第10章_光学材料

1、第第1010章章 光学材料光学材料光学材料是传输光线的材料，这些材料以光学材料是传输光线的材料，这些材料以折射、反射和透射的方式，改变光线的方折射、反射和透射的方式，改变光线的方向、强度和位相，使光线按预定要求和路向、强度和位相，使光线按预定要求和路径传输，也可吸收或透过一定波长范围的径传输，也可吸收或透过一定波长范围的光线而改变光线的光谱成分。光线而改变光线的光谱成分。10.1 激光材料激光材料10.1.1 激光的产生激光的产生 英文名：英文名：LASER(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) “镭射镭射”、“莱塞莱

2、塞” 中文名：中文名：1964年按照我国著名科学家钱学森建议将年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激光受激发射发射”改称改称“激光激光”。 世界上第一台激光器的诞生，使激光技术成为一门新兴科学世界上第一台激光器的诞生，使激光技术成为一门新兴科学发展起来，在光学发展史上翻开了崭新的一页。激光的出现发展起来，在光学发展史上翻开了崭新的一页。激光的出现极大地促进了光学材料的发展，目前已有数百种新型激光工极大地促进了光学材料的发展，目前已有数百种新型激光工作物质。作物质。 1.自发辐射与受激辐射自发辐射与受激辐射 材料中原子处于不同能量状态，一个原子吸收外界能量后由低能材料中原子处于不同能量状态，一

3、个原子吸收外界能量后由低能态跃迁到高能态的过程称为态跃迁到高能态的过程称为“激发激发”。 处于高能态的原子是不稳定的，它可自发恢复到低能态，并伴处于高能态的原子是不稳定的，它可自发恢复到低能态，并伴随有光的发射，称为随有光的发射，称为自发辐射自发辐射。 高能原子发生自发辐射前，受外来光子高能原子发生自发辐射前，受外来光子( (能量为能量为E E2 2-E-E1 1) )的刺激，的刺激，可从可从E E2 2跃迁到跃迁到E E1 1，同时辐射一个与外来光子，同时辐射一个与外来光子同频率、同位相、同频率、同位相、同方向、同偏振态同方向、同偏振态的光子，称为的光子，称为受激辐射受激辐射。受激辐射受激辐

4、射4(a)：自发辐射：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；出一个光子；光子能量：光子能量：宏观表现：发光宏观表现：发光2.材料发光与电子跃迁方式材料发光与电子跃迁方式1221EEh5(b)：受激：受激(自发自发)吸收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，个光子， 跃迁到高能级态；跃迁到高能级态；宏观表现：光被吸收宏观表现：光被吸收6(c)：受激辐射：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，跃迁到低处于高能级态的原子在

5、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。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：光被放大宏观表现：光被放大7 普通光源普通光源 普通光源是光的自发辐射。 特点：多波长、任意方向、不相干。 普通光源向四面八方辐射,光线分散到4p球面度的立体角内。 用一个光子去激发位于高能级的电子或离子，使之放出光用一个光子去激发位于高能级的电子或离子，使之放出光子，受激发射产生的光就是子，受激发射产生的光就是激光激光。 如果使材料中多数能发生受激辐射的原子或离子都处于激如果使材料中多数能发生受激辐射的原子或离子都处于激发状态，再用外界光感应，发状态

6、，再用外界光感应，使所有处于激发状态的原子和使所有处于激发状态的原子和离子几乎同时产生受激辐射而回到低能态离子几乎同时产生受激辐射而回到低能态，将发出具有，将发出具有强强大能量密度大能量密度的光束。的光束。高能激光束高能激光束3. 电子能态分布电子能态分布（1）波尔兹曼分布率波尔兹曼分布率根据统计力学原理，大量相同粒子根据统计力学原理，大量相同粒子(原子、离子、分子原子、离子、分子)集合处于热集合处于热平衡温度下，粒子数按能级的分布服从平衡温度下，粒子数按能级的分布服从波耳兹曼分布规律波耳兹曼分布规律。形式：形式：在热平衡条件下绝大部分粒子处于基态，即处于低能级上的粒子数在热平衡条件下绝大部分

7、粒子处于基态，即处于低能级上的粒子数总多于高能级上的粒子数，因而受激吸收总占优势。这叫总多于高能级上的粒子数，因而受激吸收总占优势。这叫粒子数正粒子数正常分布常分布。（2）粒子数反转）粒子数反转要想使受激辐射占优势或者说占主导地位，就必须使要想使受激辐射占优势或者说占主导地位，就必须使N2N1。如果。如果借助于外界的激励，破坏粒子的热平衡分布，就可能使高能级借助于外界的激励，破坏粒子的热平衡分布，就可能使高能级E2的的粒子数粒子数N2大于低能级大于低能级E1的粒子数的粒子数N1。由于它同正常分布相反，所以。由于它同正常分布相反，所以叫叫粒子数反转分布粒子数反转分布。粒子数反转分布的作用在于当外

8、来光辐射时，受激辐射总是大于受粒子数反转分布的作用在于当外来光辐射时，受激辐射总是大于受激吸收，因而产生了光的放大信号。实验证明，许多物质给予一定激吸收，因而产生了光的放大信号。实验证明，许多物质给予一定激励后，能实现这种反转分布，它为激光的产生提供了基础。激励后，能实现这种反转分布，它为激光的产生提供了基础。 kTEeiieNN/10.1.2 激光特点及应用激光特点及应用1. 方向性好：方向性好： 亮度高：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。很高，它比普通光源高亿万倍，比太

9、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。经过会聚，可在焦点出产生几千到几万度的高温。 发散角小：发散角小：激光器发射的激光，天生就是朝一个方向射出，光激光器发射的激光，天生就是朝一个方向射出，光束的发散角极小，大约为束的发散角极小，大约为0.001rad，接近平行。，接近平行。1962年，人类年，人类第一次用激光照射月球，地球距离月球的距离大约为第一次用激光照射月球，地球距离月球的距离大约为310万公万公里，但激光在月球表面的光斑不到两公里。里，但激光在月球表

10、面的光斑不到两公里。11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、激光手术、激光武器等就利用了高亮万度的高温。激光加工、激光手术、激光武器等就利用了高亮度的特点。度的特点。激光测距激光测距 激光切割激光切割激光打孔激光打孔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，致，谱

11、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。激光传递信息的容量大，实现光通信。 计量工作的标准光源、激光通讯等利用了单色性好的特点。计量工作的标准光源、激光通讯等利用了单色性好的特点。光缆光缆舞台效果舞台效果143. 相干性好：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高低之分。普通光是自发辐射光，不会致它们的相干性也有高低之分。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，

12、所以称为相干光。有极强的相干性，所以称为相干光。激光具有很好的相干性。普通光源的相干长度约为激光具有很好的相干性。普通光源的相干长度约为1 1毫米毫米至几十厘米，激光可达几十公里。全息照相、全息存储等就至几十厘米，激光可达几十公里。全息照相、全息存储等就利用了相干性好的特点。利用了相干性好的特点。 全息摄影亦称：全息摄影亦称：“全息照相全息照相”，一种利用波的干涉记录被摄物体反，一种利用波的干涉记录被摄物体反射（或透射）光波中信息（振幅、相位）的照相技术。全息摄影是射（或透射）光波中信息（振幅、相位）的照相技术。全息摄影是通过一束参考光和被摄物体上反射的光叠加在感光片上产生干涉条通过一束参考光

13、和被摄物体上反射的光叠加在感光片上产生干涉条纹而成。全息摄影不仅记录被摄物体反射光波的振幅（强度），而纹而成。全息摄影不仅记录被摄物体反射光波的振幅（强度），而且还记录反射光波的相对相位，因此得到的照片显得更加立体。且还记录反射光波的相对相位，因此得到的照片显得更加立体。16其它应用其它应用激光医疗、美容整形激光医疗、美容整形激光打印机激光打印机10.1.3 固体激光材料固体激光材料激光系统激光系统最重要的是激光工作物质，最重要的是激光工作物质，分为固体、液体和气体激光分为固体、液体和气体激光工作物质。工作物质。固体激光器是最重要的一种固体激光器是最重要的一种，不但激活离子密度大，振荡频带宽，

14、不但激活离子密度大，振荡频带宽，能产生谱线窄的光脉冲，而且具有良好的机械性能和稳定的化学能产生谱线窄的光脉冲，而且具有良好的机械性能和稳定的化学性能。性能。固体激光器固体激光器 绝大部分激光晶体是含激活离子的荧光晶体，按照晶体组成可分绝大部分激光晶体是含激活离子的荧光晶体，按照晶体组成可分为为掺杂型掺杂型激光晶体和激光晶体和自激活自激活激光晶体两类，前者占现有激光晶体激光晶体两类，前者占现有激光晶体的绝大部分。的绝大部分。掺杂型激光晶体掺杂型激光晶体由由激活离子激活离子和和基质晶体基质晶体组成。组成。 1. 1. 激活离子激活离子：过渡族金属离子、三价稀土离子、二价稀土离子等过渡族金属离子、三

15、价稀土离子、二价稀土离子等。NdNd3+3+激光阈值极低，可实现连续运转，激光阈值极低，可实现连续运转，已成为晶体激光器中最重已成为晶体激光器中最重要、应用最广的激活离子。要、应用最广的激活离子。掺杂激光晶体发射的激光束掺杂激光晶体发射的激光束金属激活离子金属激活离子离子离子Ti4+V2+Cr3+Mn2+Fe3+Co2+Ni2+Cu2+3d壳层壳层电子数电子数1335671010离子半离子半径径/nm0.0670.0790.0620.0650.0640.0650.0690.096离子离子Pr3+Nd3+Sm4+Eu3+Dy4+Ho3+Er3+Tm4+Yb3+4f壳层壳层电子数电子数235691

16、0111213离子半离子半径径/nm0.1140.1120.1090.1070.1030.1020.1000.0990.09102. 基质晶体：氧化物和复合氧化物晶体基质晶体：氧化物和复合氧化物晶体具有熔点高、硬度大，物具有熔点高、硬度大，物理化学性能稳定，掺入三价激活离子不需电荷补偿等特点，是应理化学性能稳定，掺入三价激活离子不需电荷补偿等特点，是应用最广的一类基质晶体，如用最广的一类基质晶体，如Al2O3、Y2O3、La2O3、Gd2O3、Y3Al5O12(YAG)、Gd3Al5O12(GAG)、Y3Ga5O12(YGG)等。等。Al2O3、YAG等氧化物晶体已获得广泛的应用等氧化物晶体已

17、获得广泛的应用。 还有一些氟化物晶体、含氧金属酸化物晶体。还有一些氟化物晶体、含氧金属酸化物晶体。 3. 3. 典型的激光材料：典型的激光材料：掺杂型激光晶体掺杂型激光晶体有有稀土激活离子和过渡族激活离子两大类，稀土激活离子和过渡族激活离子两大类，前者以前者以掺掺Nd钇铝石榴石钇铝石榴石 (Nd3+：YAG)为为代表代表，后者以，后者以红宝石红宝石(Cr3+：Al2O3)为为代表。代表。 红宝石红宝石是在晶体氧化铝是在晶体氧化铝(Al(Al2 2O O3 3) )中掺入少中掺入少量的量的CrCr2 2O O3 3，由，由CrCr3+3+部分取代部分取代AlAl3+3+而成，激而成，激活离子活离

18、子CrCr3+3+。晶体颜色为淡红色，它是刚。晶体颜色为淡红色，它是刚玉的一种。玉的一种。 能级结构：铬失去的三个电子跃迁形成高能级结构：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能级电子，在光的激发下可受激发射而发光。光。 红宝石激光器红宝石激光器发射的波长为可见红光，很发射的波长为可见红光，很容易进行探测和定量测量，在激光器的基容易进行探测和定量测量，在激光器的基础研究、强光光学研究、激光光谱研究、础研究、强光光学研究、激光光谱研究、激光全息技术、激光雷达与测距方面有广激光全息技术、激光雷达与测距方面有广泛应用。泛应用。红宝石激光器红宝石激光器 NdNd：YAGYAG激

19、光器激光器阈值比红宝石低，增益系数大，重复率可达每秒几阈值比红宝石低，增益系数大，重复率可达每秒几百次，每次输出功率可达百兆瓦以上，用于军用激光测距和制导用百次，每次输出功率可达百兆瓦以上，用于军用激光测距和制导用激光照明等领域。激光照明等领域。 这种激光器是唯一能在常温下连续工作，且具有这种激光器是唯一能在常温下连续工作，且具有较大功率较大功率的激光器。的激光器。Nd：YAG激光器激光器4. 4. 半导体激光材料半导体激光材料受激辐射的激发方式主要有三种：受激辐射的激发方式主要有三种：光辐照、电子轰击和向光辐照、电子轰击和向p-n结注入电子结注入电子，其中其中p-n结注入电子是半导体产生激光

20、的重要方式结注入电子是半导体产生激光的重要方式。半导体激光器是固体激光器中重要的一类，又称激光二级管，它是利用少半导体激光器是固体激光器中重要的一类，又称激光二级管，它是利用少数载流子注入产生受激发射的器件。数载流子注入产生受激发射的器件。原理：半导体器件原理：半导体器件p-n结二极管，在电流正向流动时会引起激光振荡结二极管，在电流正向流动时会引起激光振荡二极管引起激光振荡的三个条件二极管引起激光振荡的三个条件: 具有合适的能级分布的激光物质，光转换效率高，要求直接带隙；具有合适的能级分布的激光物质，光转换效率高，要求直接带隙； 阈值电流：足够浓度的载流子；阈值电流：足够浓度的载流子； 谐振器

21、：二极管的两个侧面作为反射镜。谐振器：二极管的两个侧面作为反射镜。半导体激光器的常用结构：双异质结半导体激光器的常用结构：双异质结 优点：减小阈值电流，在室温下连续工作。优点：减小阈值电流，在室温下连续工作。 制备方法：用带隙和折射率不同的两种材料在适当的基片上外延生长制备方法：用带隙和折射率不同的两种材料在适当的基片上外延生长而成。而成。 常用材料常用材料GaAs、AlAs，晶格常数相差仅，晶格常数相差仅0.14%，消除结面缺陷。，消除结面缺陷。 三明治夹层结构：三明治夹层结构：p p型的型的GaAsGaAs夹在夹在GaAlAsGaAlAs之间，之间，GaAlAsGaAlAs一个一个p p型

22、，一型，一个个n n型。型。 GaAlAsGaAlAs比比GaAsGaAs有高的带隙，可借助高带隙界面位垒把电子限制在激有高的带隙，可借助高带隙界面位垒把电子限制在激活区内。活区内。 电子及其产生的光被限制在激活区内，大大减少器件中的电流密度电子及其产生的光被限制在激活区内，大大减少器件中的电流密度，可允许器件在较高的温度下工作，体积小、效率高、运行简单、价可允许器件在较高的温度下工作，体积小、效率高、运行简单、价廉。廉。GaAlAsGaAs半导体激光器的基本结构半导体激光器的基本结构10.2 光纤材料光纤材料 10.2.1 光纤材料发展历程简介光纤材料发展历程简介 从从17761776年发明

23、电话到年发明电话到2020世纪的世纪的6060年年代末，通信线路是铜制导线。我国代末，通信线路是铜制导线。我国采用的采用的1010管同轴电缆加上金属护套，管同轴电缆加上金属护套，质量达质量达4 4吨吨/ /公里，有色金属的消耗公里，有色金属的消耗实在是太大。实在是太大。 19291929年和年和19301930年，美国的哈纳尔和年，美国的哈纳尔和德国的拉姆先后拉制出石英光纤且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。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术此时的光纤波导的理论和应用技术进展相当缓慢，主要原因是当时光进展相当缓慢，主要原因是当时光纤损耗太大，达

24、到几百甚至一千多纤损耗太大，达到几百甚至一千多分贝分贝/ /公里，这种光纤对通信是毫公里，这种光纤对通信是毫无用处的。无用处的。世界光纤之父：高锟世界光纤之父：高锟 19661966年，高锟博士发表了著名的论文年，高锟博士发表了著名的论文“光频介质纤维表面波光频介质纤维表面波导导”，明确提出通过改进制备工艺，减少原材料杂质，可使，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石英光纤的损耗大大下降，并有可能拉制出损耗低于20dB/km20dB/km的光纤。的光纤。261970年，美国的康宁玻璃公司（年，美国的康宁玻璃公司（Corning Glass

25、 Co.）率先将）率先将高锟博士的科学预言变为现实，研制出在高锟博士的科学预言变为现实，研制出在0.63210m波长下波长下损耗为损耗为20dB/km的石英光纤，取得了重要的技术突破。的石英光纤，取得了重要的技术突破。在短短几十年时间里，光纤的损耗已由在短短几十年时间里，光纤的损耗已由1000dB/km下降到下降到0.16dB/km，致使光纤通信在世界范围内形成一个充满活力，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。的新兴产业。2720世纪世纪100年代中期，全世界范围内的光纤通信开始走向实用年代中期，全世界范围内的光纤通信开始走向实用化。化。石英玻璃光纤的质量为石英玻璃光纤的质量为

26、27克克/公里。原料廉价，传输损耗公里。原料廉价，传输损耗小，不受外界电磁干扰，保密性强。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。年后，全球范围信息高速公路的建设。到到2000年，世界光纤的年产量达到年，世界光纤的年产量达到6000万公里以上，而已经万公里以上，而已经铺设的光纤总长度到达铺设的光纤总长度到达2亿公里以上。正好印证了电子到光电亿公里以上。正好印证了电子到光电子的跨越。子的跨越。光纤的出现带动了集成光学的发展。光纤的出现带动了集成光学的发展。28 目前，用户对带宽的理解和要求已经不同于以往。以前宽带目前，用户对带宽的理解和要求已经不同于以往。以前宽

27、带服务提供商提供服务提供商提供ADSL接入时向用户承诺最高可以达到接入时向用户承诺最高可以达到2M、1M或者或者 512Kbit/s的带宽，实际上远远达不到这个要求。电的带宽，实际上远远达不到这个要求。电信服务承诺的概念被扭曲了，现在宽带用户逐渐成熟了，他信服务承诺的概念被扭曲了，现在宽带用户逐渐成熟了，他们对这种承诺已经不接受，要求有们对这种承诺已经不接受，要求有光纤接入光纤接入等新的技术来保等新的技术来保证带宽。国内房地产建设市场的旺盛也给光纤接入注入了活证带宽。国内房地产建设市场的旺盛也给光纤接入注入了活力。我国每年新建房产上亿平方米，在新楼盘的建设中必然力。我国每年新建房产上亿平方米，

28、在新楼盘的建设中必然有接入网络的建设问题，而光接入显然是首选的接入技术。有接入网络的建设问题，而光接入显然是首选的接入技术。 目前，我国光通信网络无论是网络规模，还是设备先进程度目前，我国光通信网络无论是网络规模，还是设备先进程度或技术应用水平，均达到了与世界先进水平同步的程度。从或技术应用水平，均达到了与世界先进水平同步的程度。从产业整体看，光通信领域已是我国高科技与世界一流水平距产业整体看，光通信领域已是我国高科技与世界一流水平距离最近的领域，完全达到与世界潮流同步离最近的领域，完全达到与世界潮流同步。10.2.2 光纤的基本概念及原理光纤的基本概念及原理 光纤是光导纤维的简称。光纤是光导

29、纤维的简称。光纤是以光脉冲的形式来传输信光纤是以光脉冲的形式来传输信号，材质以玻璃或有机玻璃为主的网络传输介质。号，材质以玻璃或有机玻璃为主的网络传输介质。 当光由光密介质出射至光疏介质时（当光由光密介质出射至光疏介质时（n1n2，12）（a a）折射角大于入射角：）折射角大于入射角：（b b）临界状态：）临界状态： （c c）全反射）全反射 ：入射角大于临界时，：入射角大于临界时，rinnsinsin21)/arcsin(,90120nnior临界角0ii30光通信正是利用了全反射原理，当光的注入角满足一定条件光通信正是利用了全反射原理，当光的注入角满足一定条件时，光便能在光纤时，光便能在光

30、纤(光波导光波导)内形成全反射，从而达到长距离内形成全反射，从而达到长距离传输的目的。传输的目的。包层包层 n2纤芯纤芯 n1光纤光纤中心中心轴线轴线 090- 0 包层包层 n2空气空气 n0 1结论：结论：光纤传光的原理是光的全反射；光纤传光的原理是光的全反射；只有当入射进光纤芯子中的光与光纤轴线交角小于一定值时只有当入射进光纤芯子中的光与光纤轴线交角小于一定值时，光线才能被耦合进入光纤传播光线才能被耦合进入光纤传播；1. 无论光源发射功率有多大，只有无论光源发射功率有多大，只有2i0张角之内的光功率能被光张角之内的光功率能被光纤接受传播。纤接受传播。10.2.3 光纤的结构光纤的结构涂涂

31、 层层包包 层层纤芯纤芯高石英玻璃高石英玻璃有损耗石英玻璃有损耗石英玻璃一次被覆层（变性硅）一次被覆层（变性硅）硅树脂硅树脂二次被覆层（尼龙）二次被覆层（尼龙）10.2.4 光纤通信的主要特性光纤通信的主要特性1. 光纤通信的优点：光纤通信的优点：（1）光纤的容量大）光纤的容量大光纤通信是以光纤为传输媒介，光波为载波的通信系统，其载光纤通信是以光纤为传输媒介，光波为载波的通信系统，其载波波光波具有很高的频率光波具有很高的频率(约约1014Hz)，因此光纤具有很大的通信容，因此光纤具有很大的通信容量。量。（2）损耗低、中继距离长）损耗低、中继距离长目前，实用的光纤通信系统使用的光纤多为石英光纤，

32、此类光纤目前，实用的光纤通信系统使用的光纤多为石英光纤，此类光纤在在1.55m波长区的损耗可低到波长区的损耗可低到0.110dB/km，比已知的其他通信线，比已知的其他通信线路的损耗都低得多，因此，由其组成的光纤通信系统的中继距离路的损耗都低得多，因此，由其组成的光纤通信系统的中继距离也较其它介质构成的系统长得多。也较其它介质构成的系统长得多。如果今后采用非石英光纤，并工作在超长波长如果今后采用非石英光纤，并工作在超长波长(2m)，光纤的理，光纤的理论损耗系数可以下降到论损耗系数可以下降到10-310-5dB/km，此时光纤通信的中继距离，此时光纤通信的中继距离可达数千、甚至数万公里。可达数千

33、、甚至数万公里。（3） 抗电磁干扰能力强抗电磁干扰能力强我们知道，电话线和电缆一般是不能跟高压电线平行架设的，也不我们知道，电话线和电缆一般是不能跟高压电线平行架设的，也不能在电气化铁路附近铺设。能在电气化铁路附近铺设。（4）保密性能好）保密性能好对通信系统的重要要求之一是保密性好。然而，随着科学技术的发对通信系统的重要要求之一是保密性好。然而，随着科学技术的发展，电通信方式很容易被人窃听：只要在明线或电缆附近展，电通信方式很容易被人窃听：只要在明线或电缆附近(甚至几公甚至几公里以外里以外)设置一个特别的接收装置，就可以获取明线或电缆中传送的设置一个特别的接收装置，就可以获取明线或电缆中传送的

34、信息。更不用去说无线通信方式。信息。更不用去说无线通信方式。（5） 体积小，重量轻。体积小，重量轻。（6） 化学性能稳定。化学性能稳定。（7） 节省有色金属和原材料。节省有色金属和原材料。2. 光纤通信的缺点：光纤通信的缺点：事物都是一分为二的，光纤通信有许多优点，因而发展很快，但事物都是一分为二的，光纤通信有许多优点，因而发展很快，但光纤通信也有以下缺点。光纤通信也有以下缺点。（1）不可过分弯曲；）不可过分弯曲；（2）光纤连接困难；）光纤连接困难；（3）分路、耦合困难；）分路、耦合困难；（4）抗拉强度低、光纤怕水。）抗拉强度低、光纤怕水。3. 光纤损耗光纤损耗（1）光纤材料的吸收与散射损耗；

35、）光纤材料的吸收与散射损耗；（2）光纤的弯曲辐射损耗；）光纤的弯曲辐射损耗；（3）光纤的连接；）光纤的连接；（4）耦合损耗。）耦合损耗。10.2.5 光纤分类光纤分类1. 按纤芯折射率分布不同：n2n1n2n1n2n12a2arr = ar = 0单模阶跃折射率光纤单模阶跃折射率光纤多模阶跃折射率光纤多模阶跃折射率光纤多模梯度折射率光纤多模梯度折射率光纤剖面折射率分布剖面折射率分布可传播模可传播模式式纤芯尺寸纤芯尺寸光耦合难度光耦合难度相对折射率差相对折射率差损耗损耗单模光纤单模光纤只可传输只可传输一种模式，一种模式，最低价模最低价模式式较小，约较小，约212m难难小：小： (n1-n2)/n

36、1 0.00050.01小小多模光纤多模光纤可传输多可传输多种模式种模式较粗，典型较粗，典型尺寸为尺寸为50m易易大：大： 0.010.02大大按制造材料分类：按制造材料分类：石英光纤（高石英玻璃光纤、多组分玻璃光纤）、晶体光纤、塑石英光纤（高石英玻璃光纤、多组分玻璃光纤）、晶体光纤、塑料光纤等。料光纤等。按用途分：按用途分： 用于通信，如：光缆；用于传感器，如：光纤陀螺；用于传输图用于通信，如：光缆；用于传感器，如：光纤陀螺；用于传输图像，如：内窥镜；其它用途，如用于传输能量。像，如：内窥镜；其它用途，如用于传输能量。光缆光缆塑料光纤塑料光纤10.2.6 光纤材料及制造光纤材料及制造1. 石

37、英玻璃光纤石英玻璃光纤石英玻璃光纤以二氧化硅石英玻璃光纤以二氧化硅(SiO2)为主要原料，并按不同的掺杂量来为主要原料，并按不同的掺杂量来控制纤芯和多组分玻璃光纤的折射率。包层中掺加控制纤芯和多组分玻璃光纤的折射率。包层中掺加F元素来降低折元素来降低折射率，纤芯中掺加二氧化锗（射率，纤芯中掺加二氧化锗（GeO2）提高折射率。）提高折射率。为降低石英光纤的内部损耗，现都采用化学气相反应淀积法制取高为降低石英光纤的内部损耗，现都采用化学气相反应淀积法制取高纯度的石英预制棒，再拉丝，制成低损耗石英光纤。纯度的石英预制棒，再拉丝，制成低损耗石英光纤。CVD法是根据法是根据半导体气相生长法发展起来的，这

38、种方法用超纯氧气作载气，把超半导体气相生长法发展起来的，这种方法用超纯氧气作载气，把超纯原料气体四氯化硅和掺杂剂四氯化锗（纯原料气体四氯化硅和掺杂剂四氯化锗（GeCl4）、三溴化硼）、三溴化硼(BBr3)、三氯氧磷、三氯氧磷(POCl3)等气体输送到以氢氧焰作热源的加热区。等气体输送到以氢氧焰作热源的加热区。混合气体在加热区发生气相反应，生成粉末状二氧化硅及添加氧化混合气体在加热区发生气相反应，生成粉末状二氧化硅及添加氧化物。继续升温加热，使混合粉料熔融成玻璃态，制成超纯玻璃预制物。继续升温加热，使混合粉料熔融成玻璃态，制成超纯玻璃预制棒，然后经加热棒，然后经加热(高频感应加热、电阻加热、氢氧

39、焰加热高频感应加热、电阻加热、氢氧焰加热)使料棒融使料棒融化、拉丝。折射率通过添加氧化物的浓度加以调节。化、拉丝。折射率通过添加氧化物的浓度加以调节。石英光纤与其它原料的光纤相比，还具有从紫外线光到近红外线光石英光纤与其它原料的光纤相比，还具有从紫外线光到近红外线光的透光广谱，除通信用途之外，还可用于导光和传导图像等领域。的透光广谱，除通信用途之外，还可用于导光和传导图像等领域。2. 多组分玻璃光纤多组分玻璃光纤多组分玻璃光纤的成分除石英外还含有氧化钠多组分玻璃光纤的成分除石英外还含有氧化钠(Na2O)、氧化钾、氧化钾(K2O)、氧化钙、氧化钙(CaO)、氧化硼、氧化硼(B2O3)等其他氧化物

40、。特点是多成等其他氧化物。特点是多成分玻璃比石英的软化点低且纤芯与包层的折射率差很大。分玻璃比石英的软化点低且纤芯与包层的折射率差很大。主要用在医疗业务的光纤内窥镜。主要用在医疗业务的光纤内窥镜。多组分玻璃光纤采用双坩埚法制造。坩埚由尾部带漏管的内外两多组分玻璃光纤采用双坩埚法制造。坩埚由尾部带漏管的内外两层铂坩埚同轴套在一起所组成。多组分玻璃料经过仔细提纯，芯层铂坩埚同轴套在一起所组成。多组分玻璃料经过仔细提纯，芯料玻璃放在内层坩埚里，包层玻璃放在外层坩埚里。玻璃料经加料玻璃放在内层坩埚里，包层玻璃放在外层坩埚里。玻璃料经加热熔化后从漏管中流出。在坩埚下方有一个高速旋转的鼓轮，将热熔化后从漏

41、管中流出。在坩埚下方有一个高速旋转的鼓轮，将熔融状态的玻璃拉成一定直径的细纱。漏孔的直径大小和漏管的熔融状态的玻璃拉成一定直径的细纱。漏孔的直径大小和漏管的长度决定芯子的直径与包层厚度的比值。长度决定芯子的直径与包层厚度的比值。3. 红外光纤红外光纤红外光纤主要用于光能传送，例如：温度计量、热图像传输、激红外光纤主要用于光能传送，例如：温度计量、热图像传输、激光手术刀医疗、热能加工等，普及率尚低。光手术刀医疗、热能加工等，普及率尚低。目前正在研究的有重金属氧化物玻璃、卤化物玻璃、硫系玻璃和目前正在研究的有重金属氧化物玻璃、卤化物玻璃、硫系玻璃和卤化物晶体等。重金属氧化物玻璃主要是指比重较石英玻

42、璃大的卤化物晶体等。重金属氧化物玻璃主要是指比重较石英玻璃大的氧化物玻璃，如氧化物玻璃，如GeO2、GeO2-SbO3、CaO-AI2O3；卤化物玻璃有；卤化物玻璃有BeF2、BaF2-CaF2-YF3-Al F3、GdF3-BaF2-ZrF4等；硫系玻璃主要等；硫系玻璃主要指以指以S、Se、Te等元素为主体的单元或多元玻璃化合物。等元素为主体的单元或多元玻璃化合物。4. 塑料光纤塑料光纤它是纤芯和包层都用塑料（聚合物）作成的光纤。早期产品主要它是纤芯和包层都用塑料（聚合物）作成的光纤。早期产品主要用于装饰和导光照明及近距离光线路的光通信中，原料主要是有用于装饰和导光照明及近距离光线路的光通信

43、中，原料主要是有机玻璃（机玻璃（PMMA）、聚苯乙烯（）、聚苯乙烯（PS）和聚碳酸酯（）和聚碳酸酯（PC）。损耗）。损耗受到塑料固有的受到塑料固有的C-H 结合结构制约，一般每千米可达几十分贝。结合结构制约，一般每千米可达几十分贝。为了降低损耗，目前正在开发应用氟素系列塑料。为了降低损耗，目前正在开发应用氟素系列塑料。5. 其他光纤其他光纤金属涂层光纤金属涂层光纤是在光纤的表面涂布是在光纤的表面涂布Ni、Cu、Al等金属层的光纤。等金属层的光纤。目的在于提高抗热性和可供通电及焊接。它是抗恶环境性光纤之目的在于提高抗热性和可供通电及焊接。它是抗恶环境性光纤之一，也可作为电子电路的部件用。一，也可

44、作为电子电路的部件用。在光纤的纤芯中，掺杂饵在光纤的纤芯中，掺杂饵(Er)、钕、钕(Nd)、镨、镨(Pr)等稀土族元素的光等稀土族元素的光纤为纤为掺稀土光纤掺稀土光纤。用。用1.47 pm的激光进行激励可得到的激光进行激励可得到1.55 pm 的光的光信号。另外，掺镨的氟化物光纤放大器信号。另外，掺镨的氟化物光纤放大器(PDFA)正在开发中。正在开发中。发光光纤发光光纤是采用含有荧光物质制造的光纤。它是在受到辐射线、是采用含有荧光物质制造的光纤。它是在受到辐射线、紫外线等光波照射时，产生的一部分荧光，可以用于检测辐射线紫外线等光波照射时，产生的一部分荧光，可以用于检测辐射线和紫外线，以及进行波

45、长变换，或用作温度敏感器、化学敏感器。和紫外线，以及进行波长变换，或用作温度敏感器、化学敏感器。从荧光材料和掺杂的角度上，目前正在开发塑料发光光纤。从荧光材料和掺杂的角度上，目前正在开发塑料发光光纤。10.3 红外材料红外材料红外材料是指与红外线的辐射、吸收、透射和探测等相关的一些材红外材料是指与红外线的辐射、吸收、透射和探测等相关的一些材料。料。10.3.1 红外线的基本性质红外线的基本性质红外线是英国赫舍尔在红外线是英国赫舍尔在11000年发现的。它本质上和可见光一样是一年发现的。它本质上和可见光一样是一种电磁波，波长在种电磁波，波长在0.71000m之间。之间。红外线可分为三部分，即近红

46、红外线可分为三部分，即近红外，波长为外，波长为0.751.50m之间；中红外，波长为之间；中红外，波长为1.506.0m之间；远之间；远红外，波长为红外，波长为6.0l000m 之间（也有之间（也有15.01000m 之间称为极远红之间称为极远红外）。外）。红外线的辐射起源于红外线的辐射起源于分子的振动和转动分子的振动和转动，而分子振动和转动起源于，而分子振动和转动起源于温温度度。所以在。所以在0K以上的温度下，一切物体均可辐射红外线，故红外线以上的温度下，一切物体均可辐射红外线，故红外线是一种热辐射，有时也叫它热红外。也就是说，我们周围所有温度在是一种热辐射，有时也叫它热红外。也就是说，我们

47、周围所有温度在绝对零度（绝对零度（-273）以上的物体，都会不停地发出热红外线（热辐）以上的物体，都会不停地发出热红外线（热辐射）。射）。 红外线的特性红外线的特性 （1）“大气窗口大气窗口”现象现象 大气、烟云等吸收可见光和近红外线，但是对大气、烟云等吸收可见光和近红外线，但是对35m和和1014m的热红外线却透过率很高。因此，这两个波段被称的热红外线却透过率很高。因此，这两个波段被称为热红外线的为热红外线的“大气窗口大气窗口” 。利用这两个窗口，可以使人们。利用这两个窗口，可以使人们在完全无光的夜晚，或是在烟云密布的战场，清晰地观察到在完全无光的夜晚，或是在烟云密布的战场，清晰地观察到前方

48、的情况。前方的情况。 （2）物体的热辐射能量的大小，直接和物体表面的温度相）物体的热辐射能量的大小，直接和物体表面的温度相关。关。 10.3.2 红外辐射材料红外辐射材料 常用的发射率较高的红外辐射材料有常用的发射率较高的红外辐射材料有碳、石墨、氧化物、碳、石墨、氧化物、碳化物、氮化物以及硅化物碳化物、氮化物以及硅化物等。等。 红外辐射搪瓷、红外辐射陶瓷以及红外辐射涂料等红外辐射搪瓷、红外辐射陶瓷以及红外辐射涂料等是一般是一般红外辐射材料通常使用形式。红外辐射材料通常使用形式。 红外辐射涂料通常涂敷在热物体表面构成红外辐射体。红红外辐射涂料通常涂敷在热物体表面构成红外辐射体。红外辐射涂料中一般

49、都选用在工作温度范围内发射率高的材外辐射涂料中一般都选用在工作温度范围内发射率高的材料。红外辐射涂料由辐射材料的粉末与粘接剂（无机）等料。红外辐射涂料由辐射材料的粉末与粘接剂（无机）等按适当比例混合配制而成。按适当比例混合配制而成。 部分红外辐射涂料的性能及规格部分红外辐射涂料的性能及规格名称名称型号型号法向发射率法向发射率使用温度使用温度适用基体适用基体氧化铁氧化铁HS-1-10.101060600陶瓷陶瓷氧化铬氧化铬HS-2-10.101锆质陶瓷锆质陶瓷HS-3-1-特质氧化铁特质氧化铁HS-1-20.10560600陶瓷、金属陶瓷、金属特质氧化铬特质氧化铬HS-2-20.106锆质陶瓷锆

50、质陶瓷HS-3-20.104特质碳化硅特质碳化硅HS-4-20.107碳化硼碳化硼HK-B-60600陶瓷、金属陶瓷、金属氧化铁氧化铁HY-10.10260600陶瓷陶瓷氧化铬氧化铬HY-20.103锆英粉锆英粉HY-30.109碳化硅碳化硅HY-40.105 红外辐射材料的应用红外辐射材料的应用1用于热能利用方面用于热能利用方面 （1）红外加热：）红外加热：利用热辐射体（如红外加热器）所发射出来利用热辐射体（如红外加热器）所发射出来的红外线，照射到物体上并被吸收后转换成热（或同时伴随其的红外线，照射到物体上并被吸收后转换成热（或同时伴随其他非热效应），从而达到加热、干燥的目的。如在机械和金属

51、他非热效应），从而达到加热、干燥的目的。如在机械和金属领域用于机械设备的金属部件、车架、船舶的喷漆烘干，铸型领域用于机械设备的金属部件、车架、船舶的喷漆烘干，铸型的干燥等；在化工领域用于热塑性树脂的干燥、纸浆和药品的的干燥等；在化工领域用于热塑性树脂的干燥、纸浆和药品的干燥、玻璃和陶瓷的预热和烧结等；在医疗领域用于促进血液干燥、玻璃和陶瓷的预热和烧结等；在医疗领域用于促进血液循环和汗腺的分泌、外伤的治疗等；在食品工业领域用干冷冻循环和汗腺的分泌、外伤的治疗等；在食品工业领域用干冷冻谷类捆包前的脱水、冷冻食品的解冻、稻谷水果的烘干等等。谷类捆包前的脱水、冷冻食品的解冻、稻谷水果的烘干等等。 （2

52、）作为耐火材料：）作为耐火材料：高发射率红外辐射涂层属于不定形耐火高发射率红外辐射涂层属于不定形耐火材料中的一种，一般被涂于加热炉的炉衬耐火砖或耐火纤维毡材料中的一种，一般被涂于加热炉的炉衬耐火砖或耐火纤维毡表面，也可涂于测温套管、烧嘴砖等表面，将十分有利于热能表面，也可涂于测温套管、烧嘴砖等表面，将十分有利于热能的利用。的利用。 2用于航天领域用于航天领域航天器用红外辐射涂层是一种高温高发射率涂层、涂在航天器蒙皮航天器用红外辐射涂层是一种高温高发射率涂层、涂在航天器蒙皮表面上，作为辐射防热结构。表面上，作为辐射防热结构。3用于军事目的用于军事目的（1）防红外伪装涂层：）防红外伪装涂层：红外伪

53、装的最基本原理是降低和消除目标红外伪装的最基本原理是降低和消除目标和背景的辐射差别，以降低目标被发现和识别的可能性。近红外伪和背景的辐射差别，以降低目标被发现和识别的可能性。近红外伪装涂层要求目标与背景的光谱反射率尽可能接近；中、远红外伪装装涂层要求目标与背景的光谱反射率尽可能接近；中、远红外伪装涂层则一般采用低发射率涂层材料，以弥补二者的温度差异。据称涂层则一般采用低发射率涂层材料，以弥补二者的温度差异。据称美国隐形战斗机美国隐形战斗机F-19的机身表面就涂有减少雷达波及红外线的伪装的机身表面就涂有减少雷达波及红外线的伪装涂层。涂层。（2）红外诱饵器：）红外诱饵器：红外诱饵器作为对付红外制导

54、导弹的一种对抗红外诱饵器作为对付红外制导导弹的一种对抗手段，正受到重视。若采用固体热红外假目标手段，正受到重视。若采用固体热红外假目标(诱饵诱饵)，在表面涂上，在表面涂上高发射率涂层，则能提高诱饵的红外辐射强度，从而提高假目标的高发射率涂层，则能提高诱饵的红外辐射强度，从而提高假目标的有效性。选择不同辐射频率的材料作成的红外诱饵器可以模拟各种有效性。选择不同辐射频率的材料作成的红外诱饵器可以模拟各种武器装备的红外辐射特征，更好地发挥红外诱饵假目标的作用。武器装备的红外辐射特征，更好地发挥红外诱饵假目标的作用。 10.3.3 透红外材料透红外材料透红外材料指的是对红外线透过率高的材料。透红外材料

55、指的是对红外线透过率高的材料。1. 常用红外材料常用红外材料透红外晶体材料包括离子晶体和半导体晶体两种。离子晶体主要透红外晶体材料包括离子晶体和半导体晶体两种。离子晶体主要包括碱卤化合物晶体，碱土包括碱卤化合物晶体，碱土-卤族化合物晶体，某些氧化物晶体和卤族化合物晶体，某些氧化物晶体和无机盐晶体。半导体晶体主要包括无机盐晶体。半导体晶体主要包括IVA族单元素晶体，族单元素晶体，IIIA-VA族族化合物和化合物和IIB-VIA族化合物晶体等。族化合物晶体等。 碱卤化合物晶体有碱卤化合物晶体有LiF、NaF、NaCl、KCl、KBr、KI、RbCl、RbBr、RbI、CsBr、CsI 等。一般说来

56、，这类材料的熔点不高、等。一般说来，这类材料的熔点不高、比较容易培养成大单晶，其退火工艺也不十分复杂，同时也较容比较容易培养成大单晶，其退火工艺也不十分复杂，同时也较容易实现光学均匀性。易实现光学均匀性。金属铊和卤族元素化合物的单晶，例如金属铊和卤族元素化合物的单晶，例如TlBr、TlC1以及混合晶体以及混合晶体KRS-5(TlBr-TlI)与与KRS-6(TlBr-TlCl)等也是一类常用的透红外材等也是一类常用的透红外材料。它们具有相当宽的透射波段，同时仅微溶于水。料。它们具有相当宽的透射波段，同时仅微溶于水。碱土碱土卤族化合物晶体主要包括卤族化合物晶体主要包括CaF2、BaF2、SrF2

57、、MgF2。这类材料。这类材料的近红外透过率一般都较高。折射率较低，反射损失小，不需镀抗反的近红外透过率一般都较高。折射率较低，反射损失小，不需镀抗反射膜。和碱卤化合物品体相比，硬度要高得多，机械强度也好得多，射膜。和碱卤化合物品体相比，硬度要高得多，机械强度也好得多，几乎不溶于水几乎不溶于水(如如MgF2)或微溶于水。或微溶于水。氧化物晶体是火箭、导弹、人造卫星、宇宙飞行器以及通讯、遥测等氧化物晶体是火箭、导弹、人造卫星、宇宙飞行器以及通讯、遥测等用的红外装置中广泛使用的一类晶体。用的红外装置中广泛使用的一类晶体。材料材料透射透射波段波段/m折射率折射率（4.3 m 处）处）硬度硬度（克氏（

58、克氏硬度）硬度）熔点熔点密度密度（gcm-3）弹性模量弹性模量/GPa热膨胀系热膨胀系数（数（10-6K-1）在水中在水中的溶解的溶解度（度（10-2gmL-1）备注备注氧化铝氧化铝5.51.610137020303.9103726.70 cc5.00cc0.00双折射双折射晶体，晶体，其折射其折射率值是率值是对寻常对寻常光线而光线而言言晶态石英晶态石英4.51.46（寻（寻常光线）常光线）74114702.65C11:103C44:567.100.00融熔石英融熔石英4.51.3747016672.20640.550.00氧化镁氧化镁6.101.66690210003.5925513.000

59、.00氧化钛氧化钛6.02.4510100110254.26C11:351C44:1239.000.00用作透红外光学材料的半导体晶体主要有用作透红外光学材料的半导体晶体主要有Ce、Si、CdTe、CaAs等，等，这类材料在红外波段大多具有较大的折射率，一般需用涂膜来减少反这类材料在红外波段大多具有较大的折射率，一般需用涂膜来减少反射损失。射损失。材料材料透射波段透射波段/m折射率折射率（4.3 m 处）处）硬度硬度（克氏（克氏硬度）硬度）熔点熔点密度密度（gcm-3）弹性模量弹性模量/GPa热膨胀系热膨胀系数（数（10-6K-1）在水中的在水中的溶解度溶解度（10-2gmL-1）锗锗254.

60、0210009405.33C11:127C44:666.100.00硅硅153.42115014202.33C11:163C44:7104.200.00金刚石金刚石302.4010102035003.51C11:932C44:5100.1070.00锑化铟锑化铟163.992235235.710C11:64C44:304.900.00砷化镓砷化镓1103.34（10 m 处）处）750123105.31C11:12C44:55.740.00锑化镓锑化镓243.7044107055.62C11:107C44:426.900.00硫化镉硫化镉162.261211500(100大气压大气压)4.10