lec7-材料的光学性能

材料的光学性能OpticalPropertiesofMaterials杜宇雷材料科学与工程学院二能级系统不能充当激光工作物质,因为其不能实现粒子反转。E2E1N2N1h处于高能级态的粒子自发跃迁到低能级态，并同时向外辐射出一个光子（自发辐射只与原子本身性质有关，与辐射场的无关）。）(1、自发辐射）(为辐射场能量密度自发跃迁概率：221211ndtdnAsp单位时间、单位体积内，上粒子的减少为：221212nAdtdndtdnsp2E为自发辐射跃迁的爱因斯坦系数，表示单位时间内从高能态E2到低能态E1发生自发辐射跃迁的几率。只与物质自身的性质有关。21A受激吸收概率：t121121sdtdnnW）(1212BW为爱因斯坦吸收系数,只与粒子本身的性质有关。12B）(为辐射场能量密度1n为E1能级上的原子数密度,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。12W表示单位时间内从低能态E1到高能态E2发生受激吸收跃迁的几率。受激辐射受激辐射的概率：stdtdnnW212211)(2121BW21B称为爱因斯坦受激发射系数。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。表示单位时间内从高能态E2到低能态E1发生受激辐射跃迁的几率。21Ww21=w12受激辐射与受激跃迁几率相等。从低能级到高能级的自发跃迁几率为零。）(1212BW)(2121BW221211ndtdnAsp自发跃迁几率与外辐射场无关。受激跃迁几率与外辐射场成正比。7kTEnneN热平衡时，不同能级的原子数服从玻尔兹曼分布受激辐射与吸收同时存在，要产生激光必须N2w21N1w12由于w21=w12即需要N2N1kTEEeNN12121热平衡不会产生激光！如果激光器运转过程中有关的能级只有两个，用有效的激励手段把处于下能级E1的原子尽可能多地抽运到上能级E2。设能级E1和E2上单位体积内的原子数分别为n1和n2，自发辐射、受激吸收和受激辐射的概率分别为A21、W12和W21。因为W12=W21=W。E2能级上粒子数n2的速率方程为dn2/dt=W(n1-n2)-A21n2,当达到稳定时，dn2/dt=0，n2/n1=W/(W+A21)，可见，不管激励手段如何强，（A21+W）总是大于W，所以n2＜n1。这表明，对二能级系统的物质来说，不能实现粒子数反转。二能级系统不能充当激光工作物质,因为其不能实现粒子反转。9激光物质是三能级结构。如果激励过程使原子从基态E1以很大概率W抽运到E3能级，处于E3的原子可以跃迁回到E2或E1。假定从E3回到E2的概率A32大大超过从E3回到E1的概率A31，也超过从E2回到E1的概率A21，则利用泵浦抽运可使E2和E1之间形成粒子数反转。三能级系统n2n1n3E1E2E310在外界激励下，基态E1的粒子大量地跃迁到E4，然后迅速转移到E3。E3能级为亚稳态，寿命较长。E2能级寿命较短，因而到达E2上的粒子会很快回到基态E1。所以在E3和E2之间可能实现粒子数反转。由于激光下能级不是基态，而是激发态E2，所以在室温下激光下能级的粒子数很少，因而E3和E2间的粒子数反转比三能级系统容易实现。n1四能级系统E1E2E3E4N2n3n4(快）(慢）激光物质是四能级结构。光纤OpticalFibers光源调制器驱动电路放大器光电二极管判决器光纤光纤中继器激光光纤光导纤维：简称“光纤”，是一种能利用光的全反射作用来传导光线的透明度极高的玻璃纤维。光纤之父高锟Kao,K.C.andHockham,G.A.,“Dielectric-fibreSurfaceWaveguidesforOpticalFrequencies（《光频率的介质纤维表面波导》）,Proc.I.E.E.Vol.113,No.7,July1966,pp.1151-1158.以玻璃制造一条比头发还要纤细的光纤，代替体积庞大的千百万条铜线，作为传送容量几近无限的信息传送管道。光纤概念的提出60年代，光纤损耗超过1000dB/km•60年代，光纤损耗超过1000dB/km•1970年出现突破，光纤损耗降低到约20dB/km(1m附近波长区)•1979年，光纤损耗又降到0.2dB/km(在1.55m处)－－低损耗光纤的问世导致了光波技术领域的革命，开创了光纤通信的时代。光纤的发展1、信息量大：每根光纤理论上可同时通过10亿路电话。2、质量小：每公里27g，不怕腐蚀。4、成本低：每公里1万元左右。3、性能好：抗电磁干扰、保密性强。采用光纤通信与传统的铜芯电缆通信相比有何优势？弯曲的玻璃棒能传光1870年，英国物理学家丁达尔在皇家学会的演讲厅做了一个简单的实验：在装满水的木桶上钻个孔，然后用灯从桶上边把水照亮。结果使观众们大吃一惊。人们看到，放出的水从水桶的小孔里流了出来，水流弯曲，光线也跟着弯曲，光居然被弯弯曲曲的水俘获了。不同介质的折射率不同，我们把折射率较小的介质称为光疏介质，折射率较大的介质称为光密介质．光疏介质和光密介质是相对的．θ1θ3NN'AOBθ1θ2空气NN'AOB介质1空气介质2介质1相对介质2是光疏介质介质1与介质2相对空气都是光密介质θ2θ3＞n１＜n2全反射既然光由光密介质射入光疏介质时，折射角大于入射角，由此可以预料，当入射角增大到一定程度时，折射角就会增大到90°．θ1θ2介质NN'AOB空气θ1θ2介质NN'AOB空气折射角θ2为90°时，会发生什么情况？光由光密介质射入光疏介质时，同时发生反射和折射，折射角大于入射角，随着入射角的增大，反射光线越来越强，折射光线越来越弱，当折射角增大到90°时，折射光线完全消失，只剩下反射光线，这种现象叫做全反射．折射角θ2为90°时，发生全反射现象．θ1θ3介质NN'AOC空气θ1θ2介质NN'AOB空气θ3Cθ1θ3光密介质NN'AOC光疏介质在研究全反射现象中，刚好发生全反射的，即折射角等于90°时的入射角是一个很重要的物理量，叫做临界角．临界角用C表示当光线从光密介质射入光疏介质时，如果入射角等于或大于临界角，就发生全反射现象．θ1≥临界角发生全反射现象发生全反射的条件①光从光密介质进入光疏介质；②入射角等于或大于临界角．光纤的结构•光纤是一种高度透明的玻璃丝，由纯石英经复杂的工艺拉制而成。•光纤中心部分(芯Core)＋同心圆状包裹层(包层Clad)＋涂覆层芯包层树脂被覆层特点：ncorenclad光在芯和包层之间的界面上反复进行全反射，并在光纤中传递下去。光纤的结构光纤本身由纤芯和包层构成，纤芯是由高透明固体材料(如高二氧化硅玻璃，多组分玻璃、塑料等)制成，纤芯的外面是包层，用折射率较低(相对于纤芯材料而言)的有损耗(每公里几百分贝)的石英玻璃、多组分玻璃或塑料制成。这样就构成了能导光的玻璃纤维—光纤，光纤的导光能力取决于纤芯和包层的性质。芯包层树脂被覆层在光纤的外面是一次被覆层，主要目的是防止玻璃光纤的玻璃表面受损伤，井保持光纤的强度。因此，在选用材料和制造技术上，必须防止光纤产生微弯或受损伤。通常采用连续挤压法把热可塑硅树脂被覆在光纤外而制成，此层的厚度约100~150μm，在一次被覆层之外是缓冲层，外径为400μm，目的在于防止光纤因一次被覆层不均匀或受侧压力作用而产生微弯，带来额外损耗。因此，必须用缓冲效果良好的低杨氏系数材料作缓冲层，为了保护一次被覆层和缓冲层，在缓冲层之外加上二次被覆层。二次被覆层材料的杨氏系数应比一次被覆层的大，而且要求具有小的温度系数，常采用尼龙，这一层外径常为0.9mm。光纤的结构——三层芯线结构上述光纤是很脆的，还不能付诸实际应用。要使它具有实用性，还必须使它具有一定的强度和柔性，采用三层芯线结构。光纤的类型光纤的分类方法很多，既可以按照光纤截面折射率分布来分类，又可以按照光纤中传输模式数的多少、光纤使用的材料或传输的工作波长来分类。按传输模式的数量分类按光纤中传输的模式数量，可以将光纤分为多模光纤(Multi-ModeFiber，MMF)和单模光纤(SingleModeFiber，SMF)。多模光纤和单模光纤是由光纤中传输的模式数决定的，判断一根光纤是不是单模传输，除了光纤自身的结构参数外，还与光纤中传输的光波长有关。高次模基模低次模传输模式是光学纤维最基本的传输特性之一。若一种光纤只允许传输一个模式的光波，则称它为单模光纤。如果一种光纤允许同时传输多个模式的光波，这种光纤为多模光纤。光学上把具有一定频率，一定的偏振状态和传播方向的光波叫做光波的一种模式，或称光的一种波型。多模光纤直径为几十至上百微米，与光波长相比大得多，因此，许多模式的光波进入光纤后都能满足全反射条件，在光纤中得到正常的传输。在光纤的输出端可以看到光强度分布的不同花样，即在输出端出现多个亮斑，一个亮斑代表多模光纤所传输的一种模式的光波。单模光纤的直径只有3~10μm，同光波的波长接近。在这样细的光纤中，只有沿着光纤轴线方向传播的一种模式的光波满足全反射条件，在光纤中得到正常的传输。其余模式的光波由于不满足全反射条件，在光纤中传送一段距离后很快就被淘汰。•多模光纤：顾名思义，多模光纤就是允许多个模式在其中传输的光纤，或者说在多模光纤中允许存在多个分离的传导模。•优点：芯径大，容易注入光功率，可以使用LED作为光源•缺点：存在模间色散，只能用于短距离传输•单模光纤：只能传输一种模式的光纤称为单模光纤。•优点：单模光纤只能传输基模(最低阶模)，它不存在模间时延差，因此它具有比多模光纤大得多的带宽，这对于高码速长途传输是非常重要的。•缺点：芯径小，较多模光纤而言不容易进行光耦合，需要使用半导体激光器激励。按光纤截面上折射率分布分类按照截面上折射率分布的不同可以将光纤分为阶跃型光纤(Step-IndexFiber，SIF)和渐变型光纤(Graded-IndexFiber，GIF)，其折射率分布如图所示。根据芯区折射率径向分布的不同，可分为：不同的折射率分布，传输特性完全不同光线以折线形状传输，脉冲信号畸变大，用于近距离传输MultimodeStep-Index光线以曲线形状传输，脉冲信号畸变相对较小，比阶跃型传输距离更大，传输距离更长MultimodeGraded-Index光线以直线传输，脉冲信号畸变小，用于长距离高速传输，当前光纤发展的主流SingleMode以不同入射角进入光纤的光线将经历不同的途径，虽然在输入端同时入射并以相同的速度传播，但到达光纤输出端的时间却不同，出现了时间上的分散，导致脉冲严重展宽。模间色散所有大于临界角C的光线都被限制在纤芯内。阶跃光纤High-orderMode(Longerpath)Low-orderMode(shorterpath)AxialMode(shortestpath)corecladding-孔径数(NA)22210212202110sin1cos90sinsincossinnnnNAnnnnnnniccci2112nNA1212122212nnnnnn相对折射率差n0、n1、n2--分别是空气、纤芯、包层折射率，c--芯包界面全反射临界角阶跃光纤代表光纤接收光的本领（示意图）cin1n2n0最大理论数值孔径的定义为：2/12221max)(nnNA其中，n1为阶跃光纤均匀纤芯的折射率（梯度光纤为纤芯中心的最大折射率），n2为均匀包层的折射率。=(n2–n1)/n1为纤芯-包层相对折射率差.光纤的数值孔径（NA）是一个小于1的无量纲的数，其值通常在0.14到0.50之间。数值孔径对光源耦合效率、光纤损耗、弯曲的敏感性以及带宽有着密切的关系，数值孔径大有利于光耦合。但是数值孔径太大的光纤模畸变加大，使得通信带宽较窄。最大理论数值孔径（Namax）