，光束的发散角极小，大约为0.001rad，接近平行。1962年，人类第一次用激光照射月球，地球距离月球的距离大约为38万公里，但激光在月球表面的光斑不到两公里；第11页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五12亮度高：由于激光的发射能力强和能量的高度集中，所以亮度很高，它比普通光源高亿万倍，比太阳表面的亮度高几百亿倍。亮度是衡量一个光源质量的重要指标，若将中等强度的激光束经过会聚，可在焦点出产生几千到几万度的高温。 激光能量在时间和空间上高度集中，能在极 小区域产生几百万度的高温。激光加工、激光手

5、术、激光武器等就利用了高亮度的特点。激光切割第12页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五132.单色性好：单色性好 ：光的颜色由光的不同波长决定，不同的颜色，是不同波长的光作用于人的视觉的不同而反映出来。激光的波长基本一致，谱线宽度很窄，颜色很纯，单色性很好。由于这个特性，激光传递信息的容量大，实现光通信。第13页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五 计量工作的标准光源、激光通讯等利用了单色性好的特点。光缆第14页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五153.相干性好：相干性是所有波的共性，但由于各种光波的品质不同，导致它们的相干性也有

6、高低之分。普通光是自发辐射光，不会产生干涉现象。激光不同于普通光源，它是受激辐射光，具有极强的相干性，所以称为相干光。相干条件（Coherent Condition）：振动方向相同；振动频率相同；相位相同或相位差保持恒定那么在两束光相遇的区域内就会产生干涉现象。第15页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五激光在信息领域的应用激光在生物医学领域的应用激光在工业领域的应用激光在国防科学领域的应用激光的应用第16页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五激光存储激光通信激光计算机激光打印机激光在信息领域的应用第17页，共136页，2022年，5月20日，2点25分

7、，星期五 上世纪80年代，出现了一种新的存储介质光盘，由于它存储密度高而被广泛应用于音响影视及计算机设备等领域，并逐渐取代磁带、磁盘等存储介质。 光盘存储第18页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五目前比较普及的直径为12cm 的混合数据 CDR 盘片，已可记录700MB以上的用户数据，激光束烧结的最小凹坑长度小于l mm，采用波长为 780790 nm 的红外激光读取数据。 光盘系统技术的研发始于20世纪50年代末期, 70 年代末期逐渐实现商品化. 在光盘记录读取设备中，光学系统可将激光会聚成比针尖还小的光束, 用这样的光束在介质上记录的信息点的空间尺寸非常小.第19页

8、，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五对直径为12 cm 单面单层的 DVD盘片, 记录数据量达到4.7 GB，激光束烧结的最小凹坑长度小于0.5mm，采用波长为635650 nm 的红色激光读取数据。光盘存储数据不仅数据记录密度特别大，而且从光盘检索和读取数据的速度非常快。 如读取音乐或影像数据，每秒需读取的信息点为 100万个到1 000万个。 此外, 光盘的实际使用寿命可以10年为单位计算。第20页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五DVD之后，光盘的主流向缩短激光器波长和增大光学系统数值孔径的方向发展。如激光波长短至400 nm左右（蓝光段），数值

9、孔径增至0 .8 0. 9，使用12 cm 光盘，单面单层容量可达到20G左右，这种光盘通常被统称为高密度DVD ( HDDVD)。 当然，用更短波长的激光和更大的数值孔径来增加光盘的数据存储密度是有限度的。目前普遍使用的聚碳酸酯盘基会对紫外光的传输产生损耗；在远场记录的情况下，数值孔径的理论极限值最大为1。 第21页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五激光全息存储是20世纪60年代随着激光全息技术的发展而出现的一种大容量高存储密度的存储方式。将全息技术运用在存储上面，理论上可以达到1000GB（1TB）以上的数据，目前的全息存储产品已经达到了300GB的容量，是下一代DV

10、D存储容量的6倍。特点 1.存储容量大,可达TB级存储 2.记录速度快 3.信息不易丢失 4.可长期保存 5.便于复制 6.可记录立体影像激光全息存储的实现原理第22页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五激光全息图第23页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五24激光全息防伪人民币（建国50周年纪念币）第24页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五现有的电子计算机远不能满足信息时代不断发展的要求，于是人们将注意力转移到光子计算机的研制上。所谓光子计算机，就是以光子作为主要信息载体，以光学系统作为计算机主体的一种新型计算机，光子计算机中的光

11、源是激光。理论上，光子计算机每秒可运算1022（100万亿）次，比当今最好的电子计算机还要快1000倍以上。激光打印机是一种将激光扫描技术和电子显像技术相结合的非击打输出设备。第25页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五以激光作为载体传递信息的一种通信方式。（1） 大气激光通信构造：调制器Laser放大器光电转换器解调器放大器发射机接收机发话器受话器发射望远镜接收望远镜大气传输第26页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五优点：结构简单，通信轻便。保密性好，抗干扰 能力强。缺点：在大气中传输，激光衰减严重，天气影响 大，且只能直线传播，通信受到限制。第27

12、页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五（2）空间激光通信卫星间的通信。在接近真空的环境下进行的激光通信，如卫星与激光在真空中传播衰减小，可用小功率激光器实现远距离通信。 优点：Laser第28页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五（3）水下（对潜）通信利用波长为0.460.53m的兰绿色激光（能穿透几百到几千米海水）在海水中进行通信。美国于1981年在圣地亚哥附近海域上空1200米与水下300米处潜艇用兰绿色激光通信并获成功第29页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五（4） 激光光纤通信光导纤维光缆光放大器光缆武汉传导原理：全反射让载

13、有信号的激光束通过光导纤维传输至对方以实现通信的方法。第30页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五激光光纤通讯由于光波的频率比电波的频率高好几个数量级, 一根极细的光纤能承载的信息量，相当于图片中这么粗的电缆所能承载的信息量.第31页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五主要分三类：激光生命科学研究激光诊断激光治疗医学方面的应用利用高亮度激光束产生的热效应，以及单色性好的激光束产生的生物效应可以治疗疾病。现在，激光技术已成为医学中的新技术，并且开始形成一个新医学分支激光医学。它可以医治包括眼科、妇科、皮肤科、内科、肿瘤科在内200多种疾病第32页，共136

14、页，2022年，5月20日，2点25分，星期五激光医疗机第33页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五聚焦起来的激光束内光功率密度可以极高。如一台普通激光器，它在1ms 内发射100 J光能量，光束发散角 。用焦距1cm的透镜聚焦，在焦点上的光功率密度约为材料对激光的反射率视波长的不同而不同，数值在 0.50 0. 98。激光在工业领域的应用激光机械加工用透镜聚集太阳光可以点燃火柴和纸片。激光的亮度比照射到地球表面的太阳光高千万亿倍，经光学系统聚集，能使材料瞬间熔化，可用做多种机械加工。激光的相干性极好，用光学系统可以聚焦成很小的光点，能做精密光刻，制造纳米材料等。 第34页

15、，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五即使材料表面对光的吸收率为l %，它吸收的激光功率密度也有 ，这个数值足可以把大多数金属瞬间加热融化、气化。 因此，用激光束可以在材料上打孔，可以对材料切割、焊接、划片、雕刻、去重和表面淬火处理。用激光作这样的机械加工，比用普通工具加工优越： 与材料无实体机械接触。避免出现工具磨损、断裂等损耗以及造成的损耗和误工，简化了装夹和固定零件的问题，还能在特殊条件下进行加工以及自动化操作加工。 引起零件发生的畸变量小。第35页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五 加工精度高。比如打孔，采用机械钻孔技术，能够加工的孔径有限，不能

16、打出很小的孔。对于钢材，钻孔不能小于 0 . 1 mm；对陶瓷材料，钻孔不能小于 0 . 5 mm。采用激光束打孔可以突破这些限制，在孔径比为10左右时，可以加工直径大约为 30mm 的孔。 节能。尤其是表面淬火处理，效果更为显著。早期主要用激光做精细加工，后来出现工业型高功率CO2 激光器和 Nd : YAG 激光器，开展了大型机械加工，比如汽车工业中的底盘切割和焊接、齿轮焊接、发动机汽缸热处理；石油工业中的钻头和抽油管的热处理等，生产实践表明收到了相当好的经济效益.第36页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五激光表面质量检测 质量检测是保证产品质量合格率的重要手段。以往

17、磁带、玻璃、纺织品、电子线路元件等表面的疵点、压痕、裂纹、气泡、针孔等缺陷,主要靠眼力检测。以激光的相干性和单色性为基础的检查技术，检查速度快，漏检率低，还可以在生产线上进行检查和分类。利用激光全息技术可以不用解剖样品而直接探出零件内部是否存在缺陷，以及缺陷的位置、大小，这就是所谓激光无损检测。芯片焊接无损检测系统 第37页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五飞机用的轮胎由这种方法检测,能够可靠地保证轮胎质量.做法是,先拍轮胎未打足气时的激光全息片,然后再拍打足气时的全息照片.如果轮胎内部没有缺陷,两张全息照片再现光波形成的干涉条纹分布均匀;如果存在缺陷,在相应部位的干涉条

18、纹发生畸变.利用激光全息技术也能方便地检测机械设备的动态形度，帮助设计人员了解产品中的薄弱环节，改进设计，提高产品质量。 第38页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五激光侦测激光制导激光武器 激光在国防科学领域的应用第39页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五LaserA 激光警卫光电探测器夜色降临，海面上有一无形的，视而不见，触而不觉的哨兵-红外激光探测器监视着海面，当有不速之客到来，光线挡断，光电探测器探测不到激光而进行声光报警。Laser第40页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五B 激光测距原理：主要构造：激光发射器；电源和显

19、示装置。激光接收器；记时器电源放大器光电转换 器距离显示器Laser激光发射器；激光接收器；射向目标来自目标参考光第41页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五C 激光侦察“室内讲话，墙外有耳”第42页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五 利用激光控制炸弹、炮弹、导弹，使这之“长上眼睛”，盯住目标，穷追不舍，直到将它消灭。装置：A-激光照射器；B-导弹发射器；C-尾部带有激光接 收器的制导导弹。ACBC第43页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五伊朗重磅激光制导炸弹“使者” 第44页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期

20、五我国“雷霆”-2型500公斤级激光制导炸弹第45页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五Laser直接利用高度集中的激光能量对敌人和敌人的武器进行杀伤、破坏的武器。特点：1）不需计算弹导，“指哪打哪”。2）不需计算提前量，“说时迟，那时快”。特 别适合攻击高速运动的目标。3）无反冲之扰；4）不受电子干扰。受天气影响，云雾、雨雪都有是激光难以逾越的障碍。局限：第46页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五美国劳伦斯利弗莫尔实验室进行固态激光实验，10千瓦的激光束用1/4秒的时间将铝板烧成这样，足够摧毁迫击炮弹 第47页，共136页，2022年，5月20日，2

21、点25分，星期五A 低能激光武器（激光轻武器、单兵激光武器）第一支激光枪是用红宝石激光器制成的可在近距离内烧毁衣服、皮肤，也可使人在不知不觉中致盲，破坏敌方夜视仪、测距仪等光电传感器且无声响。用途：第48页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五97-3式激光枪 （部分）第49页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五第50页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五第51页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五现状：1978年就制造出来了第一支激光枪。美国研制的AN/PLQ-5激光对抗装置，安装在M16A2步枪上，总重11.6k

22、g，电池包重7.6kg，可提供发射3000次的电力。海湾战争中已将其布置在战场上。据称可破坏2km外敌方光学传感器，对人当然可起到致盲作用。美国洛克希德.桑德斯公司开发的AN/PLQ-5激光对抗装置。在海湾战争中亮相。第52页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五“魟鱼”激光致盲武器1982年开始研制，1990年1-3月在野外试验成功，海湾战争中装配在美军第七步兵师，参加了“沙漠盾牌”和“沙漠风暴”作战。激光眩目瞄准具（英国） 是一种激光致盲瞄准具，1982年马岛战争期间安装在“竞技神”号战舰上，不料实战中效果良好，造成3架阿根廷飞机失事。所有这一切均是保密的。直至1989年

23、英军舰“考文垂”号上因帆布未盖好才被记者拍下照片，1990年公布于世。第53页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五第54页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五B 高能激光武器（激光炮）利用高功能激光摧毁敌方卫星、导弹、飞机、坦克等大型目标的武器。（现仍在研制阶段）第55页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五美国和以色列两国研制的移动战术高能激光武器 第56页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五 激光农业1 育种生物组织吸收激光能量后, 将引起生物体发生光-生物热效应、生物光压效应、生物光化学效应、生物电磁效应和生物

24、刺激效应, 由此会引起生物遗传异变. 基于这个道理, 现在激光在农业生产上已取得了相当好的效果.水稻、小麦等种子在播种前用激光照射, 会使之提早发芽、秧苗粗壮且生长加快，种植后分孽增多、抗病害能力增强、提早成熟、稻穗粒数增多，亦即收成增加. 第57页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五2 改良水果用激光照射蔬菜、果树等, 可提高产量和改善品质.一种称为沙子早生的桃树，果子肉厚甜嫩但它的雄花蕊发育不完全，不能很好地自身授粉，因此产量不高。现在采用激光技术已把它改造了过来，育出称为沙激1号和沙激2号新品种，其座果率达85 %，产量提高4 倍。而且果肉更厚更甜，营养物质天门冬氨酸

25、的含量也提高1535%。 沙田柚也是一种佳果，果肉嫩而蜜甜，但它有一个缺点, 果实内的籽太多, 每个果内平均有140150粒.第58页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五现在用激光技术对它进行了改造, 果内的籽大大减少，还有约10 的果内没有籽, 产量也获得提高, 平均一棵树多收1倍的柚子。激光技术也能提高畜牧、渔业生产能力。孵化前用激光照射蛋种, 可以提高孵化率。用激光照射过的牲畜精子，活力增强，有效保存期加长，提高了人工授精繁殖牲畜的能力。 激光照射可以改善鱼的生活习性，提高它对生活环境的适应能力及抗病害的能力。第59页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，

26、星期五二.激光原理电光是如何转换的？60(a)：自发辐射 处于高能级态的原子自发跃迁到低能级态，并同时向外辐射出一个光子；宏观表现：发光光子能量：第60页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五61(b)：受激吸收 处于低能级态的原子在一定条件下的辐射场作用下，吸收一个光子， 跃迁到高能级态；宏观表现：光被吸收第61页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五62(c)：受激辐射 处于高能级态的原子在一定条件下的辐射场作用下，跃迁到低能级态，并同时辐射出一个与入射光子完全一样的光子。宏观表现：光被放大第62页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五

27、自发辐射与受激辐射的区别自发辐射：完全是一种随机过程，各发光原子的发光过程各自独立，互不关联，即所辐射的光在发射方向上是无规则的射向四面八方，另外位相、偏振状态也各不相同。由于激发能级有一个宽度，所以发射光的频率也不是单一的，而有一个范围。受激辐射： 原子可发出与诱发光子全同的光子，不仅频率（能量）相同，而且发射方向、偏振方向以及光波的相位都完全一样。63第63页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五结论：受激辐射是产生激光的唯一渠道。64受激辐射占主导之必要条件；受激辐射受激吸收第64页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五实现受激辐射受激吸收的方法：65

28、使处在高能级的原子数目比处在低能级的多粒子数反转；如何从技术上实现粒子数反转？第65页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五泵浦源：用外界能量来激励工作物质，建立粒子数反转分布状态、使粒子从低能级抽运到高能级态的装置泵浦方式：光激励方式，气体辉光放电或高频放电方式，直接注入电子方式， 化学反应方式还有热激励、冲击波、电子束、核能等方式。第66页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五形成激光的三个条件 产生激光必要条件1. 实现粒子数反转 .使原子被激发 .要实现光放大 工作物质 光学谐振腔激励能源 部分反射镜 激励能源 全反射镜 激光输出 工作物质 光学谐振

29、腔L2：形成激光的三个条件第67页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五68三、激光器的基本结构第68页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五常用激光器由三部分组成： 工作物质 泵浦源 光学谐振腔激光工作物质激励能源谐振腔激光器结构示意图第69页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五70四、固体激光材料第70页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五常见激光器的种类固体激光器（晶体、玻璃）气体激光器（原子、分子、离子）液体激光器（用在液体中能发出荧光的有机染料分子作为激活剂）半导体激光器红宝石激光器半导体激光器第71页，共1

30、36页，2022年，5月20日，2点25分，星期五721、固体激光工作物质 固体激光工作物质由基质材料和激活离子两部分组成。基质材料：其作用主要是为激活离子提供一个适当的晶格场。决定工作物质的各种物理化学性质；激活离子：发光中心，实际上是少量掺杂离子，称为激活离子。激光的波长主要取决于激活离子的内部能级结构。第72页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五1-1、基质材料基质晶体优点：热导率高、硬度高、荧光谱线较窄。缺点：光学质量和掺杂的均匀性较差。第73页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五741-1、基质材料第74页，共136页，2022年，5月20日，

31、2点25分，星期五751-2、激活离子第75页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五2、红宝石激光器红宝石是在晶体氧化铝(Al2O3)中掺入少量的Cr2O3，由Cr3+部分取代Al3+而成，激活离子Cr3+。晶体颜色为淡红色，它是刚玉的一种。能级结构：铬失去的三个电子跃迁形成高能级电子，在光的激发下可受激发射而发光。76第76页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五2、红宝石激光器第77页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五红宝石激光器的工作过程红宝石棒两个端面精磨抛光，平行度在1（弧分）以内，其中一个端面镀银，成为全反射面，另一个端面平

32、镀银，成为透射率10% 的部分反射面。激励能源是光源螺旋形脉冲氙灯（现经常采用直管氙灯），氙灯在绿色和蓝色的光谱段有较强有光输出，这正好同红宝石的吸收光谱对应起来。由氙闪光灯发出的光照射到红宝石的侧面，外有聚光器加强照射效果，闪光灯通常一次工作几毫秒，输入能量1000-2000J，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，并转移到其中Cr3+的相应能级上。当由氙灯输入的能量超过激光器的阈值时，则每激励一次，就有一束相干光从红宝石的半镀银面射出，其波长为 6943 A（红光），谱线宽度小于0.1 A. 第78页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五红宝石

33、激光器特点输出694.3nm波长的可见激光。光谱线宽0.010.1nm，光斑直径为36mm。易于接收和检测；晶体升温时(大于50）时，荧光量子效率显著下降，谱线宽度增大，使激光输出水平下降甚至停振，故一般应采取冷却措施；激发效率较低，不适合连续工作；输出发散角较大，一般约为310mrad第79页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五中国第一台激光器-“小球照明红宝石”激光器在当时激发方式上，比国外激光器具有更好的激发效率第80页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五红宝石激光器的应用眼科：用于视网膜的焊接，治疗青光眼，虹膜的切除等； 激光的首次在医学上的成功

34、应用是进行眼内手术，无需要切开眼球。早在1962年，一台红宝石激光器将病人脱落的视网膜与眼球重新连接，使他恢复了视力。第81页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五红宝石激光器医学应用皮肤科：用于照射治疗； 激光去痣和激光美白：红宝石激光器波长为694.3nm的可见红光，这种波长的激光最不易被氧合血红蛋白吸收，而黑色素对其吸收率较高。激光脱毛：临床常用其长脉冲模式，深入皮肤真皮层，破坏毛囊，永久性去除身体多余毛发；第82页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五全息术实验用红宝石脉冲激光器拍摄的刚出壳的小鸡的反射全息图。 第83页，共136页，2022年，5月

35、20日，2点25分，星期五第二节 光纤技术第84页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五古代通信(烽火台的狼烟)、海上通信(手旗)一.光纤技术的历史发展第85页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五对通信的迫切需求推动了光纤的出现第86页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五从1876年发明电话到20世纪的60年代末，通信线路是铜制导线。我国采用的8管同轴电缆加上金属护套，质量达4吨/公里，有色金属的消耗实在是太大。1929年和1930年，美国的哈纳尔和德国的拉姆先后拉制出石英光纤且用于光线和图像的短距离传输； 此时的光纤波导的理论和应用技

36、术进展相当缓慢，主要原因是当时光纤损耗太大，达到几百甚至一千多分贝/公里，这种光纤对通信是毫无用处的。87第87页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五世界光纤之父：高锟 1966年，高锟博士发表了著名的论文“光频介质纤维表面波导”，明确提出通过改进制备工艺，减少原材料杂质，可使石英光纤的损耗大大下降，并有可能拉制出损耗低于20dB/km的光纤。高锟的工作是光纤通信领域的一个真正突破，具有里程碑意义。他明确了要解决的技术问题及其方法。88第88页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五1970年，美国的康宁玻璃公司（Corning Glass Co.）率先将高

37、锟博士的科学预言变为现实，研制出在0.6328um波长下损耗为20dB/km的石英光纤，取得了重要的技术突破。在短短几十年时间里，光纤的损耗已由1000dB/km下降到0.16dB/km，致使光纤通信在世界范围内形成一个充满活力的新兴产业。89第89页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五20世纪的80年代中期，全世界范围内的光纤通信开始走向实用化。石英玻璃光纤的质量为27克/公里。原料廉价，传输损耗小，不受外界电磁干扰，保密性强。1993年后，全球范围信息高速公路的建设。到2000年，世界光纤的年产量达到6000万公里以上，而已经铺设的光纤总长度到达2亿公里以上。正好印证了

38、电子到光电子的跨越。光纤的出现带动了集成光学的发展。90第90页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五二.光纤材料的基本概论第91页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五光纤的结构、材料及制造工艺 1.光纤的结构 光纤是一种丝状的圆柱光波导，它将光封闭在其内进行传递。大家知道，光是一种电磁波，其传播规律可由麦克斯韦方程来描述。当它所传播的空间中介质的物理变化尺寸远大于光的波长时，光的传播可用简化了的射线理论描述。从射线光学的角度看，光纤是一种利用全反射原理进行光信号传递的导波介质。下面我们从射线光学的角度简单介绍一下光在光纤中的传输原理。 光在两种均匀介质分

39、界面上的行为如图1.1所示， 第92页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五图1.1 光的反射与折射 第93页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五 图1.2所示，当光线从折射率大的介质进入折射率小的介质时，根据折射定律，折射角将大于入射角，当入射角增大时，折射角也随着增大，当入射角增大到0时，折射角等于90，0被称为临界角。由式(1.1)，临界角为(1.2) 第94页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五 图1.2 全反射过程示意图 第95页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五 当入射角大于临界角时，光由两介质的界面全

40、部反射回原介质，这种现象称为全反射。在全反射情况下，光能无损失地返回原介质。显然，只有当光从折射率大的介质进入折射率小的介质时，才能产生全反射。 光纤就是依据全反射原理构造的一种光波导，为了将光信号封闭在光纤中传输，根据全反射原理，光纤从纤芯到纤芯外部，折射率应有某种递减的规律，以保证全反射现象的出现。 第96页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五 图1.3为一种最基本的光纤结构，这种光纤称为阶跃光纤，其纤芯折射率n1大于包层折射率n2。光纤横截面上折射率分布如下式：(1.3) 第97页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五图1.3 阶跃光纤的结构及折射率

41、分布示意图 第98页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五损耗定义: 光纤的损耗特性光纤损耗是通信距离的固有限制，在很大程度上决定着传输系统的中继距离，损耗的降低依赖于工艺的提高和对石英材料的研究。若Pin是入纤的功率，则出纤功率Pout为：这里代表光纤损耗，L是光纤长度，习惯上光纤的损耗通过下式用dB/km来表示：第99页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五第100页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五第101页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五第102页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五示

42、例对于理想的光纤，不会有任何的损耗，对应的损耗系数为0dB/km，但在实际中这是不可能的。实际的低损耗光纤在900nm波长处的损耗为3dB/km，这表示传输1km后信号光功率将损失50，2km后损失达75(损失了6dB)。之所以可以这样进行运算，是因为用分贝表示的损耗具有可加性。第103页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五104三、光纤材料的组成第104页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五105第105页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五光纤的构造纤芯：高纯度SiO2+掺杂剂如GeO2等，2a：950m包层：高纯度SiO2+掺杂

43、剂如B2O3，2b：125 m 涂覆层：环氧树脂、硅橡胶和尼龙纤芯和包层都用石英作为基本材料，折射率差通过在纤芯和包层进行不同的掺杂来实现。纤芯掺入Ge和P 折射率包层掺入B 折射率第106页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五纤芯的作用是传导光波，包层的作用是将光波封闭在光纤中传播。为了达到这一目的，需保证纤芯材料的折射率n1大于包层材料的折射率n2。目前通信应用的光纤主要是石英玻璃光纤。其纤芯由掺有折射率比石英高的杂质的石英材料作成，而包层则往往在石英中掺入比石英折射率低的杂质。刚拉制出来的光纤就像普通玻璃丝一样是很脆弱的。为了保护光纤，提高其机械强度，作为产品提供的光

44、纤都在刚拉制后经过一道套塑工序，在其外表涂覆上一层甚至几层塑料层。通常光纤的套塑方式有松套和紧套两种。涂覆可以提高光纤的抗拉强度，同时改善其抗水性能。第107页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五纤芯 core：折射率较高，用来传送光；包层 coating：折射率较低，与纤芯一起形成全反射条件；保护套 jacket：强度大，能承受较大冲击，保护光纤。第108页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五 外径一般为125um(一根头发平均100um)内径：单模9um 多模50/62.5um12595012562.5125光纤的尺寸第109页，共136页，2022

45、年，5月20日，2点25分，星期五光纤传输信息具有许多优点：载频为31014Hz，约为电视通信所用超高频的100000倍，从而使信息载带容量或带宽激增；传输损耗很小，每单位传输距离只需要极少的放大器或中继站。与金属导线比起来，高频率下光纤损耗低得多，它可以传输几十公里乃至上百公里不必增加中继器，而金属同轴电缆没有中继器只能传输几公里。在理论上，光纤可以传送107路电视或1010路电话，可以把一个特大图书馆储藏的全部图书信息在短时间内全部传送完毕，其容量比金属同轴电缆大5个数量级。第110页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五光纤是绝缘体，不受邻近其它系统和其它物体产生杂散电

46、场的影响。因此不受干扰，基本上能防范电子间谍。 尺寸小、重量轻，有利于铺设和运输。光纤的芯径仅为单管同轴电缆的百分之一。8芯光缆直径约10mm，而标准同轴电缆为47mm。这样可以解决地下管网由于通信电缆太多而造成的拥挤问题。光纤材料主要是石英(SiO2)，它在地球上非常丰富。第111页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五缺点 光纤的塑性差（受外力时不能一直延伸，外力过大时会折断）。注意：虽然光纤坚硬且弯曲灵活，强度大，但如果光纤表面有裂纹，光纤就易损伤（脆，塑料涂层的作用就是防止光纤表面受到损伤）。 此外，切断与连接操作要求高。第112页，共136页，2022年，5月20日

47、，2点25分，星期五光纤材料的种类选材的准则：1. 能拉长、拉细、具有一定的柔韧性、可卷绕2. 在特定波长损耗低3. 能使纤芯的折射率略高于包层，满足波导条件按材料分类：1. 无源玻璃纤维；2. 有源玻璃纤维；3. 塑料纤维第113页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五无源玻璃纤维玻璃纤维的主材：SiO2 - 物理和化学稳定性好- 对通信光波段的透明性好折射率差的引入：通过在SiO2中掺入不同杂质增加非线性效应：通过掺入硫族元素GeO2-SiO2纤芯，SiO2包层P2O5-SiO2纤芯，SiO2包层SiO2纤芯，B2O3-SiO2包层在0.28mm具有极低损耗第114页，共

48、136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五有源玻璃纤维有源光纤：在SiO2中掺入稀土元素 (如：铒)- 光纤放大器 (如：掺铒光纤放大器)第115页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五塑料光纤聚合物(塑料)光纤(POF)：用于用户接入。尽管塑料光纤与玻璃光纤相比有更大的信号衰减，但韧性好，更为耐用直径大1020倍，连接时允许一定的差错，而不致牺牲耦合效率廉价的塑料注入成形技术，可用于制造光连接器、光分路器和收发设备。第116页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五光纤制造工艺 以石英光纤为例，实用的制造方法有内气相氧化法(IVPO)、外气相氧化法

49、(OVPO)、改进的化学气相沉积法(MCVD)、气相轴向沉积法(VAD)及等离子化学气相沉积法(PCVD)等。欧美及我国主要采用改进的化学气相沉积法MCVD法，该法提高了反应物浓度使沉积速率，比化学气相沉积(CVD)法快100倍以上，并且可在数小时内将预制件拉成几公里长的多模纤维，由于简单实用，已成为常规的光纤生产方法。日本则开发气相轴向沉积法VAD工艺，除回收率高外，还可制成大型预制件(达2500g，可拉制50m芯径的光纤580km)，可采用低纯原料。第117页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五许多厂家均以SiCl4为原料生产石英光纤，原因是Fe、Ni、Cu等氯化物易于

50、用精馏法除去。某些多晶硅生产厂家在用SiHCl3氢还原生产多晶硅的过程中产生大约30的副产物SiCl4，用这种副产物生产光纤显著降低了成本。为了获得纤芯与包层折射指数呈阶跃变化(SI型)或梯度变化(GI型)的光纤，生产芯料时皆在高纯SiCl4(99.9999)中加入百分之几的GeCl4，也有掺锗烷的。第118页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五四.光纤的应用(一)通信(二)传感器第119页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五光通信网有：(1)、全球海底网络：性能要求高的网络第一条国际海底光纤：连接英格兰和比利时，1986年铺设。第一条跨大西洋海底光缆（

51、TAT-8）：1988年铺设，由AT&T、英国电信、法国电信等共同进行，长度5600km，载8万个语音信道，单模光纤，波长1300nm，（光电光）再生中继器1个/50km，并用能传输1.6A电流的单独导线为中继器供电（缺点）。 1996年连接美国和欧洲的TAT-12和TAT-13用波分复用(Wavelength- division Multiplexing)技术提高运载能力，为30万个信道。 。通信网络第120页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五全球海底光纤系统第121页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五(2)、陆地网络陆地网络比海底网络的性能要求低

52、。典型例是泛欧光纤网络：使用波分复用技术，覆盖整个欧洲，已成功将1610Gbps的信号传输500km(16是波长数，10Gbps是单波长信道能力)。现在，信息传输容量已达到数Tbps，如2001年达到1Tbps，2003年1.52Tb/s（距离8000km9000km），至2010年可达10Tb/s（当然需要相应性能的器件和光纤传输系统）。 ;(3)、卫星系统与光纤网络卫星通信可连接地球上的任何点，其不足是：传输能力不如光纤（光纤达50Tbps）；卫星信号延迟大（信号从地面到卫星，再从卫星回地面，距离远大于光纤传输）；受大气条件影响大（光纤受影响小）。光纤网络和卫星系统结合，可取长补短。第12

53、2页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五我国主干光纤网第123页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五2004.4，武汉电信与烽火公司联合开通“光纤到户数字家庭”试点，家庭数字化进程加快。2005.8，美国开始大范围部署光纤到户。2014年全球FTTH用户规模有望达到1.144亿 温州电信开通“光纤到户”3年将完成7成用户端改造 新加坡2009年9月起启动全国FTTH网络建设 国内光纤到户的建设成本也已经低于铜缆，现在分摊到每户的线路成本已经低于1000元，在武汉试点的费用则是按包月收费150元。 第124页，共136页，2022年，5月20日，2点25分

54、，星期五光纤到户（FTTH）目前FTTH（还有FTTC、FTTD）的优势：一是无源网络(不供电)；二是高带宽、长距离；三是承载业务的种类多；四是支持的协议灵活。目前，世界数据业务中，带宽成为了瓶颈，而FTTH能解决该问题。第125页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五 光纤传感技术经过二十多年的发展，已形成了一个巨大的传感器家族，光纤传感器有很多优点： 抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全。 灵敏度高。 重量轻、体积小、可弯曲。 测量对象广泛(双刃剑:有窜扰)。 对被测介质影响小，有利于在医药卫生等具有复杂环境的领域中应用。 便于复用，便于成网，可埋入结构体内。 成本低(器

55、件平均成本低,但系统成本较高)(二)光纤传感器第126页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五127光纤传感器是把被测量转换为可测的光信号的装置，由光发送器、敏感元件（光纤或非光纤的）、光接收器、信号处理系统及光纤构成；第127页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五光纤计数器 被记数工件随传送带移动，一个工件从光纤断开处通过时，挡光一次，在光纤输出端得到一个光脉冲，用记数电路和显示装置将通过光纤的工件数显示出来。128第128页，共136页，2022年，5月20日，2点25分，星期五光纤法珀传感器 光纤法珀传感器（Fabry-Perot Sensor）是目前成熟、应用广泛的一种光纤传感器。结构：在光纤内制造出两个反射面，形成一个腔长为L的微腔。传感原理：1当相干光沿光纤入射到微腔时，在微腔的两端面反射后沿原路返回，并产生干涉，其干涉信号与微腔的长度相关；2当外界量（力、变形、位移、温度、电压、电流、磁