【正文】 ? 當(dāng)然光纖也有缺點(diǎn)，如：線路損壞和折斷后修復(fù)比較麻煩，所需時(shí)間較長；光纖本身不 ? 能傳送電能，因此中繼站上所需電能必須有相配套的電源供給等。普通的通信電纜是用銅做導(dǎo)線，銅在地球上的蘊(yùn)藏量十分有限，資源顯得十分緊缺，價(jià)格很貴。由于線路傳輸損耗低，于是就可以大大擴(kuò)展信號(hào)傳輸中繼站的間距。由于芯區(qū)中的光場(chǎng)通常在包層的內(nèi)區(qū)就會(huì)衰減至零，所以內(nèi)部的光信號(hào)不會(huì)被泄漏出來，即便是用電磁感應(yīng)的辦法都不能截取芯內(nèi)的光信號(hào)。光纖的主要材料是石英，是一種優(yōu)良的絕緣介質(zhì)，因此無論是自然的雷電或是人為的工業(yè)電火花、電弧以及其它原因造成的電磁波等都不會(huì)在光纖中產(chǎn)生感應(yīng)電磁干擾。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。由于使用了光纖技術(shù)，計(jì)算機(jī)終端不再單純用于計(jì)算或數(shù)據(jù)處理，同時(shí)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。可見，光纖只是提供傳輸媒介，信號(hào)的處理過程更多的還是電子學(xué)的問題。 ? 常用的通信系統(tǒng)模式是將某些非電量，例如語音，經(jīng)過變換后經(jīng)適合的載體傳送到目的地。一路電話在數(shù)字通信要占 64kbit/s 。 ? （ 1）光纖的首要特點(diǎn)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。在制造方面在武漢、上海、西安、北京、天津等地建立了幾家規(guī)模較大、水平較高的光纖、光纜制造廠，另外還有一批與之配套的光電子器件的工廠及研究所，為光纖通信在我國廣泛推廣應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。光纖通信線路除了在海上，在陸地上的推廣應(yīng)用也是日新月異。 ? 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(dá)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(cè)以及軍事等領(lǐng)域。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(diǎn)由 ，以期獲得色散及損耗均最低的理想的光纖材料。在半導(dǎo)體激光器方面，也研究成功了 InGaAsP/InP材料的長波長器件器。 1977年在美國芝加哥城的兩個(gè)電話局間開通了世界上第一條商業(yè)服務(wù)的光纖通信系統(tǒng)。 ? 在與之相關(guān)的光源方面的研究的進(jìn)展最明顯。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(rèn)為是可以接受的損耗值，制成了世界上公認(rèn)的第一根通信用光導(dǎo)纖維。如圖 ，而遷回通過光路較長的四周的光的傳播速度快，因此光纖軸向上的群速度在各模式間的差別消失。 ? ? 圖 ? 圖 ，涂敷了第三層 ? 圖 （ GI）型的光纖。如果 n1≈n2（大多數(shù)光纖屬這種情況），則相對(duì)折射率差△約為 ，稱為弱導(dǎo)波近似。 ? ? 從 ，只有 θ1＞ θc = arcsin(n1/n2)的光線才能在光纖中進(jìn)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。但從光纖的聯(lián)接、耦合和減小損耗等方面來考慮，光纖以粗為宜。 ? 此外，還有一些新型的光纖，如有源光纖（包括激光光纖及發(fā)光光纖）以及非線性光纖等，可另行進(jìn)行分類。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。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。單模光纖只允許單一的基本傳輸模式（基模）通過，而多模光纖則允許若干個(gè)模式通過。 ? ? 也有按傳光原理來區(qū)分光纖，可分為反射型光纖和折射型光纖。 ? 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。光纜由纜芯、護(hù)套和外護(hù)層三部分組成。 ? 常用的涂敷層的材料一般為環(huán)氧樹脂、硅橡膠等高分子材料，外徑約為 250um。纖芯的直徑一般為幾到幾十微米，一些應(yīng)用于特殊用途的光纖常常被做得很粗。這其中纖芯和包層是光纖結(jié)構(gòu)的主體，對(duì)光波的傳播起著決定性作用。 ? 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。因此，大氣光通信的實(shí)際應(yīng)用只能被限于建筑物之間或固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)與控制中心之間，距離大致數(shù)百米，適用對(duì)象十分有限。從前面的章節(jié)中我們已經(jīng)了解了，特別是處于紅外區(qū)的光頻率比最高的微波頻率還要高出 3~4個(gè)數(shù)量級(jí)，這無疑是十分誘人的發(fā)展區(qū)域。盡管此實(shí)驗(yàn)僅僅達(dá)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。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)。 圖 ? 圖 （波長）表，頻率由左向右不斷升高。 ? 通信就普通意義來講，是各種形式信息的轉(zhuǎn)移或傳遞。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。人們?cè)谝呀?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。 ? (4)激光受控?zé)岷司圩? ? 氫、氘、氚等輕原子核可以聚合為較重的原子核，在聚合的過程中會(huì)釋放出巨大的核能，這個(gè)過程稱為核聚變反應(yīng)，在軍事上和能源工業(yè)上具有非常重要的意義。激光還可以被用來破壞腫瘤細(xì)胞、測(cè)定血液成分、探測(cè)體內(nèi)器官的病變等。③激光加工適用于多種材料的微細(xì)加工，與機(jī)械加工相比，更容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)操控。 ? （ 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(diǎn)，在此焦點(diǎn)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。下面就一些方面的主要應(yīng)用做些簡單的舉例介紹。染料激光器已在光測(cè)量、光化學(xué)、光生物學(xué)、光譜學(xué)、全息學(xué)、同位素分離和激光醫(yī)學(xué)等方面獲得了廣泛應(yīng)用。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)。用閃光燈泵浦結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)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。也可以采用快速噴流技術(shù)，使在 T1態(tài)積聚之前，染料高速流過激活區(qū)，這是連續(xù)波輸出染料激光器的主要工作方式。因此，其它激發(fā)態(tài)的分子迅速無輻射躍遷到 S1態(tài)的最低振動(dòng)能級(jí)上。 ? 在電子能級(jí)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(jí)略低。 ? 激光器所用的染料是一種有機(jī)化合物，它是一種復(fù)雜的大分子系統(tǒng)，通常由數(shù)十個(gè)原子所組成。染料激光器是液體激光器中最重要、最普遍的激光器。由于放電管很細(xì)，氣壓可高達(dá) ( ~) 104Pa，其輸出功率為 50 W/m，適于制做輸出功率小于 30 W的小型封離型激光器。在橫向流動(dòng) 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(dá)每米數(shù)千瓦，總輸出功率可達(dá) 1~20 kW。 ? CO2激光器。當(dāng)氣體慢速流動(dòng)時(shí)，每單位放電長度上的輸出功率與封離型相似。封離型激光器的輸出功率約為 50~60 W/m。 ? CO2激光器，其結(jié)構(gòu)如圖 ，由放電管、電極、儲(chǔ)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(lì)。 N2的作用是提高激光器上能級(jí)的激勵(lì)效率， He則有助于激光下能級(jí)的抽空。 ? ? ? （ 3）二氧化碳激光器 ? CO2激光器輸出功率大（連續(xù)輸出幾瓦～幾萬瓦），能量轉(zhuǎn)換效率高（可高達(dá) 20％ ~25％），是使用最廣泛、能量利用率最高的分子氣體激光器之一。為提高放電電流密度，放電區(qū)域被約束在毛細(xì)管中心 1~2 mm范圍內(nèi)。由于氬原子的電離能量（約 15eV）和激光躍遷上能級(jí)的激發(fā)能量（約 20eV）較高，這樣所要求的正常運(yùn)轉(zhuǎn)平均電子動(dòng)能（溫度）很高。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(jìn)行調(diào)制。 ? （ 2）氬離子激光器 ? A r+激光器是離子氣體激光器的代表，其發(fā)射的激光譜線十分豐富，主要分布在藍(lán)綠區(qū)域內(nèi)，連續(xù)運(yùn)行輸出的功率為幾瓦到幾十瓦，最高可達(dá)數(shù)百瓦，可以算是可見光波段連續(xù)輸出功率最高的激光器，所以用途很廣?；旌蠚怏w中，雖然 He的含量數(shù)倍于 Ne，但激光躍遷只發(fā)生在 Ne原子的不同激發(fā)態(tài)之間， He原子是輔助氣體，用做對(duì) Ne原子的共振激發(fā)，使能量轉(zhuǎn)移，以提高泵浦效率。內(nèi)腔式的優(yōu)點(diǎn)是整體性強(qiáng)，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。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。放電管由毛細(xì)管和儲(chǔ)氣管構(gòu)成，毛細(xì)管是放電工作增益區(qū)，儲(chǔ)氣管的作用是增加工作氣體總量。 圖 HeNe激光器結(jié)構(gòu)示意圖 ? 為了解氣體激光器的有關(guān)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作特性下面將分別介紹一些主要的氣體離子激光器。 ? 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?dú)猓?N2）、水蒸氣 (H2O)和二氧化碳 (CO2)等。在激光器共振腔的一端用反射式衍射光柵能夠選擇波長。由于分子振動(dòng)的振動(dòng)能級(jí)間能量差很小，所以振蕩的形成激光都處于紅外區(qū)。 XeCl和 KrF等準(zhǔn)分子激光器是效率較高的紫外光源，可以考慮用作光致抗蝕劑的光源，也可以考慮用作核聚變和分光、化學(xué)應(yīng)用的激光器。波長 325nm的 HeCd激光器，脈沖輸出時(shí)達(dá)幾百毫瓦、連續(xù)輸出時(shí)達(dá)幾十毫瓦。 ? 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(jìn)行放電的一類離子激光器。 ? 離子激光器是在陰極放電區(qū)中使電子與稀有氣體碰撞，形成強(qiáng)制放電電離，造成高能態(tài)離子，然后向低能態(tài)區(qū)實(shí)現(xiàn)受激發(fā)射。 ? 根據(jù)氣體工作物質(zhì)的種類不同，可將氣體激光器分為原子氣體激光器、離子氣體激光器和分子氣體激光器三種。在放電過程中，受電場(chǎng)加速而獲得足夠能量的電子與粒子碰撞時(shí)，將粒子激發(fā)到高能態(tài)，在一對(duì)能級(jí)間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。氣態(tài)工作物質(zhì)光學(xué)均勻性遠(yuǎn)好于固體，譜線寬度遠(yuǎn)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。