【正文】 ? （ 7）以石英作主要材料的光纖還具有抗腐蝕，不會(huì)產(chǎn)生短路電火花等特點(diǎn)。 ? (5) 光纖的傳輸損耗很低。這項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)不僅有利于光纜的運(yùn)輸、敷設(shè)安放，而且還非常適合在飛機(jī)、艦船、火車等各類移動(dòng)的交通工具上安裝通信系統(tǒng)。 ? 光纖具有非常寬的使用頻帶是其各項(xiàng)特點(diǎn)中最重要的優(yōu)點(diǎn)。目前國內(nèi)剛開通的光纖干線最高碼率是 565Mbit/s，即可容納 7680路電話，同光纖能理論上能夠提供的潛在的能力相比實(shí)在是微不足道的。而后隨著技術(shù)的日臻完善，其優(yōu)越性甚至超過了當(dāng)初最樂觀的估計(jì)。 1989年 4月，從美國西海岸經(jīng)夏威夷及關(guān)島，連結(jié)日本及菲律賓的跨太平洋海底光纜又開通服務(wù)。 ? 近幾年來，在 。直至 1973年，已取得在室溫 30℃ 環(huán)境中連續(xù)工作 1000小時(shí)的好結(jié)果， 1977年達(dá)到 7000小時(shí)。 圖 圖 ，涂敷了第三層 圖 圖 梯度折射率型光纖的折射率分布 圖 光線在光纖中的傳播 a）梯度折射率型光纖中無模式色散（群速度與入射角無關(guān)，為常數(shù)） b）梯度折射率型光纖中的光纖與波面 ? 光纖的應(yīng)用 ? ? 自 1966年高餛博士等人提出用介質(zhì)光波導(dǎo)或光導(dǎo)纖維來取代傳統(tǒng)的電纜，用導(dǎo)波光來傳送信息，由此奠定了光纖通信的理論基礎(chǔ)，引起了學(xué)術(shù)界及實(shí)業(yè)界的極大興趣，并有力地推動(dòng)了實(shí)用化光導(dǎo)纖維制造工藝的研究。階躍折射率 (SI)型光纖傳播光的基本原理很簡單，如圖 率高的稱做芯的玻璃和比芯折射率低的玻璃，或由塑料包層組成的兩層結(jié)構(gòu)組成，利用在兩層物質(zhì)界面處產(chǎn)生連續(xù)的全反射傳播光信號。典型的單模光纖芯徑約 10um，多模階躍光纖芯徑 ，多模漸變型光纖芯徑約 50um，它們的包層外徑一般均取 125um.。如需長距離傳播信號，要求光纖損耗盡可能小，因此，因此低損耗（ ~5 db/km）的光纖是主要選擇，其傳播距離可達(dá)到幾公里到 100公里以上。 光纖斷面及相應(yīng)折射率分布 圖 ? 按光纖的制作材料來區(qū)分，可分為石英光纖、多組分玻璃光纖、塑料光纖和晶體光纖等多種。而在漸變型光纖中，纖芯的折射率是不平均的，具有一個(gè)梯度，在軸線上最大，然后沿著橫截面的徑向按一定的規(guī)律逐漸減少，直到纖芯與包層的交界處為止，呈一個(gè)連續(xù)變化的梯度，如圖 (b)所示，所以也叫做梯度光纖。護(hù)套的材料一般為尼龍或其它有機(jī)材料，用于增加光纖的機(jī)械強(qiáng)度，保護(hù)光纖。在一些特殊的應(yīng)用場合也有不加涂敷層和護(hù)套的光纖，稱為裸光纖。從 20世紀(jì) 70年代初光纖通信實(shí)用化以來，光纖通信技術(shù)得到極大的發(fā)展，目前石英光纖在 85 um、 和 ，衰減特性已接近理論上的極限值。另一困難的原因是光在大氣中傳播受到風(fēng)霜雨雪、塵霧等各種天氣因素或環(huán)境的嚴(yán)重干擾，通信質(zhì)量難以保證，致使許多研究結(jié)果始終未能大量推廣應(yīng)用。當(dāng)人們掌握了數(shù)十至數(shù)百 MHz的載波技術(shù)時(shí)，電視成為人民生活的一部分。 ? 第八章 光纖和光的傳輸 ? ? ? 光的波動(dòng)特性決定了光是可以被傳播的，與普通的傳播不一樣能夠稱之為光的傳輸，就需要對光傳播的方向和強(qiáng)度進(jìn)行人為的控制。由于氘、氚混合物的質(zhì)量及激光的能量都可被控制，這種過程被稱為受控核聚變。例如，用激光治療視網(wǎng)膜脫落，可從外部用很強(qiáng)的光線照射眼睛，利用眼球內(nèi)水晶體的聚焦作用，將光能集中在視網(wǎng)膜的微小點(diǎn)上，靠它的熱效應(yīng)使組織凝結(jié)，能將脫落的視網(wǎng)膜熔接到眼底上，利用激光對視網(wǎng)膜的作用還可以用來矯治近視眼。巨脈沖紅寶石激光器可在 20ns的時(shí)間內(nèi)發(fā)射 4 J的能量，脈沖功率達(dá) 2 108W，而發(fā)散角經(jīng)透鏡進(jìn)一步會(huì)聚可小至 5″。目前，染料激光器產(chǎn)生的超短光脈沖的時(shí)間寬度已壓縮到幾納秒，若利用鎖模技術(shù)還可以獲得從皮秒 (1012s)到飛秒(1015s)量級的激光脈沖。在諧振腔中放入棱鏡、衍射光柵等波長選擇裝置，可以在較大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)精確的調(diào)諧和獲得較窄的線寬。 ? 染料激光器在紫外和可見光波段范圍內(nèi)有較強(qiáng)的吸收帶。有代表性的染料若丹明 6G，能夠從 570 ~ 620nm內(nèi)進(jìn)行波長調(diào)諧。這是一種小型激光器，一般由氧化鈹（ BeO）陶瓷或玻璃做放電管材料，放電管很細(xì)，直徑僅 1~4mm。在此類激光器中，放電電流密度與氣體壓強(qiáng)存在一個(gè)使輸出功率最大的最佳值。在充入的放電氣體中加入催化劑 O2，可促使 CO2分子分解的 CO與 O重新結(jié)合為 CO2，并選用不與 O2起作用的陰極材料以保證激光器中有足夠的 O2與 CO重新結(jié)合 CO2。 CO2激光器的形式多樣，既可連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，又可脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于激光加工、醫(yī)療、大氣通信及其它軍事領(lǐng)域。低壓強(qiáng)意味著氬原子密度較小，為了提高電離和激發(fā)速率，必須增加放電管內(nèi)的電子密度。 ? 氬離子激光器是一種發(fā)射多譜線的激光器，并且這些譜線都靠的很近，常會(huì)出現(xiàn)幾條譜線同時(shí)振蕩的現(xiàn)象。 ? HeNe激光器的工作物質(zhì)是 He和 Ne的原子氣體，在放電管內(nèi)充以一定比例和壓力的氦、氖混合氣體。 ? HeNe激光器采用直流放電激勵(lì)形式 ,工作電流幾到幾百毫安 .放電長度為 1mm的激光器，起輝電壓在 8000 V左右。 ? 分子氣體激光器的電子基態(tài)的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級十分接近基態(tài)，因而具有很高的能量轉(zhuǎn)換效率，而且分子振動(dòng)能級的激發(fā)截面一般都比較大，可以獲得絕對值較高的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)值。 ? 除了半導(dǎo)體激光二極管外， CO2激光器的激光效率最高，可達(dá) 15％～20％以上。其中藍(lán)和綠的振蕩譜線很強(qiáng)，可得到約 100mW的連續(xù)輸出。 ? 在紫外到可見區(qū)有較高實(shí)用價(jià)值的氣體激光器為氮激光器和金屬蒸氣離子激光器?？蓳?jù)不同氣體電子能級分布狀態(tài)來選用氣體激光器。但在效率和輸出激光的頻率穩(wěn)定性、相干性等方面尚不如氣體激光器。 圖 Cr3+的能級圖 圖 Nd3+： YAG中 Nd3+的能級圖 圖 鈦寶石能級圖 ? （ 3）鈦寶石激光器 ? 與產(chǎn)生固定波長激光不同，鈦寶石激光器是一種可調(diào)諧的固體激光器，輸出波長在 660~1180 nm連續(xù)可調(diào)。 YAG激光器屬于四能級系統(tǒng)，具量子效率高、受激輻射截面大的優(yōu)點(diǎn)，其泵浦能量閾值比紅寶石激光器低得多，而且釔鋁石榴石晶體還具有高的熱傳導(dǎo)率，易于散熱。低溫（如 77 K）時(shí)，性能優(yōu)良，可連續(xù)或高重復(fù)率脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)。由于激光二極管的發(fā)射波長可以與激光工作物質(zhì)相匹配，這就大大減少了氣體放電光源泵浦工作時(shí)熱效應(yīng)的影響，使光能更多的用來增加反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，從而有助于提高激光泵浦的效率。 ? 固體激光器普遍采用光激勵(lì)方式把基態(tài)的粒子抽運(yùn)到激發(fā)態(tài)，以形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。迄今為止，已發(fā)現(xiàn)的激光工作物質(zhì)約有千余種，獲得的相應(yīng)的激光特征譜線達(dá)到上萬條，可覆蓋從毫米波直到 X射線的整個(gè)光學(xué)頻段。引發(fā)激光產(chǎn)生的受激發(fā)光和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)如圖 。這是因?yàn)橄喔晒鈴臅r(shí)間上說，相位一致，光譜寬度窄，這種現(xiàn)象被稱為單色性好。這是激光最本質(zhì)的特性之一。第六章 激光與激光器 激光的形成和基本特征 激光，英文寫為 LASER，是由“輻射的受激發(fā)射光放大”英文字頭合并而來的。 圖 自發(fā)發(fā)射光與激光的差別 ? 圖 的兩種不同的情況。激光的譜寬可以在幾十兆赫以下，經(jīng)過調(diào)整可壓縮至幾千赫以下。 ? 受激發(fā)光和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是激光產(chǎn)生的一個(gè)基本條件，另外還須是獲得的受激發(fā)光得到成倍的加強(qiáng)或放大。激光器的分類方法很多，按工作物質(zhì)可分為固體激光器、氣體激光器、液體激光器、半導(dǎo)體激光器和自由電子激光器等；按激勵(lì)方式可分為光激勵(lì)激光器、電激勵(lì)激光器、熱激勵(lì)激光器、化學(xué)激勵(lì)激光器和核激勵(lì)激光器等：按工作方式可分為連續(xù)激光器和脈沖激光器；按激光波長可分為紅外光激光器、可見光激光器、紫外光激光器、毫米波激光器 ,X射線激光器和 γ射線激光器等。光激勵(lì)又可分為氣體放電燈激勵(lì)和半導(dǎo)體激光器激勵(lì)兩種方式。半導(dǎo)體激光二極管泵浦的固體激光器的總效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于放電燈激勵(lì)的固體激光器，同時(shí)它還具有質(zhì)量輕、小型化、全固體化和長壽命等諸多優(yōu)點(diǎn)。室溫下，此類激光器只能作低重復(fù)率的脈沖運(yùn)行 .溫度升高，激光輸出波長向長波方向移動(dòng)，熒光譜線加寬，效率降低 ,閾值升高。所以 YAG激光器不僅可以實(shí)現(xiàn)高重復(fù)率脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)，還可以連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。 ? 在摻鈦藍(lán)寶石中，以少量 Ti 4+為激活粒子，能級如圖 ,有四能級系統(tǒng)的特征。 ? 氣體激光器 ? 氣體激光器是以氣體或金屬蒸氣為工作物質(zhì) ,目前種類最多、波長分布區(qū)域最寬 ,應(yīng)用最廣的一類激光器。如需獲得從紅光到近紅外的振蕩激光，使用 HeNe氣體激光器；需要獲得從紫外到可見區(qū)振蕩的，使用 Kr+離子激光器， Ar+離子激光器， Xe+離子激光器等。氮激光器在 331~ 400nm范圍內(nèi)有幾條紫外譜線，能以l0ns的窄脈沖寬度產(chǎn)生很高的峰功率。 Cu激光器在 。雖然 CO2激光器工作物質(zhì)是氣體，但是由于增益高，所以用作 CO2激光共振腔的反射鏡其反射率沒有必要裝備比其它氣體激光器更高的反射鏡。最具有代表性的雙原子氣體激光器是氮分子激光器和三原子氣體的二氧化碳激光器。放電電極大采用冷陰極形式，陰極材料為鋁或鋁合金。在電極兩端加上 2~4 kV的直流高壓，由于氣體放電可使 Ne原子的能級間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。連續(xù)工作的 Ar+的激光器可產(chǎn)生 9條藍(lán)綠激光譜線，其中以 藍(lán)光和 514. 5 nm綠光譜線最強(qiáng)，占總功率輸出的 30%~40%。因此 Ar＋激光器必須采用低氣壓、大電流弧光放電激發(fā)，其放電電流比 HeNe激光器高出約 1000倍（管內(nèi)電流密度可高達(dá) 100~1000 A/cm2）。 ? CO2激光器以 CO N2和 He的混合氣體作為工作物質(zhì)，激光躍遷發(fā)生在CO2分子的電子基態(tài)的振動(dòng)一轉(zhuǎn)動(dòng)兩個(gè)能級之間。通常也加入少量的 H2O或 H2用做催化劑。在最佳放電條件下，激光器的輸出功率約為 50 W/m~ 1 kW/m之間。由此造成放電管管壁對小角度掠射光的菲涅耳反射率很高，于是放電管中可低損耗地傳輸準(zhǔn)橫向電磁波（即波導(dǎo)模）。染料激光器不僅是輸出的激光波長連續(xù)可調(diào)，而且輸出的激光譜線寬度很窄、價(jià)格低、增益高、輸出功率可與固體和氣體激光器相比，效率較高、激光均勻性好，制備容易，可以循環(huán)操作和便于冷卻。在泵浦光的照射和作用下，大部分染料分子吸收了光能由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)的某個(gè)振動(dòng)