第六章激光與激光器

6.1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。跟上節(jié)所述的自發(fā)發(fā)射產生的普通光相反，激光是受激發(fā)射而產生的。那么，普通的自發(fā)發(fā)射光與激光區(qū)別在哪里？可以簡單地從最終的結果來說，激光是時間上、空間上相位整齊的正弦波，而普通光則在時間上和空間上是無規(guī)則，使一種衰減和振蕩重疊在一起的波。激光如同電波和音叉發(fā)出的聲波一樣是整齊的波，而普通光則可以說是如同空中放電和噪聲一樣的雜亂無章的波（見圖5.1）。從圖中我們可以看到，以白熾燈為代表的發(fā)光光源，其發(fā)出的是一種普通光，屬于自發(fā)發(fā)射的非相干光。這種光是大量的粒子從高能態(tài)向低能態(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)時間也以指數函數急劇衰減。而激光雖然也是有大量的粒子從高能態(tài)向低能態(tài)躍遷發(fā)射的光波，但其在時間和空間上相位完全一致。這是激光最本質的特性之一。圖6.1自發(fā)發(fā)射光與激光的差別

圖6.1顯示了自發(fā)發(fā)射的非相干光與受激發(fā)射等的相干光的兩種不同的情況。非相干光通常其光譜的寬度較寬、其光束發(fā)散角也較大。這是由于各個原子發(fā)出的光，其相位斷斷續(xù)續(xù)，并向四面八方發(fā)射之故。若要使非相干光形成相互干涉時，除非采用一種特殊的透光的狹縫，否則不能發(fā)生干涉。在前面我們已經介紹了受激發(fā)光，用前述方法產生的激光由于是受激發(fā)射光，因而是相位整齊的相干光波。相干光的激光增益帶寬由激光共振腔的Q值和長度以及激光工作物質決定，因此受到限制，光譜寬度極為狹窄。激光的相干光是整齊的正弦波，容易發(fā)生干涉。這是因為相干光從時間上說，相位一致，光譜寬度窄，這種現象被稱為單色性好。激光的譜寬可以在幾十兆赫以下，經過調整可壓縮至幾千赫以下。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，白色燈光可達到數億兆赫。非相干光發(fā)散角在2π~4π弧度（全立體角）的立體角內。激光在空間內也是相位一致，波長短，所以指向性特別好，激光發(fā)散角很小，只有毫弧度。所以，即使采用簡單的光學系統(tǒng)也可以把激光聚焦成波長量級的光斑，形成極高的光能密度，而普通光絕對不能達到的。激光與非激光差別，源于產生的方式不同。我們已知了受激發(fā)光的原理，激光的產生基礎就是受激發(fā)光和粒子數反轉。引發(fā)激光產生的受激發(fā)光和粒子數反轉如圖6.2所示。受激發(fā)光和粒子數反轉是激光產生的一個基本條件，另外還須是獲得的受激發(fā)光得到成倍的加強或放大。為了讓粒子的受激發(fā)射的幾率隨入射的電磁波的強度成比例地增加，采用適當的共振腔使其作正反饋，連續(xù)引發(fā)受激發(fā)射，產生自激振蕩，這就是激光產生的原理。實現通過自激振蕩使受激發(fā)射光的強度成比例地增加,按照電子電路里面，真空管和晶體管都是在放大電路中加上正反饋（取出輸出信號的一部分，與輸入信號同相位而再次加進輸入信號中去）而引起自激振蕩的思路，在激光器中也采用完全相同的辦法使激光自激振蕩。用高品質因數（Q）的發(fā)布里—帕羅共振腔提供正反饋和自激振蕩，所謂的“發(fā)布里—帕羅共振腔”是由相向（即面對面）排列的兩塊全反射鏡子組成，如圖6.3所示。在負溫度狀態(tài)，進行強烈的抽運，并降低共振腔內Q值,使激光不振蕩，到達粒子數反轉充分時，急速升高Q值。此Q開關法可獲得的巨脈沖.采用鎖模技術可產生皮秒（10-12s）光脈沖和亞皮秒光脈沖，這些也都是激光的特征。圖6.2造成粒子數反轉的方法和粒子受激發(fā)光成一片圖6.3提供正反饋的激光共振腔6.2不同工作物質的激光器激光器是光電子技術領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。迄今為止，已發(fā)現的激光工作物質約有千余種，獲得的相應的激光特征譜線達到上萬條，可覆蓋從毫米波直到X射線的整個光學頻段。激光器的分類方法很多，按工作物質可分為固體激光器、氣體激光器、液體激光器、半導體激光器和自由電子激光器等；按激勵方式可分為光激勵激光器、電激勵激光器、熱激勵激光器、化學激勵激光器和核激勵激光器等：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。本節(jié)將按工作物質的分類，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體激光器。6.2.1固體激光器固體激光器可分成晶體和玻璃激光器兩類，以晶體或玻璃為工作物質?；钚噪x子（過渡金屬離子或稀土離子）被摻入晶體或玻璃中，經光泵激勵后產生受激輻射作用?；钚噪x子密度一般為1025~26/m3，較普通的氣體激光工作物質高三個量級以上，上能級的壽命也比較長，可達10-4~-3S。此類激光器儲能能力強，易于獲得大能量輸出。典型的固體激光器有紅寶石激光器、摻釹釔鋁石榴石激光器和鈦寶石激光器等。固體激光器普遍采用光激勵方式把基態(tài)的粒子抽運到激發(fā)態(tài)，以形成粒子數反轉。光激勵又可分為氣體放電燈激勵和半導體激光器激勵兩種方式。以非相干的氣體放電光為激勵光源(如圖6.4所示)是廣泛采用的一種激勵方式.脈沖激光器采用脈沖氙燈激勵;連續(xù)激光器采用氫燈或碘鎢燈激勵。放電燈光的發(fā)射光譜由連續(xù)譜和線狀譜組成，盡管覆蓋的波長范圍很寬，但只有與激光工作物質吸收波長相匹配的光才可有效激勵粒子，形成粒子數反轉。其它光被轉化為熱能，僅能使腔內溫度升高.因此，這類激勵的效率較低。為了使氣體放電燈發(fā)出的非相干光有效地照射到激光工作物質，必須采用合適的聚光裝置。圖6.4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體激光器作激勵源。由于激光二極管的發(fā)射波長可以與激光工作物質相匹配，這就大大減少了氣體放電光源泵浦工作時熱效應的影響，使光能更多的用來增加反轉粒子數，從而有助于提高激光泵浦的效率。半導體激光二極管泵浦的固體激光器的總效率遠遠高于放電燈激勵的固體激光器，同時它還具有質量輕、小型化、全固體化和長壽命等諸多優(yōu)點。（1）紅寶石激光器紅寶石激光器是最早的一種晶體激光器，工作物質是紅寶石棒狀晶體（激光棒），在基質中加入激活離子Cr3+。激活離子均勻分布,密度約為1.58×1019/cm3。除了Cr之外，Ni、Pr、Nd、Sm、Eu、Dy、Ho、Er、Tm、Yb等鑭系的離子大多可作激活離子，發(fā)光光譜從0.598.5~2.6um的廣闊范圍。晶體中Cr3+與激光產生過程有關的能級如圖6.5所示。當泵浦光照射到紅寶石時，激光器產生694.3nm波長的激光輸出。紅寶石激光器屬三能級系統(tǒng)，具較高的泵浦能量閾值，激光性能隨溫度變化明顯。低溫（如77K）時，性能優(yōu)良，可連續(xù)或高重復率脈沖運轉。室溫下，此類激光器只能作低重復率的脈沖運行.溫度升高，激光輸出波長向長波方向移動，熒光譜線加寬，效率降低,閾值升高。一可調Q值的激光器輸出巨脈沖峰值功率(10~50)MW，脈寬(10~20)ns；鎖模紅寶石激光器輸出超短脈沖的峰值功率109W，脈寬10ps。紅寶石激光器閾值泵浦能量高，其應用受到影響，但由于其輸出的是可見光，在激光測距、材料加工、全息照相和醫(yī)學等方面仍很有應用價值。（2）釹激光器以三價釹離子（Nd3+）為激活粒子的釹激光器是使用最廣泛的固體激光器，最常用的是YAG激光器和釹玻璃激光器。YAG激光器的工作物質是摻釹釔鋁石榴石晶體（Nd3+：YAG），基質是Y3A15O12晶體（簡稱YAG）。一般摻入的Nd3+的密度約為1.38×1020／cm3。YAG中Nd3+與激光產生過程有關的能級如圖6.6所示。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，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率，易于散熱。所以YAG激光器不僅可以實現高重復率脈沖運轉，還可以連續(xù)運轉。YAG連續(xù)激光器的最大輸出功率已超過千瓦，每秒5000次重復頻率激光器輸出峰值功率達數千瓦，每秒幾十次重復頻率激光器輸出峰值功率可達數百兆瓦。另一類的釹玻璃激光器的基質材料是玻璃，摻入了Nd3+激活離子。與晶體相比，組成玻璃的分子排列不規(guī)則，因而振蕩譜線寬度比晶體激光器要寬。這對于特定的鎖模激光器產生皮秒脈沖或亞微微秒脈沖是有利的。由于玻璃的熱傳導性比晶體差，冷卻速度慢，所以一般不適用于連續(xù)振蕩和高重復率振蕩。但是，從光學的角度來說，玻璃比晶體折射率均勻性好，大型的工作物質容易制得，從而適用于高功率輸出。

圖6.5紅寶石中Cr3+的能級圖

圖6.6Nd3+：YAG中Nd3+的能級圖

圖6.7鈦寶石能級圖（3）鈦寶石激光器與產生固定波長激光不同，鈦寶石激光器是一種可調諧的固體激光器，輸出波長在660~1180nm連續(xù)可調。在摻鈦藍寶石中，以少量Ti4+為激活粒子，能級如圖6.7所示,有四能級系統(tǒng)的特征。由于躍遷上能級壽命較短，為獲得足夠的泵浦速率，大多采用激光泵浦，即用另一臺激光器作為泵浦源，有氫離子激光器、銅蒸氣激光器、倍頻的YAG激光器等。當用倍頻激光泵浦時，其總體效率達40％，重復率為1~10Hz,脈寬4ns時脈沖能量為100mJ。此激光器在很寬的熒光范圍內，經鎖?？删哂袠O窄的脈寬，窄至飛秒（10-15），常用于超高速分光。除調諧范圍寬，還具有輸出功率大，轉換效率高，可采用脈沖或連續(xù)運轉的優(yōu)點，可以用半導體激光器激發(fā)，制成小型的波長可變激光器。固體激光器的工作物質能儲存較多的能量，比較容易獲得大能量、大功率的激光脈沖。固體工作物質體積小，使用方便。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。6.2.2氣體激光器氣體激光器是以氣體或金屬蒸氣為工作物質,目前種類最多、波長分布區(qū)域最寬,應用最廣的一類激光器。氣態(tài)工作物質光學均勻性遠好于固體，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。但是，氣體是低密度的物質，激活粒子密度遠小于固體，需要較大體積的工作物質才能獲得足夠的輸出功率。因此需要大的激活區(qū)，長度從幾十厘米至1m，做成的激光器體積都比較龐大。氣體工作物質吸收譜線寬度小，不宜采用光泵浦，而采用氣體放電泵浦方式。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反轉分布。氣體激光器還可采用化學泵浦、熱泵浦和核泵浦等方式?？蓳煌瑲怏w電子能級分布狀態(tài)來選用氣體激光器。如需獲得從紅光到近紅外的振蕩激光，使用He-Ne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。根據氣體工作物質的種類不同，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。原子氣體激光器的工作物質是中性原子氣體，激光躍遷發(fā)生于中性原子的不同激發(fā)能級之間，其工作物質有兩類：一類是惰性氣體原子，如氮（He）、氖（Ne）、氦（Ar）、氪（Kr）和氙（Xe）等，這類激光器輸出的波長多在紅外和遠紅外區(qū)，只有少數在可見光區(qū)。另一類是金屬原子蒸氣，如鎘(Cd)、銅(Cu)、錳(Mn)和錫(Sn)等，這類激光器的輸出波長大都在可見光區(qū)。原子氣體激光器中應用最普遍、最典型的是惰性氣體類中的He一Ne激光器和金屬原子蒸氣類中的銅原子激光器。離子激光器是在陰極放電區(qū)中使電子與稀有氣體碰撞，形成強制放電電離，造成高能態(tài)離子，然后向低能態(tài)區(qū)實現受激發(fā)射。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。在紫外到可見區(qū)有較高實用價值的氣體激光器為氮激光器和金屬蒸氣離子激光器。氮激光器在331~400nm范圍內有幾條紫外譜線，能以l0ns的窄脈沖寬度產生很高的峰功率。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。由于能夠獲得高增益，所以激光效率比較高。在Cd,Se,Zn;Pb,Sn等金屬蒸氣中，需混和He作為緩沖氣體后使用。波長441.6nm和325nm的He-Cd激光器，脈沖輸出時達幾百毫瓦、連續(xù)輸出時達幾十毫瓦。He-Se激光器在446.7nm~1.26um間約有50條振蕩譜線。其中藍和綠的振蕩譜線很強，可得到約100mW的連續(xù)輸出。Cu激光器在510.5nm處可得到數百千瓦的脈沖輸出。XeCl和KrF等準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、化學應用的激光器。離子氣體激光器是以氣態(tài)離子在不同激發(fā)態(tài)之間的激光躍遷工作的一種激光器，其工作物質為惰性氣體的離子和金屬蒸氣離子，由于其離子氣體激光器的輸出波長大多在紫外和可見光區(qū)，因此是目前可見光波段連續(xù)輸出功率最高的激光器，其閾值電流密度相當高，可達幾百安培。在分子振動、轉動能級間振蕩的分子激光器的代表是CO2激光器。放電管內充以CO2、N2、He的混合氣體，采用輝光放電激發(fā)。由于分子振動的振動能級間能量差很小，所以振蕩的形成激光都處于紅外區(qū)。在9.4um帶與10.6um帶上的能量范圍內大約有200條振蕩譜線。除了半導體激光二極管外，CO2激光器的激光效率最高，可達15％～20％以上。雖然CO2激光器工作物質是氣體，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。在激光器共振腔的一端用反射式衍射光柵能夠選擇波長。用簡單的CO2激光裝置就可做到連續(xù)輸出幾瓦至100W，大型裝置也有連續(xù)輸達20kW。在其它如CO、HF、DF、CH3F、CH3OH等分子激光器中，差不多凡是具有偶極矩的分子都可能實現激光振蕩。CH3OH（乙醇）激光器在波長從幾十微米至亞毫米波區(qū)中，多數譜線能產生激光振蕩。分子氣體激光器的工作物質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。雙原子分子激光器的輸出波長在紫外和可見光區(qū)，而三原子分子激光器的輸出波長在中紅外和遠紅外區(qū)。分子氣體激光器的電子基態(tài)的振動和轉動能級十分接近基態(tài)，因而具有很高的能量轉換效率，而且分子振動能級的激發(fā)截面一般都比較大，可以獲得絕對值較高的粒子數反轉值。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。圖6.8He-Ne激光器結構示意圖為了解氣體激光器的有關結構特點、工作特性下面將分別介紹一些主要的氣體離子激光器。（1）He-Ne激光器最早研制成功的氣體激光器。其在可見光和紅外波段可產生多條譜線，最強的是632.8nm、1.15um和3.39um三條譜線，以632.8nm的譜線應用最多。He-Ne激光器的基本結構包括放電管、電極和光學諧振腔三部分，如圖6.8所示。放電管由毛細管和儲氣管構成，毛細管是放電工作增益區(qū)，儲氣管的作用是增加工作氣體總量。放電管一般用硬質玻璃或石英玻璃制成。He-Ne激光器采用直流放電激勵形式,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8000V左右。放電電極大采用冷陰極形式，陰極材料為鋁或鋁合金。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。光學諧振腔是由一對涂有高反射多層介質膜的反射鏡組成，采用平凹腔形式，輸出平面鏡的透過率為1％~2％，凹面全反鏡的反射率接近100％。根據諧振腔與放電管的連接方式，He-Ne激光器可分為內腔式、半內腔式和外腔式三種。圖6.8中(a)為內腔式，即反射鏡和放電管連在一起；(b)為半內腔式，一塊反射鏡與放電管相連，另一塊反射鏡與放電管相分離；（c）為外腔式，反射鏡和放電管為互相分離。內腔式的優(yōu)點是整體性強，輸出功率較高，不用調制，使用方便，但不能直接輸出線偏振光。半內腔式和外腔式激光器的優(yōu)點則是適于輸出線偏振光，便于進行內調制。He-Ne激光器的工作物質是He和Ne的原子氣體，在放電管內充以一定比例和壓力的氦、氖混合氣體。在電極兩端加上2~4kV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反轉?；旌蠚怏w中，雖然He的含量數倍于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Ne原子的共振激發(fā)，使能量轉移，以提高泵浦效率。影響He-Ne激光器輸出功率的因素除工作物質尺寸、諧振腔損耗和輸出耦合外，還有氣體放電電流參數、充氣氣壓,He與Ne這兩種氣體的比例及毛細管的管徑等。He-Ne激光器輸出功率較?。◣譵W到100mW），能量轉換功率也較低(0.01%)，但其激光光束的單色性較好，譜線寬度窄，頻率穩(wěn)定度高，方向性好，發(fā)散角小，相干長度可達幾十公里。可以連續(xù)、單色平面偏振光輸出，且結構簡單緊湊，可靠穩(wěn)定，在準直、定位、全息照相、測量、精密計量、光盤錄放等很多方面具有廣泛的應用。（2）氬離子激光器Ar+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，主要分布在藍綠區(qū)域內，連續(xù)運行輸出的功率為幾瓦到幾十瓦，最高可達數百瓦，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。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)學和光譜分析等方面。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，常會出現幾條譜線同時振蕩的現象。連續(xù)工作的Ar+的激光器可產生9條藍綠激光譜線，其中以488.0nm藍光和514.5nm綠光譜線最強，占總功率輸出的30%~40%。若要獲得單譜線激光，可在腔內插入棱鏡等光學色散元件，進行調制。氬離子二次離化的結果是氬離子激光器也可以輸出351.1nm和363.8nm的紫外線，這種情況在電流密度很大時可以觀察到。由氬離子激光器的激發(fā)機理，決定了它有以下三個主要特征：a.工作氣壓低（低于1.06×102Pa），可以保證管內電子具有高的能量；b.采用弧光放電激勵，能夠增加管內電離和激發(fā)過程，以提高管內電子密度，以保證在激光能級有上足夠的粒子；c.放電管徑細（約2~4mm），以保證激光下能級粒子排空。

圖6.9氬離子激光器結構示意圖氬離子激光器的基本結構如圖6.9所示。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平均電子動能（溫度）很高。為了提高電子動能，氬離子激光器中的充氣壓強一般在150Pa以下。低壓強意味著氬原子密度較小，為了提高電離和激發(fā)速率，必須增加放電管內的電子密度。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He-Ne激光器高出約1000倍（管內電流密度可高達100~1000A/cm2）。為提高放電電流密度，放電區(qū)域被約束在毛細管中心1~2mm范圍內。為此沿放電毛細管加一軸向磁場，該磁場的洛倫茲力能夠使帶電粒子沿著磁場方向運動，在加大了發(fā)光區(qū)的電流密度的同時也減少了高能粒子對管壁的轟擊，有助于延長激光器的壽命。但是由于高密度電流通過氣體時，會產生高溫等離子體，使放電毛細管承受很大的熱負荷（放電管需要耗散相當于90％輸入功率的熱量），高能離子轟擊管壁及電極濺射使剝落的顆粒會污染氣體和窗口。鑒于這種情況，放電毛細管材料必須能耐高溫、導熱性好、氣密性好和機械強度高，常用的放電管采用石英玻璃管或陶瓷毛細管、金屬管、石墨管等制作，并且還需要通水冷卻。

（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），能量轉換效率高（可高達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。CO2激光器的輸出譜帶相當豐富，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。CO2激光器的形式多樣，既可連續(xù)運轉，又可脈沖運轉，因此被廣泛應用于激光加工、醫(yī)療、大氣通信及其它軍事領域。CO2激光器以CO2、N2和He的混合氣體作為工作物質，激光躍遷發(fā)生在CO2分子的電子基態(tài)的振動一轉動兩個能級之間。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。CO2激光器激光器的諧振腔大多采用平凹腔，高反射鏡通常由金屬制成，也可在玻璃上鍍一層金屬膜而形成。其輸出端可采用小面積耦合方式或由可透紅外光的Ge,GaAs等材料制成輸出窗。CO2激光器的種類較多，主要有以下4類。a.封離型CO2激光器，其結構如圖6.10所示，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。CO2激光器在充好氣后兩端被封閉，故使用方便，可以隨意移動。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重新結合CO2。通常也加入少量的H2O或H2用做催化劑。封離型激光器的輸出功率約為50~60W/m。b.縱熔向流動梅CO2襖激光器怪結構如御圖6.掠11所條示。C俗O2氣隙體從放敬電管的馬一端輸鴿入，被執(zhí)從另一勢端抽出第，這里滾的氣流宴、放電漫電流均騾與光軸批方向一翻致。氣束體流動除能夠及置時排除柄CO2竟分子與歲電子碰鮮撞時分寒解出來責的CO剃氣體，似并補充婚新鮮氣膀體。當丹氣體慢因速流動宜時，每束單位放鉛電長度喇上的輸啊出功率犬與封離倦型相似葛。當氣閣體快速做流動時汽，輸出貿功率會曾顯著提勢高，當竄放電管仔中氣體觸的流速棟達到3喬00~鼠600墾m/權s時，次輸出功找率可達催600冤W/眨m以上芬。在此干類激光倆器中，巾放電電灣流密度剩與氣體辭壓強存恭在一個傍使輸出疏功率最勾大的最逮佳值。憤在最佳轟放電條下件下，驚激光器狀的輸出姜功率約低為50住W/稈m~禾1k炸W/m調之間。c.橫關向流動謎CO2按激光器木。橫向祝流動C渾O2激盜光器中腳的放電所方向、斧氣體流鳥動方向鳥和光軸解方向是怖互相垂壩直的?？冋麄€激存光器是爛一個真費空密封狼體，結吼構緊湊綠，既能棟全封閉濱運行，繭又能補使充少量估氣體。娛氣體流登動截面難大，流貌動路徑闊短，因速此較低來的流動第速度就浩可達到塘與縱向亞快流同懼樣的冷膛卻效果泡，最佳悠壓強可捐高達1臭.3×獨104Pa，慰這樣的凍高壓強史有利于絮提高激堆光輸出射功率。青在橫向珠流動C惠O2激燥光器中備一般采戰(zhàn)用縱向遵放電，澤此類激仙光器單軟位長度慘的輸出腎功率可澆達每米牲數千瓦狐，總輸罷出功率綠可達1結~20傘kW除。d.波導漸CO2激告光器。這迅是一種小燦型激光器衰，一般由梨氧化鈹（爬BeO）勇陶瓷或玻跳璃做放電下管材料，滿放電管很察細，直徑對僅1~4附mm。由殼此造成放趁電管管壁仿對小角度議掠射光的恒菲涅耳反斯射率很高嘴，于是放策電管中可暮低損耗地典傳輸準橫湊向電磁波?。床▽Э衬＃?。由被于放電管彎很細，氣友壓可高達錫(1.5掙~2.奸5)×1佳04Pa，辭其輸出息功率為巨50勸W/m釀，適于視制做輸肆出功率妹小于3每0W翻的小型頁封離型駁激光器亡。波導天CO2尚激光器箭既可用閉縱向放鈔電方式福，也可桌用橫向饒射頻激猾勵。圖召6.1絮2為縱瘋向放電蜜波導C濤O2激鋼光器示平意圖。圖6.醬10封濫離型C淘O2激它光器致圖6嘴.11也縱向流駕動CO羽2激光膨器癥圖6.韻12波頃導CO備2激光噸器6.2.息3液體（老有機染料凳）激光器液體激光躲器是以液蜻體為工作為物質的激這光器，共耽兩類：一厚是有機染齒料，另一韻類是含有炭稀土金屬蟻離子的無巡壽機化合物縫。染料激看光器是液茫體激光器春中最重要糾、最普遍被的激光器塌。染料激順光器是圍以溶于兔一定溶們劑（例臨如甲醇掘、乙醇另、干油普等）中沙的有機末染料為判工作物層質,利歷用液態(tài)廟有機染液料分子肥的熒光拉躍遷實罵現受激群發(fā)射，辰在從近思紫外到盲可見以來及近紅丘外的0圣.33城0~蜓1.2知um很唉寬的范普圍內可喚以連續(xù)鹽進行波鐵長調諧盤。有代勞表性的飄染料若騾丹明6易G，能葛夠從5鵝70埋~6益20n挑m內進蔬行波長茶調諧。稼染料激約光器不飾僅是輸期出的激鮮光波長煤連續(xù)可異調，而立且輸出倚的激光吸譜線寬含度很窄窮、價格墊低、增減益高、黃輸出功跪率可與饒固體和并氣體激富光器相加比，效曾率較高構、激光釋均勻性才好，制劈燕備容易棟，可以降循環(huán)操汪作和便賠于冷卻倒。激光器蠢所用的溜染料是宗一種有脂機化合影物，它挪是一種抵復雜的煩大分子濕系統(tǒng)，符通常由虎數十個依原子所性組成。腫采用某弟種模型驅可以近路似地得皺到染料忌分子的蓋能級圖灘，如圖蛋6.1輕3所示扛。由于話這些染贏料分子甘的運動體包括電紫子運動毒、組成釣染料分盜子的原伯子間的島相對振盡動和整谷個染料渠分子的宗轉動，磁所以在件染料分站子的能毯級中，窯對應每未個電子捎能級都獎有一組娃振動一頃轉動能浴級，并喜且由于呀染料分碰子與溶拜劑分子必的頻繁強碰撞，帽使得振漿動一轉誼動能級走被展寬水。所以沈每一個堵電子態(tài)慌都可以申看成由涉一個準蔥連續(xù)的幕能帶組墓成，這升種寬帶胳結構使渾得染料逢激光在替很寬的稀范圍內狼實現連心續(xù)調諧霉。在電子能趟級中，有筑單態(tài)(S0、S1、S2…)和三嘉重態(tài)(T1、T2…)兩類前，三重態(tài)辱較相應的查單態(tài)能級門略低。S0是基態(tài)，辨其它能級派均為激發(fā)商態(tài)。染料激光外器在紫外訪和可見光奴波段范圍謀內有較強鹿的吸收帶濤。在泵浦臉光的照射金和作用下翼，大部分賤染料分子稻吸收了光合能由基態(tài)贊躍遷到激啦發(fā)態(tài)的某席個振動一貫轉動能級篇上，其中沒S1態(tài)有稍垮長的壽前命。因詞此，其獄它激發(fā)互態(tài)的分揚子迅速針無輻射袖躍遷到輕S1態(tài)的最立低振動障能級上恰。這些紡分子躍瞎遷到S0態(tài)的較高坊振動能級陷上時，就發(fā)發(fā)出熒光崗，接著又廳迅速無輻使射躍遷回保到S0態(tài)的最撞低振動吉能級上伯。同時克，由于退分子間捧的碰撞槽，一部過分S1態(tài)分子笨很容易秘無輻射圖躍遷到槽比其能面量稍低歪的三重嗽態(tài)T1上，這迷種躍遷悄稱為“全系際交味叉”，坦而從T1、T2到S0的躍遷蔬屬自旋梳禁戒躍用遷?？梢硪圆捎门龊线m的蟻染料如舟若丹明埋6G或貪采用窄老的光脈侄沖泵浦批方式，島使染料探分子在庫T1態(tài)積累句之前，牲完成激掉光振蕩晉。也可廈以采用潑快速噴承流技術雪，使在蔽T1態(tài)積聚之瞧前，染料嶺高速流過巡壽激活區(qū)，領這是連續(xù)茫波輸出染黨料激光器崗的主要工舟作方式。染料激光智器屬于四床能級系統(tǒng)援，容易實溝現粒子數德反轉，激蛋光器的閾褲值低，發(fā)攔射的激光頭譜線非常著寬。在諧喂振腔中放矩入棱鏡、伙衍射光柵漢等波長選奔擇裝置，元可以在較眉大范圍內暮實現精確暫的調諧和舌獲得較窄蒼的線寬。染料激更光器一歐般都采蹄用光泵敬浦的方致式，可液選用閃刺光燈泵訪浦或激籮光泵浦何。用閃辱光燈泵奶浦結構駕簡單，橫價格便漁宜，但腫因泵浦碗光脈沖挽較寬，延三重態(tài)體的影響脅不能消霧除，需魔在染料月中添加揪卒滅劑拖。激光反泵浦又筐有脈沖中光泵浦宜和連續(xù)瘡光泵浦慣之分。熱若用脈引沖激光波泵浦，品常用準委分子激臉光器（飯主要在躬紫外區(qū)方）、氮君分子激么光器(井337匠nm)炎、紅寶攻石激光維器(6燦94.灘3n焦m),轎YAG微激光器流（1.符06u釋m）及概它的倍唉頻光等鳳做泵浦頂源。泵掃浦光需溝要滿足廉一定的蔽輸出能否量，且柄脈沖寬躍度要窄批，以消興除三重歪態(tài)的淬哈滅作用勿。若用燃連續(xù)激岔光泵浦哨，應是懇高功率兇激光，存且在染挑料中添偷加淬滅魔劑，以酸及染料送應當高畢速流過泉激活區(qū)棄。染料激光情器是比較酒理想的可狼調諧激光脾器。目前膝，染料激汪光器產生秩的超短光督脈沖的時斯間寬度已假壓縮到幾屠納秒，若充利用鎖模裳技術還可撈以獲得從引皮秒(1鉤0-12組s)到飛擴秒(10閉-15s臉)量級的竹激光脈沖包。染料激劫光器的每掀個脈沖的態(tài)激光能量澡可達數十臥焦耳的量未級，峰值綠功率達幾鳳百兆瓦，喊激光能量遍轉換效率辜高達50怕％。染料繡激光器已漿在光測量惡、光化學厘、光生物剖學、光譜她學、全息林學、同位確素分離和蜻激光醫(yī)學修等方面獲謙得了廣泛戲應用。6.4醬激光和激懷光器的主擾要應用激光的應親用非常廣慢泛，幾乎負遍及工業(yè)延、農業(yè)、涉軍事、醫(yī)朵療、科學蹤蝶研究以及竭我們日常襲生活的各績領域。從械激光器的副角度根據惠各種激光譯器發(fā)射光魂的功率密幫度，相干尾性、準直鋼性、單色津性的不同厭，可以對最激光和激召光器的應仇用范圍進賤行分類，句例如：激在光通迅、狡激光測距呈、激光定座向、激光杜準直、激仆光雷達、堅激光切削星、激光手堡術、激光村武器、激振光顯微分甜析、激步艙受控熱核畢反應等這侄些方面，繩主要是利種用激光的處方向性與莊高功率密層度；而激崖光全息、出激光測長縣、激光干播涉、激光建多譜勒效淋應則主要齊是利用了立激光的單屈色性和相殊干性。當沉然，在實使際的應用欄中激光的活各方面的怨特性往往喊很難截然導分開，有括的應用（蚊如非線性橋光學）與夜激光的許蹈多方面的娘特性都有斗關。下面灘就一些方尸面的主要賀應用做些納簡單的舉玻例介紹。（1）激竊光測距我們知道策根據光束廁往返時間派可以對確沙定的目標適測定距離柱，但是普斤通光束的嫂發(fā)散角很游大，光強封也很有限頭，當被測鵲目標的距乘離較遠時越，返回的洽光束十分矛微弱，難棉以完滿地脆完成精確謙測距的任小務。巨脈賊沖紅寶石拿激光器可里在20n羞s的時間鐘內發(fā)射4伸J的能亂量，脈沖釀功率達2衫×108作W，而發(fā)儉散角經透婆鏡進一步分會聚可小駛至5″。洞科學家們褲利用這一圓束定向的榆強光束已茂經精確地鎖測定了地浸球到月球阻之間的距干離，在平于均為4×奴105k掌m的距離辛上測量誤妖差只有3躬m，這是逗以往其它悲方法無法訂實現的。（2）遞激光加壞工激光束的決平行度高產，通過透頓鏡可使之析聚焦于很因小一點，頸在此焦點御可產生非程常高的溫徒度，能夠莫使各種難粘熔的材料們熔化或氣級化，由此頁產生的急冰速膨脹的概沖擊波還將可穿透工菠件。利用謙這個激光混特性可對散各種材料縣實施打孔錫、切割、價焊接等諸料多激光加醉工工藝。激光加工未還有如下執(zhí)特點：①悟激光加工譽實施的是貴無接觸加睬工，加工保端可適當點地與加工臉材料分離揭，因此，膽有可能對極零件中復偷雜曲折的應細微部分找進行精密殃的加工，殲也可以在背磁場中進籮行加工。桐②脈沖激棒光加工消冊耗的能量姜較少，而初且由于能法量是在短戀時間內供飾給的，因情此能避免躍對加工點弦以外的熱望影響，又族由于加工沉時間短，詠能夠實施崗對運動中干的物質進無行加工。值③激光加跨工適用于及多種材料突的微細加苦工，與機暮械加工相晴比，更容卷易實現自便動操控。（3）貍激光在忽醫(yī)學上斷的應用利用激光傍可以對有畝機物產生料光、熱、葛壓力、電結磁等多方船面作用，浩使得它在祥醫(yī)學研究艙及醫(yī)療上攝的應用已產越來越廣桃泛。例如凱，用激光咐治療視網尼膜脫落，屈可從外部慈用很強的躁光線照射咬眼睛，利舌用眼球內述水晶體的變聚焦作用款，將光能脊集中在視艙網膜的微包小點上，享靠它的熱舍效應使組禁織凝結，兆能將脫落籠的視網膜駛熔接到眼交底上，利鄰用激光對諷視網膜的虜作用還可剪以用來矯挑治近視眼旦。用激光葉手術刀切紫割人體組搖織既不流旗血也不留疤疤痕。激攀光還可以替被用來破站壞腫瘤細避胞、測定泊血液成分跑、探測體破內器官的楊病變等。至由于紅血致球對藍光撫有強烈的拿吸收，因賺此，用藍慎光波段的杯氨離子激罵光器作手旅術刀時，幕有光致凝鵝結作用。職又由于機茄體中的水污分對紅外焦光有強烈偏的吸收，貨所以用二虛氧化碳激息光器作手努術刀，也綿可導致小碼范圍內的柔凝結作用樸。此外，堪可以利用寒激光對牙毫齒實施打完孔、切割倘和填補等慚手術。(4)激綿光受控熱倚核聚變氫、氘、驚氚等輕原艇子核可以匆聚合為較仇重的原子輝核，在聚愚合的過程市中會釋放燒出巨大的懲核能，這掃個過程稱河為核聚變慨反應，在勒軍事上和卻能源工業(yè)并上具有非回常重要的流意義。核軍聚變反應躍需要在1為07~1做08℃以嗽上的高溫么才能有效吃的進行。溜由于氘、鈴氚混合物學的質量及稀激光的能稱量都可被飽控制，這燥種過程被辟稱為受控室核聚變。蜂受控核聚后變是將激銳光分成多脂束，從各貸個方向均魄衡地照射酬在氘、氚舟混合體作冊成的小靶找丸上，巨參大的激光店脈沖功率些使靶丸在遷很短的時買間內高度煌壓縮，并紀產生高溫截完成核聚退變反應。瞇人們在已建經掌握的吹激光技術核的基礎上亡開始了嘗皆試利用這襖種受控聚榆變中產生乞的能量，瘦作為電力除的能源。鉛目前美國械、日本及及歐洲都建拜立了相當染規(guī)模的實夫驗室進行燦著多方面凳的熱核聚剪變研究，站我們國家才的科學家皺們也已開戰(zhàn)展了這方槍面的深入霸研究。（5）殼非線性壇光學效稅應現在我塘們可以慘認為，壟激光出思現之前去的光學罩的研究著基本上第是弱光量束在介洽質中的全傳播、避反射、荒折射、照干涉、季衍射、悶線性吸嚼收與線慕性散射鉤等現象椅，這些刺現象滿辛足光波君的迭加教原理，吉可以稱鉤之為線枕性光學嚴。激光冠是一種四強光，賊強光在餡介質中教傳播，筋出現了講很多新乘的現象衰，如諧奧波的產貿生、光謊參量振惕蕩、光紀的受激斜散射、落光束自濃聚焦、仙多光子拉吸收、輪光致透識明和光掉子回波稅等，研反究這些趣現象的雅學科稱坦為非線袍性光學此，在這唱里原來悄的關于架波一般共的疊加熔原理不貿再成立厲。光的窯非線性胸效應原解本是比芝較弱的逆，只有龍在激光鴨光源出燈現后，督非線性宮光學的蹦理論研無究和應秩用研究休才有可器能大力研開展。裹非線性找光學效快應將在比光學倍尸頻與混魂頻、受蘭激拉曼雅散射等職很多方窄面的應恒用上顯貝現其優(yōu)衰勢。第八章謹光纖和光桶的傳輸8.1光靈纖的基本失知識8.1.屋1光的傳送輸和光通紙信光的波動婦特性決定斑了光是可似以被傳播覽的，與普湖通的傳播寶不一樣能私夠稱之為屋光的傳輸氏，就需要愛對光傳播嘴的方向和技強度進行看人為的控底制。利用妖受控的光竿波傳遞能座量和信息肆，這就是速光通信，壞近代光通保信技術的槐發(fā)展是近至代人類物洞質文明高菜度發(fā)展的隆一個重要園標志。通信就隊普通意暢義來講榨，是各施種形式暈信息的憤轉移或紗傳遞。發(fā)為了達冊到通信痛的目的梢，通常版總是先立將擬傳慕送的信且息設法索加載（革或調制開）到某聾種載體扣上，被浪調制的聾載體傳舅送到目火的地后爬，再將翠所需信男息從載己體上解續(xù)脫出來王，復原炸成原來脆的樣式所。例如直傳統(tǒng)的勤調幅無辯線電廣惕播，是耽將音頻降信息（代低于l語0kH城z）加萄載到數理百乃至架上千H添z的無破線電波著上，經科空中傳蒸送到各區(qū)個收音環(huán)機，再剩解調出互各種聲堂音信息她。這種的用電磁會波進行譜通信的沖信息容滲量可以綢用所能陪調制的沫頻帶寬嶼度來表畢示，能脂獲得多狹大的調芽制帶寬桃，又受鴿制于載肅體的頻距率有多傻高，載丘體頻率醋越高，俗能傳送獄的信息簡容量就幫越大。圖8.1潮光纖通信籮在電磁頻正譜中所處座的位置圖8.1紫為頻率（爪波長）表東，頻率由土左向右不呈斷升高。近當人們掌瞞握了數百擇至數千k箭Hz的電哭磁波的發(fā)理射和接收廣技術時，敞無線電通內信及廣播弟開始為人耳類服務。南當人們掌丑握了數十眨至數百M款Hz的載德波技術時鑄，電視成億為人民生三活的一部曲分。數千輔至數萬M和Hz的微械波波段，嘆提供了如君雷達、衛(wèi)貝星通信、里微波通信閱等強有力您的手段。巡壽為了取得亡更快、更慚好的通信除方式，科畏學界總是善在不懈地嘆追求更高葡頻率（或偽更短的載歌波波長）巧電磁波的選操控技術等。在微波及狐毫米波之噴后，進一跟步開拓了特光波波段軌，首先是帆紅外區(qū)。丟早在18題80年電陷話發(fā)明家痰貝爾就提患出“光電睛話”的想枕法，并做門了先驅性聾的實驗。幣嘗試用話擱音去調制剃通過膜孔間的太陽光搏，以陽光淋做載體將聲話音傳到盒接收端。閃盡管此實罪驗僅僅達并到200憂m距離，烘而且音質量很差，但復所展示的摸概念卻成喉為當今光妻通信的最離基礎的理宵念。20瓣世紀早期解，就有不份少科學家識致力于光利通信的研畜究，但進錢展不大，法主要的原放因是缺乏疾理想的光渣源。另一脈困難的原天因是光在蘭大氣中傳籮播受到風行霜雨雪、賤塵霧等各厘種天氣因黨素或環(huán)境尿的嚴重干猜擾，通信蛛質量難以戴保證，致革使許多研竄究結果始解終未能大脈量推廣應輪用。經過不懈貫的努力，疫本世紀6截0年代初渾，發(fā)明了慚紅寶石激旗光器，獲叉得了強度住遠高于普碌通光的相杰干光。從決前面的章懇節(jié)中我們帆已經了解妙了，特別續(xù)是處于紅蟲外區(qū)的光籌頻率比最林高的微波歐頻率還要孟高出3~進4個數量界級，這無瞎疑是十分鐵誘人的發(fā)賴展區(qū)域。衫由激光器黃發(fā)出的相嫩干光具備搶極高的方丙向性，傳殖輸很遠也費不至于散俱發(fā)而減弱畫。由激光謀器發(fā)出的站光還可以辦進行調制億，這一成每就促進了皮大氣光通梅信技術的膨發(fā)展，并置陸續(xù)出現未了一些實譜用化通信喜系統(tǒng)。但園這類通信陷系統(tǒng)對于菌前面提到宜的各種天致氣干擾因亞素仍無法惱克服，例歐如，雨水筆能造成3繼0db/跪km的衰摸減，濃霧首甚至可造秋成高達1舒20db抱/km的灶衰減，而繁且只能在卵無障礙、否無阻攔的濾環(huán)境中才塞能實現通臟信。因此本，大氣光象通信的實憂際應用只形能被限于鋪建筑物之目間或固定破監(jiān)測點與遇控制中心且之間，距謀離大致數枕百米，適蠅用對象十碎分有限。196臂6年有惑人提出竊用介質顆光波導功或光導北纖維來叢取代傳頑統(tǒng)的僅液有導電委作用的惰金屬電景纜，用封導波光赤來傳送債信息的北設想，歸引起學繁術界及仇實業(yè)界晴的極大祥興趣，看并由此班奠定了季光纖通加信的理記論基礎朱，推動爺了實用堆化光導蘭纖維制膜造工藝痕的研究汽。從2逃0世紀醫(yī)70年出代初光失纖通信數實用化緩以來，創(chuàng)光纖通傷信技術求得到極到大的發(fā)催展，目確前石英枝光纖在蘆85嚴um、敞1.3菊um和桿1.5垃5um躁波長時則，衰減易特性已密接近理通論上的枯極限值五。由于折光纖的謹傳輸損豪耗低、茄信息容廢量大、響抗電磁欠干擾能面力強、扶尺寸小穗、質量番輕、有乳利于敷隔設和運請輸等優(yōu)介點，并旅配以不縱斷發(fā)展康的激光躲技術，摘使得光生纖在通騰信、傳困感以及醫(yī)其它領齒域得到晨了越來某越廣泛授的應用艇。8.1.第2光纖跳的結構與膀分類光纖是光倉導纖維的姜簡稱，是元一種重要婆和常用的科光波導材夫料。它利勺用光的透音射和全反磚射原理將缺光波能量幻玉約束在波建導材料的鳴界面內，座并引導光島波沿著光縣纖軸線方經向傳播。光纖通常變是一種由嚼高度透明挪的石英（近或其它材億料）經較躬復雜的工吉藝拉制而竹成的光波魔導材料。濟光纖的結客構如圖8虎.2所示志，典型的做光纖結構感為多層同職軸圓柱體鳥，一般是捉由折射率貨較高的纖壺芯、折射燦率較低的赤包層以及打涂敷層和顛護套等幾樂個部分構愛成。這其濤中纖芯和鞏包層是光應纖結構的匠主體，對浸光波的傳恰播起著決惡定性作用洪。涂敷層品與護套具婆有隔離雜裝散光、提援高光纖強秋度和保護想光纖等的測作用。在唐一些特殊魚的應用場錢合也有不上加涂敷層洪和護套的階光纖，稱偉為裸光纖中。纖芯的儉主要成之分為二廊氧化硅未(Si印O2)鴨,具有至較高的爆折射率茄，有的輔在其中勇摻雜極喘少量的壯其它材肚料，如獄二氧化音鍺(G夾eO2矮),五腿氧化二漫磷(P君2O5茄)等痰，可以匯達到提籠高纖芯米的折射透率的目保的。纖忍芯的直咳徑一般濤為幾到兇幾十微綱米，一犁些應用役于特殊告用途的大光纖常辱常被做矛得很粗碌。包層是一餐緊貼纖芯拍的材料層待，包層的漂外徑一般救為100男~200皂um。包嬸層的構成豆材料一般搖為純二氧炊化硅，有督時也摻雜峽微量的三微氧化二硼柿(B2O窯3)或四那氧化二硅傍(Si2莫O4)，緩主要可以都用以來降友低包層的驕折射率。角由于光纖犧是利用光洋的全反射急原理來傳輕輸光線的銀，只有光添從光密媒盟質射向光肌疏媒質時須才能發(fā)生徹全反射現惑象，所以谷纖芯折射鳳率總要比框包層的折深射率高。常用的涂扶敷層的材呢料一般為豎環(huán)氧樹脂悔、硅橡膠揪等高分子廁材料，外跡徑約為2犁50um猴。涂敷層編能夠增強端光纖的柔晃韌性、機耍械強度和豈耐老化特勺性。護套翠的材料一可般為尼龍矮或其它有籃機材料，管用于增加稅光纖的機拐械強度，立保護光纖恒。在實際應冒用中，將米許多根光攜纖組合在繁一起，制乞成光纜，孝以提高光顆纖的利用放效率。光莊纜由纜芯贈、護套和磁外護層三坑部分組成窄。實際應雷用的光纖萍在多數情創(chuàng)況下還另滑有其它加握強構件。歇圖8.3死是幾種不沫同結構的胡光纜示意脆圖。圖8.鏈2光矩纖的結磚構圖次坑8.地3是幾潮種不同劇結構的繭光纜示拆意圖光纖可按娛不同方式米進行分類若。最常用的保是按光纖花橫截面上真折射率的駝徑向分布析來區(qū)分，絞可分為階谷躍型光纖念和漸變型做光纖。在產階躍型的牛光纖里,昌纖芯和包怠層各自的繭折射率都煙是均勻的鼓，但纖芯洲的折射率膠要高于包音層的折射腫率，因此罵在它們的紗邊界處，皂折射率呈嗓一階梯型逼突變，如廈圖8.4河（a）所沫示。而在功漸變型光喚纖中，纖哄芯的折射各率是不平追均的，具館有一個梯憐度，在軸就線上最大絮，然后沿爸著橫截面貪的徑向按壓一定的規(guī)爛律逐漸減劇少，直到害纖芯與包托層的交界晴處為止，劑呈一個連室續(xù)變化的針梯度，如股圖8.4較(b)所啊示，所以驚也叫做梯妻度光纖。圖除了以上豎兩大類，兄隨著實際凈應用需要減的不斷提勻出，還出櫻現了其它織形式的折竟射率分布崇，如環(huán)形丑光纖和W巴型光纖等吳。也有按傳構光原理來呆區(qū)分光纖炎，可分為診反射型光專纖和折射振型光纖。挽在階躍型箱光纖中，孫光是沿直縱線傳播的炕，只有在目纖芯與包護層的界面羞發(fā)生全反美射后才改表變方向，敬因此反射冶型光纖是旗階躍型光灰纖的另一彩種稱呼。帥按同樣的耽道理，在肯折射型光捎纖中，由銹于折射率逝的連續(xù)變藝化而使得賤光線不斷冷改變方向榜，所以折烤射型光纖竊也就是漸晉變型光纖撤，其運動攪軌跡一般耀為曲線。還有按憐光纖中今傳輸的丘模式來江區(qū)分，述可分為款單模光蒼纖和多肉模光纖聽。單模桃光纖只貓允許單呢一的基桃本傳輸耽模式（俘基模）喝通過，激而多模刑光纖則蹦允許若獅干個模僻式通過侍。標準衣的單模或光纖的蠅芯徑為珠8~1故0um證；而多待模光纖西的芯徑墊約為5漲0~1必00u舒m，兩恥種光纖位外徑均授為12攜5um尤。8.4鋸光纖黑斷面及能相應折賠射率分醫(yī)布兄圖8讓.5光克纖界面寬光傳輸促情況按光纖的替制作材料水來區(qū)分，象可分為石姥英光纖、添多組分玻曾璃光纖、因塑料光纖掉和晶體光僑纖等多種疑。石英光歉纖損耗低斬，性能好纏，主要用鏡于通信，吸故又稱通捆信光纖。程多組分玻壓璃光纖由恢普通光學宏玻璃拉制湊而成，它獸的損耗較鋤大，主要鏈用來做傳窩輸光束和農傳輸像束緒等。塑料議光纖是用叛兩種以上齡高分子材橡料共聚而碎成，價格其低廉，但新損耗較大伯，只能用端于短距離活的信息傳衫輸或傳光炸、傳像等鎮(zhèn)。晶體光輸纖用晶體痛材料制成魄，可用做置光纖激光晉器或放大恥器。根據應用菌對象，光旬纖也有按額波長來區(qū)睛分，可分裁為傳輸紫圍外、可見濤光和紅外虛等幾種。蜻在光通信什領域中按城照頻率通探常分為短頓波長(0生.8~0童.9um蒙)光纖、充長波長（歇1.3~儉1.6u草m）光纖降和超長波窯長(2u蛾m以上)腫光纖。若數按使用過膚程中的損慮耗程度來之區(qū)分，又修可分為高惱損耗光纖豈、中損耗吊光纖和低暢損耗光纖賭。如需長豈距離傳播遣信號，要慚求光纖損姜耗盡可能蘭小，因此兔，因此低金損耗（0圍.1~5展db/天km）的耳光纖是主賓要選擇，虜其傳播距街離可達到秀幾公里到灣100公定里以上。守中損耗極芹高損耗類豎型的光纖徐只能適用室于幾十米啟到1公里墳左右這樣轉較短距離懇的信號傳塌輸。此外，胳還有一跪些新型富的光纖竟，如有怒源光纖桌（包括展激光光稼纖及發(fā)柳光光纖上）以及暖非線性支光纖等竿，可另眉行進行胃分類。8.1淋.3魔光纖的耍結構參省數結構參囑數有纖吉芯直徑翁2a，烈包層直摸徑2b弱，數值貸孔徑N螺A，相狹對折射絞率差△第，歸一錢化頻率智ν，與泊折射率潤分布n炮(r耽)。(1)黎直徑光纖的窯直徑包南括纖芯必直徑2李a，包姨層直徑叔2b。泄從機械邀強度和練柔韌性甚的角度憶考慮光月纖的直撫徑也應魄盡量小崇，若粗剛了，很亦容易折初斷。但著從光纖鐘的聯接尤、耦合戶和減小醋損耗等說方面來識考慮，扎光纖以豎粗為宜狼。綜合師兩者因桿素，一焰般光纖乳總的直友徑不能主大于1尺50u溪m。典盾型的單之模光纖坐芯徑約貧10u班m，多嚼模階躍疼光纖芯勇徑62度.5u灶m，多忠模漸變胡型光纖取芯徑約級50u莫m，它斧們的包看層外徑戲一般均虹取12梳5um險.。（2）數廊值孔徑數值孔徑相定義為光顯纖可能接架受外來入非射光的最抱大受光角曠（φ0.垂max）韻的正弦與系入射區(qū)折帽率的乘積斜。從8.5報圖所示的附光纖界面宗傳輸情況址可以看到楊，只有θ嬸1＞θc克=a進rcsi孔n(n1帖/n2)享的光線才富能在光纖文中進行傳則播（其中胸n1為纖澤芯的射率胃，n2為撕包層折射灶率，n0途為空氣折潑射率），張所以有NA=順n0s正inma濤x虛（8.2好）這里N揀A代表焦了光纖河接收入爹射光的份能力，訓只有φ臣＜φm壟ax的濤光錐內愧的光才沒可能在咽光纖中坐發(fā)生全槳反射面薯向前的度傳播。罪對于波裁長λ=猶1.5縱5um臥處典型秀值n1森=1.銳46，禽n2=務1.4適55，橫可算得伴NA＝汁0.1宋2。（3）相享對折射率艘差△光線在死光纖中幅的傳播腰特性不似僅與n增1和n憂2有關川，還與部相對折粥射率差季有密切糖關系。械的大小辨決定了楊光纖對打光場的努約束能憂力和光次纖界面擦的受光綠能力。屈如果n體1≈n圣2（大俗多數光擱纖屬這蠟種情況所），則宇相對折萄射率差果△約為捎0.0供1左右設，稱為丑弱導波愁近似。聚一般情敵況是n和1只略劈燕大于n搶2，對劉單模光陽纖就有嚷△=0黑.3％劑，多模趁光纖△省=1格％，8.2姜光纖的狀傳播特芳性8.2峽.1光狐在光纖鍛中的傳快播我們已經起知道主要哈有階躍折覆射率型和援梯度折射康率型兩種索形式的光叉纖。階躍刃折射率(朵SI)型牌光纖傳播料光的基本井原理很簡金單，如圖過8.6所耗示由折射賴率高的稱關做芯的玻殼璃和比芯作折射率低股的玻璃，禮或由塑料布包層組成洋的兩層結霸構組成，鋪利用在兩趙層物質界觀面處產生敘連續(xù)的全體反射傳播心光信號。降為防止包負層與空氣極界面處全舍反射光的濕傳播，涂在敷了第三嶼層，如圖肚8.7所位示，在包壓層與空氣恰層界面處闖產生的全皮反射光，腹雖然與芯勤部光線具衣有不同模艘式，但也腐與芯部光螞線一樣能皮夠被傳播盡。圖8.陳6階躍挖折射率護型光纖圖8.詢7為防小止包層胳與空氣以界面處紫全反射始光的傳盛播，涂摔敷了第炭三層圖8.8房誠示出的是松梯度折射鉤率（GI?。┬偷墓饬永w。其工冤作原理是愁光纖中心濟部的折射腔率最高，鐮由中心向量外折射率玩與半徑平訂方近乎成擇反比減小章，使玻璃界折射率具圖有梯度分溝布。這樣秧的光纖芯森從中心向厘外折射率簡逐漸降低司。圖8.麻9所示是迷使芯內折省射率分布芳呈以中央惡為頂點的漸二次曲線飼制作的光瓜纖。如圖合8.10寫所示通過蔬芯中央部際的光的速勢度慢，而規(guī)遷回通過刊光路較長怕的四周的局光的傳播襲速度快，葛因此光纖顫軸向上的曉群速度在頃各模式間乓的差別消宰失。因此煌不發(fā)生模偵式色散，餐可成為寬催頻帶光纖麥。圖8.6地階躍折射旱率型光纖方圖8.呼7為防止永包層與空底氣界面處肅全反射光就的傳播，彈涂敷了第鉗三層圖8.桿8梯度題折射率鵝型光纖憶圖8扣.9付梯度折罰射率型捆光纖的補折射率春分布隆圖8.夸10泉光線在奇光纖中菌的傳播要a）梯桐度折射圓率型光恥纖中無晃模式色泡散（群謀速度與委入射角梅無關，骨為常數乖）b貝）梯度禍折射率品型光纖擊中的光陪纖與波脊面8.4暮光纖數的應用8.4.青1應用背狡景自196洞6年高餛皺博士等人諸提出用介馬質光波導事或光導纖智維來取代臘傳統(tǒng)的電草纜，用導統(tǒng)波光來傳答送信息，尸由此奠定辜了光纖通移信的理論繡基礎，引罷起了學術木界及實業(yè)鞋界的極大陪興趣，并籮有力地推機動了實用仁化光導纖絮維制造工雨藝的研究村。最初，混光纖的踐損耗最武高可達悲100協(xié)0dB冬/km頑，經過振短短三之年左右任時間，外197粉0年美握國康寧考玻璃公夕司率先耽制備出落了損耗形為20獄dB/字km的秧光纖。采雖然這盯與同軸染電纜每既公里5立至l0旦dB的硬損耗的赤要求相萍比，還仍不能說抗是優(yōu)秀妻的指標把，但已艇被通信宅工程師效認為是允可以接披受的損泥耗值，桐制成了爹世界上姐公認的欠第一根膀通信用倡光導纖劃維。與此同時節(jié)，以半導喂體砷化鎵寒為基體的許新一代激司光二極管氧、發(fā)光二扎極管以及遍光探測器行等器件也焦有許多突侵破性進展效。這些新亮的器件，夠它們的尺拍寸及光點嫁大小均同鹽光導纖維草較為匹配憤。尤其是倒這類光源菌發(fā)射的光犯波波長在把0.8至暑0.9u斬rn之間霜，而二氧另化硅材料艙光導纖維逗的第一個亞低損耗窗村口也正好開落在0.傍85um邊附近。在與之相謎關的光源省方面的研股究的進展件最明顯。歌早期的半奔導體激光鏡二極管使桿用壽命很撇短，僅數丘小時，并霜且必須要暮被置于低脈溫環(huán)境中驢才能工作圣。直至1匙973年住，已取得箱在室溫3惑0℃環(huán)境連中連續(xù)工級作100球0小時的也好結果，攝1977最年達到7慶000小革時。同時墨光纖的損跨耗也大幅播度下降，桶1976拍年在0.滅85um雅窗口達到博1.6d止B/km晃，這已經通是以金屬廁做芯的同請軸電纜所有望塵莫及眉的，由此重光纖通信瘋開始了工慚業(yè)化生產學及商業(yè)化神應用的新伶時期。1渠977年洗在美國芝弊加哥城的游兩個電話棄局間開通逃了世界上固第一條商霞業(yè)服務的型光纖通信棕系統(tǒng)。自20世刻紀70年刃代的后期繪開始，相斷關的光纖濕技術又不撤斷地有很定多新的發(fā)駁展。首先跑是開發(fā)了攏損耗更低陜、色散更賠小的1.唱31um自波長的光圍纖，此光串纖在該波懇長處的損把耗降到0摔.5dB促/km左測右。由于負二氧化硅鵝的材料色伍散同光纖酸的波導色頓散在1.脹31um喂處幾乎抵隙消，故該曬波長又稱脅零色散波貨長。在半匠導體激光餐器方面，漆也研究成爽功了In縣GaAs踏P/In遼P材料的貴長波長器技件器。此宰類激光器婚同光纖的袋1.31尼um窗口鼓相配合，頸可以使具緒有相應特姻性的光纖弱成為長途謠干線光纖桃通信的主堅角。近幾年來綱，在1.煙55um浩波長處光吼纖特性的談研究也非躁?；钴S。熄一方面是蹦因為以二供氧化硅為反基本材料杠的光纖原予本在1.姻55um館處具有最匯低損耗，覺可以達到謠0.2d復B/km萌，但同時鬧在該點材確料的色散闖比較嚴重字，大大限響制了應用倍帶寬。為園解決此矛曉盾，大量皂研究工作頑被投入到誕色散位移已光纖的開醋發(fā)中，即僵改變普通激單模的結畝構，使其艷零色散點夏由1.3拿1um移雞到1.5度5um，純以期獲得體色散及損反耗均最低叮的理想的勵光纖材料坐。這方面恩的研究以典及與之相進匹配的半悠導體激光佩器、探測偽器等器件固均已成功唇。1．5寨5um波互段研究工叨作活躍的幻玉另一個原徐因是近幾幟年來在原雖有材料基胸礎上摻雜痕鉺元素的撥光纖放大僵器異軍突警起。用稀敞土元素鉺橫摻雜的光憑纖，在1意.48或御0.98省um波長英的較強激直光功率泵智浦作用下疏，通過受剛激輻射可頭以將1,詢55um躁的信號放錯大，做成扣在線光放戀大器，使道長途干線仔光纖系統(tǒng)六的設計大鎮(zhèn)為改進。在上世帳紀的8怒0年代結初，世慶界各地抽開通的稱光纖通饞信線路悔已達到稱上千條被，這些比光纖通禁信線路棋除用作咽電話通浸信外，印很多也供被用于改數據傳槐輸、閉踐路電視片、工業(yè)乎控制及應監(jiān)測以沸及軍事壺等領域饅。19竿88年粉，第一批條跨越難大西洋木海底，蛇連結美購