【正文】 能態(tài)躍遷，而發(fā)射的光波，其波長和相位雜亂無章，向各個方向無規(guī)則輻射，持續(xù)時間也以指數(shù)函數(shù)急劇衰減。 ? 激光與非激光差別，源于產(chǎn)生的方式不同。 ? 此類激光器儲能能力強，易于獲得大能量輸出。當(dāng)泵浦光照射到紅寶石時，激光器產(chǎn)生 694. 3 nm波長的激光輸出。 ? 由于玻璃的熱傳導(dǎo)性比晶體差，冷卻速度慢，所以一般不適用于連續(xù)振蕩和高重復(fù)率振蕩。在放電過程中，受電場加速而獲得足夠能量的電子與粒子碰撞時，將粒子激發(fā)到高能態(tài)，在一對能級間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。波長 325nm的 HeCd激光器，脈沖輸出時達幾百毫瓦、連續(xù)輸出時達幾十毫瓦。 ? 分子氣體激光器的工作物質(zhì)也可分為雙原子分子和三原子分子，如一氧化碳 ((CO)、氮氣（ N2）、水蒸氣 (H2O)和二氧化碳 (CO2)等。內(nèi)腔式的優(yōu)點是整體性強，輸出功率較高，不用調(diào)制，使用方便，但不能直接輸出線偏振光。由于氬原子的電離能量（約 15eV）和激光躍遷上能級的激發(fā)能量（約 20eV）較高，這樣所要求的正常運轉(zhuǎn)平均電子動能（溫度）很高。 ? CO2激光器，其結(jié)構(gòu)如圖 ，由放電管、電極、儲氣管、回氣管、冷卻水套以及諧振腔鏡等幾部分組成，采用縱向放電激勵。在橫向流動 CO2激光器中一般采用縱向放電，此類激光器單位長度的輸出功率可達每米數(shù)千瓦，總輸出功率可達 1~20 kW。 ? 在電子能級中，有單態(tài) (S0、 S S2…) 和三重態(tài) (T T2…) 兩類，三重態(tài)較相應(yīng)的單態(tài)能級略低。若用連續(xù)激光泵浦，應(yīng)是高功率激光，且在染料中添加淬滅劑，以及染料應(yīng)當(dāng)高速流過激活區(qū)。③激光加工適用于多種材料的微細加工，與機械加工相比，更容易實現(xiàn)自動操控。光的非線性效應(yīng)原本是比較弱的，只有在激光光源出現(xiàn)后，非線性光學(xué)的理論研究和應(yīng)用研究才有可能大力開展。盡管此實驗僅僅達到 200m距離，而且音質(zhì)很差，但所展示的概念卻成為當(dāng)今光通信的最基礎(chǔ)的理念。這其中纖芯和包層是光纖結(jié)構(gòu)的主體，對光波的傳播起著決定性作用。 ? 最常用的是按光纖橫截面上折射率的徑向分布來區(qū)分，可分為階躍型光纖和漸變型光纖。在光通信領(lǐng)域中按照頻率通常分為短波長 (~)光纖、長波長（ ~）光纖和超長波長 (2um以上 )光纖。如果 n1≈n2（大多數(shù)光纖屬這種情況），則相對折射率差△約為 ，稱為弱導(dǎo)波近似。 ? 在與之相關(guān)的光源方面的研究的進展最明顯。 ? 在上世紀(jì)的 80年代初，世界各地開通的光纖通信線路已達到上千條，這些光纖通信線路除用作電話通信外，很多也被用于數(shù)據(jù)傳輸、閉路電視、工業(yè)控制及監(jiān)測以及軍事等領(lǐng)域。一路電話在數(shù)字通信要占 64kbit/s 。根據(jù)相關(guān)的國際標(biāo)準(zhǔn)，通信光纖的包層直徑也只有 125um。普通的通信電纜是用銅做導(dǎo)線，銅在地球上的蘊藏量十分有限，資源顯得十分緊缺，價格很貴。由于線路傳輸損耗低，于是就可以大大擴展信號傳輸中繼站的間距。由于使用了光纖技術(shù)，計算機終端不再單純用于計算或數(shù)據(jù)處理，同時還被用于高清晰度電視、電子郵箱、可視電話 ,TV購物等稱為多媒體的終端。 ? （ 1）光纖的首要特點是具有極寬的頻帶，因此可以承載和傳送非常大的信息容量。為解決此矛盾，大量研究工作被投入到色散位移光纖的開發(fā)中，即改變普通單模的結(jié)構(gòu)，使其零色散點由 ，以期獲得色散及損耗均最低的理想的光纖材料。雖然這與同軸電纜每公里 5至 l0dB的損耗的要求相比，還不能說是優(yōu)秀的指標(biāo)，但已被通信工程師認為是可以接受的損耗值，制成了世界上公認的第一根通信用光導(dǎo)纖維。 ? ? 從 ，只有 θ1＞ θc = arcsin(n1/n2)的光線才能在光纖中進行傳播（其中 n1為纖芯的射率， n2為包層折射率， n0為空氣折射率），所以有 ? ? NA = n0sinmax （ ） ? 這里 NA代表了光纖接收入射光的能力，只有 φ＜ φmax的光錐內(nèi)的光才可能在光纖中發(fā)生全反射面向前的傳播。多組分玻璃光纖由普通光學(xué)玻璃拉制而成，它的損耗較大，主要用來做傳輸光束和傳輸像束等。光纜由纜芯、護套和外護層三部分組成。 ? 光纖的結(jié)構(gòu)與分類 ? 光纖是光導(dǎo)纖維的簡稱，是一種重要和常用的光波導(dǎo)材料。為了取得更快、更好的通信方式，科學(xué)界總是在不懈地追求更高頻率（或更短的載波波長）電磁波的操控技術(shù)。人們在已經(jīng)掌握的激光技術(shù)的基礎(chǔ)上開始了嘗試?yán)眠@種受控聚變中產(chǎn)生的能量，作為電力的能源。 ? （ 2）激光加工 ? 激光束的平行度高，通過透鏡可使之聚焦于很小一點，在此焦點可產(chǎn)生非常高的溫度，能夠使各種難熔的材料熔化或氣化，由此產(chǎn)生的急速膨脹的沖擊波還可穿透工件。用閃光燈泵浦結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，但因泵浦光脈沖較寬，三重態(tài)的影響不能消除，需在染料中添加卒滅劑。 ? 激光器所用的染料是一種有機化合物，它是一種復(fù)雜的大分子系統(tǒng)，通常由數(shù)十個原子所組成。 ? CO2激光器。 N2的作用是提高激光器上能級的激勵效率， He則有助于激光下能級的抽空。若要獲得單譜線激光，可在腔內(nèi)插入棱鏡等光學(xué)色散元件，進行調(diào)制。為了增大電子發(fā)射面積和減低濺射，陰極通常制成圓筒狀，而陽極一般多采用鎢針。在激光器共振腔的一端用反射式衍射光柵能夠選擇波長。 ? 金屬蒸氣離子激光器是使固體和液體金屬蒸發(fā)，成為氣態(tài)并進行放電的一類離子激光器。氣態(tài)工作物質(zhì)光學(xué)均勻性遠好于固體，譜線寬度遠小于固體，因而氣體激光器光束的方向性、相干性（即單色性）特別好，波長穩(wěn)定性也很好。YAG連續(xù)激光器的最大輸出功率已超過千瓦，每秒 5000次重復(fù)頻率激光器輸出峰值功率達數(shù)千瓦，每秒幾十次重復(fù)頻率激光器輸出峰值功率可達數(shù)百兆瓦。 ? （ 1）紅寶石激光器 ? 紅寶石激光器是最早的一種晶體激光器，工作物質(zhì)是紅寶石棒狀晶體（激光棒），在基質(zhì)中加入激活離子 Cr 3+。 ? 本節(jié)將按工作物質(zhì)的分類，分別介紹一些常見的、有代表性的固體激光器、氣體激光器、液體激光器包括有機染料激光器和半導(dǎo)體激光器。與此相對照的發(fā)光二極管等非相干光的光譜寬度在 104GHz以上，白色燈光可達到數(shù)億兆赫。跟上節(jié)所述的自發(fā)發(fā)射產(chǎn)生的普通光相反，激光是受激發(fā)射而產(chǎn)生的。 ? 激光的相干光是整齊的正弦波，容易發(fā)生干涉。 圖 圖 提供正反饋的激光共振腔 ? 不同工作物質(zhì)的激光器 ? 激光器是光電子技術(shù)領(lǐng)域的最主要的器件之一，自1960年第一臺紅寶石激光器問世以來，激光器的種類日益增多、水平迅速提高。 ? 圖 氣體放電燈激勵固體激光器示意圖 ? 固體激光器還可用半導(dǎo)體激光器作激勵源。 ? YAG中 Nd 3+與激光產(chǎn)生過程有關(guān)的能級如圖 。固體工作物質(zhì)體積小，使用方便。但某些離子激光器盡管能夠有連續(xù)輸出幾瓦至幾十瓦的激光輸出，但由于振蕩效率低，適用的范圍受到限制，較多用來作特殊顯示等用途。在 200條振蕩譜線。放電管一般用硬質(zhì)玻璃或石英玻璃制成。氬離子激光器主要的用途是作染料激光器的泵浦源，以及用于全息照相、信息存儲、快速排字、彩色電視、激光醫(yī)學(xué)和光譜分析等方面。 CO2激光器的輸出譜帶相當(dāng)豐富，主要波長分布在 9~11um，正好處于目前盛行的光通信的“大氣窗口”之中，因而常被用做地面與空間光通信的光源。當(dāng)氣體快速流動時，輸出功率會顯著提高，當(dāng)放電管中氣體的流速達到 300~600 m/s時，輸出功率可達 600 W/m以上。 ? 染料激光器是以溶于一定溶劑（例如甲醇、乙醇、干油等）中的有機染料為工作物質(zhì) ,利用液態(tài)有機染料分子的熒光躍遷實現(xiàn)受激發(fā)射，在從近紫外到可見以及近紅外的 ~很寬的范圍內(nèi)可以連續(xù)進行波長調(diào)諧。 ? 染料激光器屬于四能級系統(tǒng)，容易實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，激光器的閾值低，發(fā)射的激光譜線非常寬。 ? （ 1）激光測距 ? 我們知道根據(jù)光束往返時間可以對確定的目標(biāo)測定距離，但是普通光束的發(fā)散角很大，光強也很有限，當(dāng)被測目標(biāo)的距離較遠時，返回的光束十分微弱，難以完滿地完成精確測距的任務(wù)。核聚變反應(yīng)需要在 107~108℃ 以上的高溫才能有效的進行。當(dāng)人們掌握了數(shù)百至數(shù)千 kHz的電磁波的發(fā)射和接收技術(shù)時，無線電通信及廣播開始為人類服務(wù)。 ? 1966年有人提出用介質(zhì)光波導(dǎo)或光導(dǎo)纖維來取代傳統(tǒng)的僅有導(dǎo)電作用的金屬電纜，用導(dǎo)波光來傳送信息的設(shè)想，引起學(xué)術(shù)界及實業(yè)界的極大興趣，并由此奠定了光纖通信的理論基礎(chǔ)，推動了實用化光導(dǎo)纖維制造工藝的研究。涂敷層能夠增強光纖的柔韌性、機械強度和耐老化特性。標(biāo)準(zhǔn)的單模光纖的芯徑為 8~10um；而多模光纖的芯徑約為 50~100um，兩種光纖外徑均為 125um。綜合兩者因素，一般光纖總的直徑不能大于 150um。因此不發(fā)生模式色散，可成為寬頻帶光纖。此類激光器同光纖的 窗口相配合，可以使具有相應(yīng)特性的光纖成為長途干線光纖通信的主角。 ? ? 光纖在光通信方面在其早期發(fā)展中已顯示出許多優(yōu)點。就目前的技術(shù)來說，拓展光纖頻帶利用率的最好辦法是采用波分復(fù)用技術(shù)，一根光纖可以在同時傳輸多個光信號，使每個具有不同的中心波長的光信號，可以在一根光纖上并行傳輸。這項優(yōu)點在軍事保密通信、銀行財會管理網(wǎng)絡(luò)及許多要求保密的應(yīng)用中受到特別的歡迎。用光纖制成傳感器系統(tǒng)，用在化學(xué)試劑、石油天然氣、礦井等特殊環(huán)中都是十分可靠的。 ? (3) 光線具有極好的抗電磁干擾特性。目前受到限制的因素主要在相關(guān)配套的其它光電子器件及微電子器件。以后又有若干條跨洋海底光纜被投人使用。同時光纖的損耗也大幅度下降， 1976年在 ，這已經(jīng)是以金屬做芯的同軸電纜所望塵莫及的，由此光纖通信開始了工業(yè)化生產(chǎn)及商業(yè)化應(yīng)用的新時期。為防止包層與空氣界面處全反射光的傳播，涂敷了第三層，如圖 所示，在包層與空氣層界面處產(chǎn)生的全反射光，雖然與芯部光線具有不同模式，但也與芯部光線一樣能夠被傳播。中損耗極高損耗類型的光纖只能適用于幾十米到 1公里左右這樣較短距離的信號傳輸。除了以上兩大類，隨著實際應(yīng)用需要的不斷提出，還出現(xiàn)了其它形式的折射率分布，如環(huán)形光纖和 W型光纖等。