第八章 光電技術(shù)器件的設(shè)計(jì)及參數(shù)選用原則

1、第八章第八章 光電技術(shù)器件的設(shè)計(jì)光電技術(shù)器件的設(shè)計(jì) 及參數(shù)選用原則及參數(shù)選用原則 1.1.光偏轉(zhuǎn)器：光偏轉(zhuǎn)器：按一定規(guī)律改變光束在空間傳播方向的器件。使激光束按一定規(guī)律改變光束在空間傳播方向的器件。使激光束 相對(duì)于原始位置作一定規(guī)律的偏轉(zhuǎn)掃描。相對(duì)于原始位置作一定規(guī)律的偏轉(zhuǎn)掃描。 2.2.根據(jù)使用目的不同分為兩類：根據(jù)使用目的不同分為兩類： 模擬式偏轉(zhuǎn)模擬式偏轉(zhuǎn)光的偏轉(zhuǎn)角是連續(xù)變化的，主要用于激光顯示技術(shù)光的偏轉(zhuǎn)角是連續(xù)變化的，主要用于激光顯示技術(shù) 數(shù)字式偏轉(zhuǎn)數(shù)字式偏轉(zhuǎn)光的偏轉(zhuǎn)角不連續(xù)，在選定空間的某些特定位置上才光的偏轉(zhuǎn)角不連續(xù)，在選定空間的某些特定位置上才 有光的離散，主要用于光存儲(chǔ)有光的

2、離散，主要用于光存儲(chǔ) 8.1 8.1 激光偏轉(zhuǎn)器激光偏轉(zhuǎn)器 3.3.設(shè)計(jì)或評(píng)價(jià)一個(gè)光偏轉(zhuǎn)器的主要指標(biāo)：設(shè)計(jì)或評(píng)價(jià)一個(gè)光偏轉(zhuǎn)器的主要指標(biāo)： （1 1）偏轉(zhuǎn)角的大小偏轉(zhuǎn)角的大小要達(dá)到激光掃描的范圍要達(dá)到激光掃描的范圍 （2 2）掃描速度掃描速度要滿足快速記錄和顯示的要求要滿足快速記錄和顯示的要求 （3 3）偏轉(zhuǎn)效率偏轉(zhuǎn)效率：偏轉(zhuǎn)光強(qiáng)與入射光強(qiáng)之比，反映了光偏轉(zhuǎn)器的光：偏轉(zhuǎn)光強(qiáng)與入射光強(qiáng)之比，反映了光偏轉(zhuǎn)器的光 能損失能損失 （4 4）分辨率分辨率或在掃描范圍內(nèi)可分辨的點(diǎn)數(shù)或在掃描范圍內(nèi)可分辨的點(diǎn)數(shù) 4.4.目前激光技術(shù)中最常用的是以下三種偏轉(zhuǎn)方法：目前激光技術(shù)中最常用的是以下三種偏轉(zhuǎn)方法： 機(jī)械式

3、偏轉(zhuǎn)、電光偏轉(zhuǎn)、聲光偏轉(zhuǎn)機(jī)械式偏轉(zhuǎn)、電光偏轉(zhuǎn)、聲光偏轉(zhuǎn) 一、一、 機(jī)械偏轉(zhuǎn)機(jī)械偏轉(zhuǎn) 利用反射鏡或多面反射棱鏡的旋轉(zhuǎn)，或者利用反射鏡的振利用反射鏡或多面反射棱鏡的旋轉(zhuǎn)，或者利用反射鏡的振 動(dòng)實(shí)現(xiàn)光束掃描。動(dòng)實(shí)現(xiàn)光束掃描。 多面體反射鏡偏轉(zhuǎn)器多面體反射鏡偏轉(zhuǎn)器 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：掃描角度大于：掃描角度大于3030，可分辨像素多，光學(xué)損失小等；，可分辨像素多，光學(xué)損失小等； 缺點(diǎn)缺點(diǎn)：受電機(jī)轉(zhuǎn)速的限制，掃描速度較低。：受電機(jī)轉(zhuǎn)速的限制，掃描速度較低。 多面體反射鏡偏轉(zhuǎn)器多面體反射鏡偏轉(zhuǎn)器 若用多面體反射鏡繞垂直軸若用多面體反射鏡繞垂直軸 轉(zhuǎn)動(dòng)，則可獲得水平掃描線。反之，轉(zhuǎn)動(dòng)，則可獲得水平掃描線。反之， 若繞

4、水平軸旋轉(zhuǎn)，則可獲得垂直方若繞水平軸旋轉(zhuǎn)，則可獲得垂直方 向的掃描線。如果兩者結(jié)合，選擇向的掃描線。如果兩者結(jié)合，選擇 合理的轉(zhuǎn)速比，則可獲得矩形的掃合理的轉(zhuǎn)速比，則可獲得矩形的掃 描圖形。描圖形。 偏轉(zhuǎn)原理：偏轉(zhuǎn)原理：在電光晶體上施加電場(chǎng)改變晶體的在電光晶體上施加電場(chǎng)改變晶體的 折射率，使晶體中的光束傳播方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。折射率，使晶體中的光束傳播方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。 實(shí)際的電光晶體偏轉(zhuǎn)器是由兩個(gè)實(shí)際的電光晶體偏轉(zhuǎn)器是由兩個(gè)z z軸相反的晶軸相反的晶 體棱鏡所組成體棱鏡所組成。 實(shí)際的電光晶體偏轉(zhuǎn)器實(shí)際的電光晶體偏轉(zhuǎn)器 如果激光垂直一個(gè)直角面射到圖所示的下面的如果激光垂直一個(gè)直角面射到圖所示的下面的

5、直角棱鏡上，由折射定律可得出射光的偏轉(zhuǎn)角為直角棱鏡上，由折射定律可得出射光的偏轉(zhuǎn)角為 （1 1）模擬式電光偏轉(zhuǎn)）模擬式電光偏轉(zhuǎn) 二、二、 電光偏轉(zhuǎn)電光偏轉(zhuǎn) 21 arctan 其中其中 h l h l 施加電壓后，施加電壓后，上、下層棱鏡中傳播時(shí)光的折射率為上、下層棱鏡中傳播時(shí)光的折射率為 鏡鏡慢慢軸軸鏡鏡快快軸軸；方方向向?yàn)闉锽A x Z Z E E 63 3 0 02 63 3 0 01 2 2 - 與外加電壓與外加電壓U U成線性比例關(guān)系，成線性比例關(guān)系， 通過(guò)調(diào)節(jié)通過(guò)調(diào)節(jié)U U可使光束發(fā)生連續(xù)偏轉(zhuǎn)。可使光束發(fā)生連續(xù)偏轉(zhuǎn)。 d U d lE h l Z 63 3 063 3 0 為了增大

6、偏轉(zhuǎn)角度，而外加電壓又不太高，可采用多塊晶體棱鏡串為了增大偏轉(zhuǎn)角度，而外加電壓又不太高，可采用多塊晶體棱鏡串 聯(lián)，總的偏轉(zhuǎn)角為單級(jí)的聯(lián)，總的偏轉(zhuǎn)角為單級(jí)的m m倍。倍。 m 63 3 0 d U 例如: , 時(shí),1Ldhcm1000 z VV 7 35 10 rad 一個(gè)電光偏轉(zhuǎn)器所能獲得的偏轉(zhuǎn)角很小一個(gè)電光偏轉(zhuǎn)器所能獲得的偏轉(zhuǎn)角很小, ,很難滿足實(shí)際應(yīng)用的要求很難滿足實(shí)際應(yīng)用的要求 （2 2）數(shù)字式偏轉(zhuǎn)）數(shù)字式偏轉(zhuǎn) 1 2 2 2 0 2 22 0 ) sincos )( 11 (2sin 2 1 ee nnnn tg 現(xiàn)代光存儲(chǔ)器都是采用二進(jìn)制的數(shù)字式偏轉(zhuǎn)器現(xiàn)代光存儲(chǔ)器都是采用二進(jìn)制的數(shù)字

7、式偏轉(zhuǎn)器 雙折射原理：沿與光軸成某一角度的非偏振光入射時(shí)，將分成垂直雙折射原理：沿與光軸成某一角度的非偏振光入射時(shí)，將分成垂直 分量（分量（o o光）和平行分量（光）和平行分量（e e光）二束，分離角為光）二束，分離角為 為為入入射射光光與與光光軸軸夾夾角角 電光數(shù)字式偏轉(zhuǎn)器電光數(shù)字式偏轉(zhuǎn)器 當(dāng)電光晶體不加電壓時(shí)，當(dāng)電光晶體不加電壓時(shí)，o o光入射，偏振方向不變，再通過(guò)雙折射晶光入射，偏振方向不變，再通過(guò)雙折射晶 體時(shí)，傳輸方向不變；當(dāng)電光晶體加電壓時(shí)，體時(shí)，傳輸方向不變；當(dāng)電光晶體加電壓時(shí)，o o光入射，偏振方向變光入射，偏振方向變 化成為化成為e e光，再通過(guò)雙折射晶體時(shí)，傳輸方向變化。上

8、述就是一個(gè)一光，再通過(guò)雙折射晶體時(shí)，傳輸方向變化。上述就是一個(gè)一 級(jí)數(shù)字偏轉(zhuǎn)器，入射的線偏振光隨電光晶體加和不加電壓而分別占據(jù)級(jí)數(shù)字偏轉(zhuǎn)器，入射的線偏振光隨電光晶體加和不加電壓而分別占據(jù) 兩個(gè)地址之一，即兩個(gè)地址之一，即0 0和和1 1。 ee nnnn 0 0 0 09000，但但，；當(dāng)當(dāng)，當(dāng)當(dāng) 若把若把n n個(gè)這樣的數(shù)字偏轉(zhuǎn)器組合起來(lái)，就能做到個(gè)這樣的數(shù)字偏轉(zhuǎn)器組合起來(lái)，就能做到n n級(jí)數(shù)字偏轉(zhuǎn)。如三級(jí)級(jí)數(shù)字偏轉(zhuǎn)。如三級(jí) 數(shù)字偏轉(zhuǎn)器，入射光就分離數(shù)字偏轉(zhuǎn)器，入射光就分離8 8個(gè)偏轉(zhuǎn)點(diǎn)；如個(gè)偏轉(zhuǎn)點(diǎn)；如4 4級(jí)串接，就有級(jí)串接，就有2 24 4=16=16個(gè)偏轉(zhuǎn)點(diǎn)。個(gè)偏轉(zhuǎn)點(diǎn)。 如果二維組合，就

9、可以偏轉(zhuǎn)到平面不同位置。如果二維組合，就可以偏轉(zhuǎn)到平面不同位置。 000000代表三個(gè)電光晶體都不加電壓；代表三個(gè)電光晶體都不加電壓；110110代表代表S1S1、S2S2加電壓，加電壓，S3S3不加電壓，不加電壓， 以此類推。以此類推。 三級(jí)數(shù)字式偏轉(zhuǎn)器三級(jí)數(shù)字式偏轉(zhuǎn)器 三、三、 聲光偏轉(zhuǎn)聲光偏轉(zhuǎn) 聲光偏轉(zhuǎn)器的結(jié)構(gòu)與聲光調(diào)制器基本相同，所不同之處在于調(diào)制器聲光偏轉(zhuǎn)器的結(jié)構(gòu)與聲光調(diào)制器基本相同，所不同之處在于調(diào)制器 是改變衍射光的強(qiáng)度，而偏轉(zhuǎn)器則是利用改變聲波頻率來(lái)改變衍射是改變衍射光的強(qiáng)度，而偏轉(zhuǎn)器則是利用改變聲波頻率來(lái)改變衍射 光的方向，使之發(fā)生偏轉(zhuǎn)，既可以使光束連續(xù)偏轉(zhuǎn)，也可以使分離光的

10、方向，使之發(fā)生偏轉(zhuǎn)，既可以使光束連續(xù)偏轉(zhuǎn)，也可以使分離 的光點(diǎn)掃描偏轉(zhuǎn)。的光點(diǎn)掃描偏轉(zhuǎn)。 聲光器件結(jié)構(gòu)示意圖聲光器件結(jié)構(gòu)示意圖 在滿足布喇格衍射時(shí)，衍射光與入射光束之間的夾角在滿足布喇格衍射時(shí)，衍射光與入射光束之間的夾角 nVnV Bi 24 sin22 1 d nV d 2 求微分得求微分得 可見光束偏轉(zhuǎn)角可見光束偏轉(zhuǎn)角 與聲頻的變化與聲頻的變化 成正比。因而，改成正比。因而，改 變聲頻就可以改變光束方向。變聲頻就可以改變光束方向。 dd 激光寬行打字機(jī)原理框圖激光寬行打字機(jī)原理框圖 一、磁光非互易特性一、磁光非互易特性（法拉第效應(yīng)）（法拉第效應(yīng)） 當(dāng)線偏振光通過(guò)磁光介質(zhì)時(shí)，在外磁場(chǎng)作用下，

11、出射的線偏振光的偏當(dāng)線偏振光通過(guò)磁光介質(zhì)時(shí)，在外磁場(chǎng)作用下，出射的線偏振光的偏 振面與入射光的偏振面要發(fā)生旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度振面與入射光的偏振面要發(fā)生旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度的大小和磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小和磁感應(yīng)強(qiáng)度B B成正成正 比，即比，即=VLB=VLB 其中V是費(fèi)爾德常數(shù)與波長(zhǎng)及煤質(zhì)的溫度有關(guān)，大多數(shù)物質(zhì)V很小，而且大多數(shù)物質(zhì)V為正， 旋轉(zhuǎn)角方向與磁場(chǎng)方向有關(guān)。 當(dāng)入射光傳播方向與磁場(chǎng)方向一致時(shí)（同方向），正的當(dāng)入射光傳播方向與磁場(chǎng)方向一致時(shí)（同方向），正的V V相當(dāng)于左旋，相當(dāng)于左旋， 當(dāng)入射光的傳播方向與磁場(chǎng)方向相反時(shí)，表現(xiàn)為右旋。當(dāng)入射光的傳播方向與磁場(chǎng)方向相反時(shí)，表現(xiàn)為右旋。 因此，在外磁場(chǎng)方向不

12、變的情況下，當(dāng)入射光束往返通過(guò)旋光煤質(zhì)時(shí)，因此，在外磁場(chǎng)方向不變的情況下，當(dāng)入射光束往返通過(guò)旋光煤質(zhì)時(shí)， 旋轉(zhuǎn)角按一個(gè)方向增大。這種特性稱為磁光非互易特性。旋轉(zhuǎn)角按一個(gè)方向增大。這種特性稱為磁光非互易特性。 8.2 8.2 光隔離器光隔離器 將電信號(hào)先轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)的表變磁場(chǎng)，由磁光效應(yīng)將電信號(hào)先轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)的表變磁場(chǎng)，由磁光效應(yīng) 改變?cè)诮橘|(zhì)中傳輸?shù)墓獠ǖ钠D(zhuǎn)態(tài)，從而達(dá)到改變光強(qiáng)改變?cè)诮橘|(zhì)中傳輸?shù)墓獠ǖ钠D(zhuǎn)態(tài)，從而達(dá)到改變光強(qiáng) 等參數(shù)的目的。等參數(shù)的目的。 利用法拉第效應(yīng)，即不可逆的光學(xué)過(guò)程，使光波沿一個(gè)方向以很小的損耗利用法拉第效應(yīng)，即不可逆的光學(xué)過(guò)程，使光波沿一個(gè)方向以很小的損耗 通過(guò)，

13、而沿相反方向時(shí)損耗很大，以致可以視為沒有反方向傳輸?shù)墓?。通過(guò)，而沿相反方向時(shí)損耗很大，以致可以視為沒有反方向傳輸?shù)墓狻?二、光隔離器二、光隔離器 光隔離器是允許光隔離器是允許光光向一個(gè)方向通過(guò)向一個(gè)方向通過(guò)而而阻止向相反方向阻止向相反方向通過(guò)通過(guò)的無(wú)源器件，的無(wú)源器件， 作用是作用是對(duì)光的方向進(jìn)行限制對(duì)光的方向進(jìn)行限制，使光，使光只能單方向傳輸，只能單方向傳輸，通過(guò)光纖回波通過(guò)光纖回波反射反射 的光的光能夠被光隔離器很好的能夠被光隔離器很好的隔離隔離，提高光波傳輸效率。，提高光波傳輸效率。 三、光隔離器的應(yīng)用三、光隔離器的應(yīng)用 用在激光器與光纖之間用在激光器與光纖之間 當(dāng)光纖與激光器耦合時(shí)當(dāng)光

14、纖與激光器耦合時(shí), ,其端面或接頭處的反射將影響激光器的穩(wěn)定其端面或接頭處的反射將影響激光器的穩(wěn)定 性。為了消除反射波對(duì)激光器的影響性。為了消除反射波對(duì)激光器的影響, ,需要在激光器與光纖之間加光隔離器。需要在激光器與光纖之間加光隔離器。 作為光纖放大器的組成部件作為光纖放大器的組成部件 光隔離器是光纖放大器的重要組成部件光隔離器是光纖放大器的重要組成部件, ,光隔離器可以防止輸出光返光隔離器可以防止輸出光返 回到光纖放大器中產(chǎn)生不良的干擾?；氐焦饫w放大器中產(chǎn)生不良的干擾。 用在精密光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)中用在精密光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)中 在光譜分析實(shí)驗(yàn)中在光譜分析實(shí)驗(yàn)中, ,如果材料的發(fā)光能力不僅很弱如果材料的

15、發(fā)光能力不僅很弱, ,且發(fā)光狀況容易受且發(fā)光狀況容易受 外來(lái)光的影響外來(lái)光的影響, ,這就要求我們?cè)谘芯克鼈兊陌l(fā)光機(jī)制時(shí)更要排除外界物質(zhì)的這就要求我們?cè)谘芯克鼈兊陌l(fā)光機(jī)制時(shí)更要排除外界物質(zhì)的 反射光對(duì)它們的影響反射光對(duì)它們的影響, ,為了消除這些外界的干擾為了消除這些外界的干擾, ,我們常在發(fā)光材料和測(cè)量我們常在發(fā)光材料和測(cè)量 儀器之間加一光隔離器。儀器之間加一光隔離器。 8.3 8.3 光電探測(cè)器光電探測(cè)器 一、作用一、作用 將光信號(hào)變換為相應(yīng)電信號(hào)將光信號(hào)變換為相應(yīng)電信號(hào) 二、激光探測(cè)器的分類二、激光探測(cè)器的分類 1.1.熱電探測(cè)器：溫差電效應(yīng)、熱敏電阻、熱釋電效應(yīng)熱電探測(cè)器：溫差電效應(yīng)、

16、熱敏電阻、熱釋電效應(yīng) 2.2.光電探測(cè)器：光電發(fā)射型、光電壓型、光電導(dǎo)型光電探測(cè)器：光電發(fā)射型、光電壓型、光電導(dǎo)型 光電發(fā)射型：光電發(fā)射型：光照射到某些金屬或他們的氧化物上，當(dāng)光子的能光照射到某些金屬或他們的氧化物上，當(dāng)光子的能 量足夠大，能夠使金屬或它的氧化物的表面發(fā)射電子。常用的光量足夠大，能夠使金屬或它的氧化物的表面發(fā)射電子。常用的光 電管、光電倍增管都屬于此類型。電管、光電倍增管都屬于此類型。 光電壓型：光電壓型：光照射到半導(dǎo)體器件的光照射到半導(dǎo)體器件的PNPN結(jié)時(shí)，使結(jié)區(qū)中的電子、空結(jié)時(shí)，使結(jié)區(qū)中的電子、空 穴對(duì)發(fā)生反向移動(dòng)，產(chǎn)生附加電勢(shì)，稱為光生電動(dòng)勢(shì)。如穴對(duì)發(fā)生反向移動(dòng)，產(chǎn)生附加

17、電勢(shì)，稱為光生電動(dòng)勢(shì)。如PNPN結(jié)光結(jié)光 電二極管、電二極管、PINPIN光電二極管、雪崩光電二極管等。光電二極管、雪崩光電二極管等。 光電導(dǎo)型：光電導(dǎo)型：光照射到半導(dǎo)體器件時(shí)電導(dǎo)率增加、電阻降低、導(dǎo)電光照射到半導(dǎo)體器件時(shí)電導(dǎo)率增加、電阻降低、導(dǎo)電 性能改變。如光敏電阻和光導(dǎo)管等。性能改變。如光敏電阻和光導(dǎo)管等。 三、光電探測(cè)器的特性和要求三、光電探測(cè)器的特性和要求 探測(cè)靈敏度探測(cè)靈敏度 響應(yīng)度響應(yīng)度 噪聲等效功率噪聲等效功率 探測(cè)度及歸一化探測(cè)度探測(cè)度及歸一化探測(cè)度 頻率響應(yīng)和相應(yīng)時(shí)間頻率響應(yīng)和相應(yīng)時(shí)間 量子效率量子效率 各種光電探測(cè)器的性能比較各種光電探測(cè)器的性能比較 在即頻率在即頻率響應(yīng)

18、響應(yīng)與時(shí)間響應(yīng)方面，以光電倍增管和光電二極管為最好；與時(shí)間響應(yīng)方面，以光電倍增管和光電二極管為最好； 在光電特性（即線性）方面，以光電倍增管、光電二極管和光電池為最好；在光電特性（即線性）方面，以光電倍增管、光電二極管和光電池為最好； 在在靈敏度靈敏度方面，以光電倍增管、雪崩光電二極管、光敏電阻和光電三極管為方面，以光電倍增管、雪崩光電二極管、光敏電阻和光電三極管為 最好。值得指出的是，靈敏度高不一定就是輸出電流大，而輸出電流大的器最好。值得指出的是，靈敏度高不一定就是輸出電流大，而輸出電流大的器 件有大面積光電池、光敏電阻、雪崩光電二極管和光電三極管；件有大面積光電池、光敏電阻、雪崩光電二極

19、管和光電三極管； 外加偏置電壓外加偏置電壓最低的是光電二極管、光電三極管，光電池不需外加偏置；最低的是光電二極管、光電三極管，光電池不需外加偏置； 在在暗電流暗電流方面，光電倍增管和光電二極管最小，光電池不加偏置時(shí)無(wú)暗電流，方面，光電倍增管和光電二極管最小，光電池不加偏置時(shí)無(wú)暗電流， 加反向偏置后暗電流也比光電倍增管和光電二極管大；加反向偏置后暗電流也比光電倍增管和光電二極管大； 穩(wěn)定性穩(wěn)定性方面，光電二極管、光電池為最好，其次光電倍增管與光電三極管；方面，光電二極管、光電池為最好，其次光電倍增管與光電三極管； 在在光譜響應(yīng)光譜響應(yīng)方面，以光電倍增管和方面，以光電倍增管和CdSeCdSe光敏電

20、阻為最寬，但光電倍增管響應(yīng)光敏電阻為最寬，但光電倍增管響應(yīng) 偏紫外方向，而光敏電阻響應(yīng)偏紅外方向。偏紫外方向，而光敏電阻響應(yīng)偏紅外方向。 8.4 8.4 光纖維光纖維 1.光纖光纖：光導(dǎo)纖維的簡(jiǎn)寫，是一種利用光在玻璃或塑料制成的纖維中的全：光導(dǎo)纖維的簡(jiǎn)寫，是一種利用光在玻璃或塑料制成的纖維中的全 反射原理而達(dá)成的光傳導(dǎo)工具。反射原理而達(dá)成的光傳導(dǎo)工具。 光在光導(dǎo)纖維中的傳導(dǎo)損耗比電在電線傳導(dǎo)的損耗低得多，光纖被用作長(zhǎng)距 離的信息傳遞。 特點(diǎn)：光纖的纖心很小，纖內(nèi)易形成高功率密度，轉(zhuǎn)換效率高、激光閾特點(diǎn)：光纖的纖心很小，纖內(nèi)易形成高功率密度，轉(zhuǎn)換效率高、激光閾 值低、激光質(zhì)量好；輸出的激光譜線多

21、；光纖的柔繞性很好，易散熱。值低、激光質(zhì)量好；輸出的激光譜線多；光纖的柔繞性很好，易散熱。 光纖是一種能夠傳送光頻電磁波的介質(zhì)波導(dǎo)光纖是一種能夠傳送光頻電磁波的介質(zhì)波導(dǎo) 一、基本概念一、基本概念 2.2.工作原理工作原理：光纖是以：光纖是以SiOSiO2 2（GeOGeO2 2、P P2 2O O5 5）為基）為基 質(zhì)材料拉成的玻璃實(shí)體纖維，其導(dǎo)光原理是質(zhì)材料拉成的玻璃實(shí)體纖維，其導(dǎo)光原理是 利用光的全反射原理利用光的全反射原理。 普通裸光纖一般由中心高折射率玻璃芯、普通裸光纖一般由中心高折射率玻璃芯、 中間低折射率硅玻璃包層和最外部的加強(qiáng)樹中間低折射率硅玻璃包層和最外部的加強(qiáng)樹 脂涂層組成。

22、脂涂層組成。 3.光纖傳感器光纖傳感器：將來(lái)自光源的光經(jīng)過(guò)光纖送入調(diào)制器，使待測(cè)參數(shù)與進(jìn)：將來(lái)自光源的光經(jīng)過(guò)光纖送入調(diào)制器，使待測(cè)參數(shù)與進(jìn) 入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)（如光的強(qiáng)度、波長(zhǎng)、入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)（如光的強(qiáng)度、波長(zhǎng)、 頻率、相位、偏正態(tài)等）發(fā)生變化，成為被調(diào)制的信號(hào)光，在經(jīng)過(guò)光頻率、相位、偏正態(tài)等）發(fā)生變化，成為被調(diào)制的信號(hào)光，在經(jīng)過(guò)光 纖送入光電探測(cè)器，經(jīng)解調(diào)后，獲得被測(cè)參數(shù)。具有靈敏度高、不受纖送入光電探測(cè)器，經(jīng)解調(diào)后，獲得被測(cè)參數(shù)。具有靈敏度高、不受 電磁干擾、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小等優(yōu)點(diǎn)，在激光技術(shù)中獲得了廣泛應(yīng)用。電磁干擾、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小等優(yōu)點(diǎn)

23、，在激光技術(shù)中獲得了廣泛應(yīng)用。 4.分類分類 工作波長(zhǎng)：紫外光纖、可觀光纖、近紅外光纖、紅外光纖（工作波長(zhǎng)：紫外光纖、可觀光纖、近紅外光纖、紅外光纖（0.85m0.85m、 1.3m1.3m、1.55m1.55m）。）。 折射率分布：階躍（折射率分布：階躍（SISI）型光纖、近階躍型光纖、漸變（）型光纖、近階躍型光纖、漸變（GIGI）型光纖、其它）型光纖、其它 （如三角型、（如三角型、W W型、凹陷型等）。型、凹陷型等）。 傳輸模式：?jiǎn)文９饫w、多模光纖。傳輸模式：?jiǎn)文９饫w、多模光纖。 原材料：石英光纖、多成分玻璃光纖、塑料光纖、復(fù)合材料光纖（如塑料包原材料：石英光纖、多成分玻璃光纖、塑料光纖、

24、復(fù)合材料光纖（如塑料包 層、液體纖芯等）、紅外材料等。按被覆材料還可分為無(wú)機(jī)材料（碳等）、層、液體纖芯等）、紅外材料等。按被覆材料還可分為無(wú)機(jī)材料（碳等）、 金屬材料（銅、鎳等）和塑料等。金屬材料（銅、鎳等）和塑料等。 制造方法：預(yù)塑有汽相軸向沉積（制造方法：預(yù)塑有汽相軸向沉積（VADVAD）、化學(xué)汽相沉積（）、化學(xué)汽相沉積（CVDCVD）等，拉絲法）等，拉絲法 有管律法（有管律法（Rod intubeRod intube）和雙坩鍋法等。）和雙坩鍋法等。 按構(gòu)造形式：包層式纖維和自聚焦式纖維按構(gòu)造形式：包層式纖維和自聚焦式纖維 包層式纖維包層式纖維 自聚焦式纖維自聚焦式纖維 二、光纖的連接二、

25、光纖的連接 要求：要求：連接面精確對(duì)準(zhǔn)、光學(xué)接觸、損耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于整個(gè)線路的損耗連接面精確對(duì)準(zhǔn)、光學(xué)接觸、損耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于整個(gè)線路的損耗 永久性光纖連接（又叫熱熔）：永久性光纖連接（又叫熱熔）：用放電的方法將連根光纖的連接點(diǎn)熔化并連接用放電的方法將連根光纖的連接點(diǎn)熔化并連接 在一起。一般用在長(zhǎng)途接續(xù)、永久或半永久固定連接。其主要特點(diǎn)是連接衰減在一起。一般用在長(zhǎng)途接續(xù)、永久或半永久固定連接。其主要特點(diǎn)是連接衰減 在所有的連接方法中最低，典型值在所有的連接方法中最低，典型值0.010.03dB/0.010.03dB/點(diǎn)。但連接時(shí)，需要專用設(shè)備點(diǎn)。但連接時(shí)，需要專用設(shè)備 （熔接機(jī)）和專業(yè)人員進(jìn)行操作，而且連

26、接點(diǎn)也需要專用容器保護(hù)起來(lái)。（熔接機(jī)）和專業(yè)人員進(jìn)行操作，而且連接點(diǎn)也需要專用容器保護(hù)起來(lái)。 應(yīng)急連接（又叫冷熔）應(yīng)急連接（又叫冷熔） ：用機(jī)械和化學(xué)的方法，將兩根光纖固定并粘接在一用機(jī)械和化學(xué)的方法，將兩根光纖固定并粘接在一 起。這種方法的主要特點(diǎn)是連接迅速可靠，連接典型衰減為起。這種方法的主要特點(diǎn)是連接迅速可靠，連接典型衰減為0.10.3dB/0.10.3dB/點(diǎn)。但點(diǎn)。但 連接點(diǎn)長(zhǎng)期使用會(huì)不穩(wěn)定，衰減也會(huì)大幅度增加，所以只能短時(shí)間內(nèi)應(yīng)急用。連接點(diǎn)長(zhǎng)期使用會(huì)不穩(wěn)定，衰減也會(huì)大幅度增加，所以只能短時(shí)間內(nèi)應(yīng)急用。 活動(dòng)連接：活動(dòng)連接：利用各種光纖連接器件（插頭和插座），將站點(diǎn)與站點(diǎn)或站點(diǎn)與光利

27、用各種光纖連接器件（插頭和插座），將站點(diǎn)與站點(diǎn)或站點(diǎn)與光 纜連接起來(lái)的一種方法。這種方法靈活、簡(jiǎn)單、方便、可靠，多用在建筑物內(nèi)纜連接起來(lái)的一種方法。這種方法靈活、簡(jiǎn)單、方便、可靠，多用在建筑物內(nèi) 的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)布線中。其典型衰減為的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)布線中。其典型衰減為1dB/1dB/接頭。接頭。 三、光纖與光源之間的耦合三、光纖與光源之間的耦合 直接耦合直接耦合：15%20% 15%20% 聚焦透鏡耦合聚焦透鏡耦合:50%:50% 輔助透鏡和聚焦透鏡組合輔助透鏡和聚焦透鏡組合：80%80%。如：半導(dǎo)體激光器輸出橢圓光束，用輔。如：半導(dǎo)體激光器輸出橢圓光束，用輔 助透鏡的特殊的折射率分布將橢圓光束聚焦成

28、圓錐光束；聚焦透鏡再助透鏡的特殊的折射率分布將橢圓光束聚焦成圓錐光束；聚焦透鏡再 將圓錐形光束再一次聚焦成更細(xì)的光束耦合到光纖的入射端。將圓錐形光束再一次聚焦成更細(xì)的光束耦合到光纖的入射端。 四、光纖傳感器的應(yīng)用四、光纖傳感器的應(yīng)用 可分為兩大類：一類是功能型傳感器，又稱可分為兩大類：一類是功能型傳感器，又稱FFFF型光纖傳感器；另一類型光纖傳感器；另一類 是非功能傳感器，又是非功能傳感器，又NFNF型光纖傳感器。前者是利用光纖本身的特性，型光纖傳感器。前者是利用光纖本身的特性， 把光纖作為敏感元件，所以又稱傳感型光纖傳感器；后者是利用其他把光纖作為敏感元件，所以又稱傳感型光纖傳感器；后者是利

29、用其他 敏感元件感受被測(cè)量的變化，光纖僅作為光的傳輸介質(zhì)，用以傳輸來(lái)敏感元件感受被測(cè)量的變化，光纖僅作為光的傳輸介質(zhì)，用以傳輸來(lái) 自遠(yuǎn)處或難以接近場(chǎng)所的光信號(hào)，因此，也稱傳光型光纖傳感器。自遠(yuǎn)處或難以接近場(chǎng)所的光信號(hào)，因此，也稱傳光型光纖傳感器。 激光干涉儀技術(shù)激光干涉儀技術(shù) 激光通信技術(shù)激光通信技術(shù) 激光大氣傳輸技術(shù)激光大氣傳輸技術(shù) 激光水下探測(cè)技術(shù)等激光水下探測(cè)技術(shù)等 普通光學(xué)元件組成的激光干涉儀中，相干光在空氣中傳播的，由于普通光學(xué)元件組成的激光干涉儀中，相干光在空氣中傳播的，由于 空氣擾動(dòng)及聲波的干擾，導(dǎo)致空氣光程的變化，致使干涉儀工作不穩(wěn)空氣擾動(dòng)及聲波的干擾，導(dǎo)致空氣光程的變化，致使

30、干涉儀工作不穩(wěn) 定。如果利用單模光纖作為干涉儀的光路，就可以排除這些影響，切定。如果利用單模光纖作為干涉儀的光路，就可以排除這些影響，切 光纖干涉儀信號(hào)處理簡(jiǎn)單、測(cè)量范圍大、精度高。光纖干涉儀信號(hào)處理簡(jiǎn)單、測(cè)量范圍大、精度高。 8.5 8.5 光學(xué)天線光學(xué)天線 作用作用：發(fā)射光信號(hào)、接受光信號(hào)：發(fā)射光信號(hào)、接受光信號(hào) 應(yīng)用應(yīng)用：激光通信、激光測(cè)距、激光雷達(dá)、激光武器等。：激光通信、激光測(cè)距、激光雷達(dá)、激光武器等。 一、發(fā)射天線和接收天線一、發(fā)射天線和接收天線 發(fā)射天線發(fā)射天線：將激光束的發(fā)散角壓縮到容許范圍內(nèi)并將發(fā)射光束對(duì)準(zhǔn)接受：將激光束的發(fā)散角壓縮到容許范圍內(nèi)并將發(fā)射光束對(duì)準(zhǔn)接受 天線或目標(biāo)

31、。要求它發(fā)出的發(fā)散角要小。但是發(fā)散角過(guò)小又會(huì)造成發(fā)天線或目標(biāo)。要求它發(fā)出的發(fā)散角要小。但是發(fā)散角過(guò)小又會(huì)造成發(fā) 射機(jī)難以對(duì)準(zhǔn)接收機(jī)或目標(biāo)，因而發(fā)散角又不易太小。射機(jī)難以對(duì)準(zhǔn)接收機(jī)或目標(biāo)，因而發(fā)散角又不易太小。 接受天線接受天線：盡可能多的接收發(fā)射來(lái)的或從目標(biāo)散射回來(lái)的光能量，并把：盡可能多的接收發(fā)射來(lái)的或從目標(biāo)散射回來(lái)的光能量，并把 接收的光能聚焦到探測(cè)器的光敏面上。對(duì)它的主要要求是接受面積。接收的光能聚焦到探測(cè)器的光敏面上。對(duì)它的主要要求是接受面積。 在接收天線視場(chǎng)角內(nèi)的非信號(hào)光輻射，也就是背景噪聲，會(huì)同時(shí)進(jìn)入在接收天線視場(chǎng)角內(nèi)的非信號(hào)光輻射，也就是背景噪聲，會(huì)同時(shí)進(jìn)入 接收天線。因此，接受

32、天線的接受面積和它的視場(chǎng)角有一定的要求，接收天線。因此，接受天線的接受面積和它的視場(chǎng)角有一定的要求， 過(guò)大則背景噪聲大，干擾嚴(yán)重；過(guò)小會(huì)使有用光信號(hào)信息減小。過(guò)大則背景噪聲大，干擾嚴(yán)重；過(guò)小會(huì)使有用光信號(hào)信息減小。 D 22. 1 二、光學(xué)天線的結(jié)構(gòu)二、光學(xué)天線的結(jié)構(gòu) 折射式發(fā)射天線：光學(xué)望遠(yuǎn)系統(tǒng)折射式發(fā)射天線：光學(xué)望遠(yuǎn)系統(tǒng) 把激光器輸出的橫截面較小而發(fā)散角較大的光束，變成橫截面較大而發(fā)散角較小的光束 反射式天線：卡塞格倫型和牛頓型反射式天線：卡塞格倫型和牛頓型 可做發(fā)射天線，也可做接受天線 會(huì)聚式天線：?jiǎn)瓮雇哥R組成會(huì)聚式天線：?jiǎn)瓮雇哥R組成 單凸透鏡組成 8.6 8.6 激光倍頻及光參量放大激

33、光倍頻及光參量放大 光學(xué)效應(yīng)光學(xué)效應(yīng)：當(dāng)光作用與介質(zhì)時(shí)，會(huì)引起介質(zhì)的極化，產(chǎn)生振蕩電偶極矩。：當(dāng)光作用與介質(zhì)時(shí)，會(huì)引起介質(zhì)的極化，產(chǎn)生振蕩電偶極矩。 通常用極化強(qiáng)度通常用極化強(qiáng)度p p來(lái)度量極化的程度。來(lái)度量極化的程度。 線性光學(xué)效應(yīng)線性光學(xué)效應(yīng)：當(dāng)光強(qiáng)不太強(qiáng)時(shí)，極化強(qiáng)度：當(dāng)光強(qiáng)不太強(qiáng)時(shí)，極化強(qiáng)度p p和電場(chǎng)強(qiáng)度和電場(chǎng)強(qiáng)度E E成正比。如折成正比。如折 射、雙折射、散射等都是線性的，此時(shí)折射率和吸收系數(shù)等為一常數(shù)。射、雙折射、散射等都是線性的，此時(shí)折射率和吸收系數(shù)等為一常數(shù)。 非線性光學(xué)效應(yīng)非線性光學(xué)效應(yīng)：當(dāng)光強(qiáng)很強(qiáng)時(shí)，介質(zhì)的極化強(qiáng)度不止于電場(chǎng)強(qiáng)度的一：當(dāng)光強(qiáng)很強(qiáng)時(shí)，介質(zhì)的極化強(qiáng)度不止于電場(chǎng)強(qiáng)

34、度的一 次方有關(guān)，還與二次方、三次方等高次方有關(guān)。如光倍頻、光差頻、光次方有關(guān)，還與二次方、三次方等高次方有關(guān)。如光倍頻、光差頻、光 參量振蕩等。參量振蕩等。 E 0 p 3 3 2 210 pEEE 一、倍頻光一、倍頻光 倍頻效應(yīng)：倍頻效應(yīng)：當(dāng)光束通過(guò)晶體后當(dāng)光束通過(guò)晶體后，除了原來(lái)的激光波長(zhǎng)以外，還檢測(cè)到波長(zhǎng)，除了原來(lái)的激光波長(zhǎng)以外，還檢測(cè)到波長(zhǎng) 為為1/21/2的成分，即從晶體中透出光的頻率是入射光頻率的兩倍。的成分，即從晶體中透出光的頻率是入射光頻率的兩倍。 倍頻效應(yīng)是弗蘭肯(Franken)等人在1 9 6 1年首先發(fā)現(xiàn)的。他們將 紅寶石激光器輸出的波長(zhǎng)694.3nm的紅光射到石英晶

35、體上。當(dāng)這束紅光 通過(guò)石英晶體后，他們發(fā)現(xiàn)在透射光中除了波長(zhǎng)為694.3nm的紅光外， 還出現(xiàn)了波長(zhǎng)為347.1nm的成分。后者的波長(zhǎng)剛好等于紅寶石激光波長(zhǎng) 的一半，即頻率加倍。 微觀解釋微觀解釋：非線性是由原子、分子非諧性造成。物質(zhì)受強(qiáng)光作用后，非線性是由原子、分子非諧性造成。物質(zhì)受強(qiáng)光作用后， 電子發(fā)生位移電子發(fā)生位移z z，具有位能，具有位能y(z)y(z)，對(duì)于無(wú)對(duì)稱中心晶體，與電子位移，對(duì)于無(wú)對(duì)稱中心晶體，與電子位移 +z+z和一和一z z相對(duì)應(yīng)的位能并不相等。相對(duì)應(yīng)的位能并不相等。 非線性極化和線性極化兩者有完全不同的性質(zhì)線性極化波只有一種非線性極化和線性極化兩者有完全不同的性質(zhì)線

36、性極化波只有一種 頻率的成分，能夠輻射與入射波同頻率、同方向的電磁波；而非線性頻率的成分，能夠輻射與入射波同頻率、同方向的電磁波；而非線性 的極化波具有不同的諧波成分，這些諧波成分能夠再輻射與各個(gè)諧波的極化波具有不同的諧波成分，這些諧波成分能夠再輻射與各個(gè)諧波 的頻率相對(duì)應(yīng)的電磁波。顯然，基頻極化波輻射基頻波：二次諧頻極的頻率相對(duì)應(yīng)的電磁波。顯然，基頻極化波輻射基頻波：二次諧頻極 化波輻射二次諧波，即倍頻光等化波輻射二次諧波，即倍頻光等 如果從量子力學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看，就更簡(jiǎn)單了。二次諧波的產(chǎn)生過(guò)程可以如果從量子力學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看，就更簡(jiǎn)單了。二次諧波的產(chǎn)生過(guò)程可以 看成是兩個(gè)頻率為看成是兩個(gè)頻率為光子

37、的湮沒，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)頻率為光子的湮沒，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)頻率為2 2的光子。的光子。 3 3 2 210 pEEE 若光波頻率為若光波頻率為，光場(chǎng)強(qiáng)度為，光場(chǎng)強(qiáng)度為E=EE=E0 0costcost，忽略三次方以上的非線性項(xiàng)，忽略三次方以上的非線性項(xiàng) 2 2010 pEE t2cos 2 1 2 1 tcosp 2 020 2 020 2 2 020 2 20 2 EE EE 不隨時(shí)間變化，不隨時(shí)間變化， 是介質(zhì)兩表面恒是介質(zhì)兩表面恒 定電勢(shì)差定電勢(shì)差 頻率為頻率為2 2的電偶極的電偶極 矩，它將輻射二次諧矩，它將輻射二次諧 波，即倍頻光波，即倍頻光 二、相位匹配及倍頻轉(zhuǎn)換效率二、相位匹配及倍頻轉(zhuǎn)換

38、效率 1 1 1 2 k 12 1 12 4 2 kkk 2 2 2 2 k 在發(fā)現(xiàn)倍頻效應(yīng)的初期，產(chǎn)生二次諧波的效率約為在發(fā)現(xiàn)倍頻效應(yīng)的初期，產(chǎn)生二次諧波的效率約為1010-3 -3數(shù)量級(jí)。 數(shù)量級(jí)。 實(shí)驗(yàn)證明，只有具有特定偏振方向的線偏振光，以某一特定角度入射晶實(shí)驗(yàn)證明，只有具有特定偏振方向的線偏振光，以某一特定角度入射晶 體時(shí)，才能獲得良好的倍頻效果，而以其他角度入射時(shí)，則倍頻效果很體時(shí)，才能獲得良好的倍頻效果，而以其他角度入射時(shí)，則倍頻效果很 差，甚至完全不出倍頻光。差，甚至完全不出倍頻光。 考慮一片厚為考慮一片厚為d d的非線性晶體，正入射的基頻光波在晶體內(nèi)任一點(diǎn)的非線性晶體，正入射

39、的基頻光波在晶體內(nèi)任一點(diǎn)x x的電的電 場(chǎng)強(qiáng)度為場(chǎng)強(qiáng)度為 E=EE=E0 0cos(t-kcos(t-k1 1x)x)，其中波矢為，其中波矢為 倍頻光的初始相位為倍頻光的初始相位為(2t-2k(2t-2k1 1x)x)，經(jīng)過(guò)厚度為，經(jīng)過(guò)厚度為d d的晶體后，相位改變?yōu)榈木w后，相位改變?yōu)?2t-2k2t-2k1 1x+kx+k2 2(x-d)=2t-k(x-d)=2t-k2 2d+d+(k(k2 2-2k-2k1 1)x)x ，其中，其中k k2 2為倍頻光波的波矢為倍頻光波的波矢 討論：討論： k=0 k=0 倍頻信號(hào)最強(qiáng)倍頻信號(hào)最強(qiáng) 獲得最高的轉(zhuǎn)換效率獲得最高的轉(zhuǎn)換效率（相位（相位 匹配條

40、件：倍頻光與基頻光具有相同的折射率）匹配條件：倍頻光與基頻光具有相同的折射率） sin(d / 2)k -2-2-33 22 2 sin(/2) /2 s Id k Mk d Id k k0k0，若，若kd/2= kd/2= 時(shí)下降到零。時(shí)下降到零。 定義：定義：d dc c=/=/k k為為 相干長(zhǎng)度。相干長(zhǎng)度。 2/dk 2 2 2 dx L X X 倍頻效率倍頻效率 對(duì)于正常色散的材料，倍頻光的折射率總是大于基頻光的折射率，所對(duì)于正常色散的材料，倍頻光的折射率總是大于基頻光的折射率，所 以不可能實(shí)現(xiàn)相位匹配。以不可能實(shí)現(xiàn)相位匹配。 雙折射晶體，雙折射晶體，o o光和光和e e光的折射率不

41、同，因此可以光的折射率不同，因此可以利用兩束光的折射率利用兩束光的折射率 不同來(lái)補(bǔ)償色散效應(yīng)不同來(lái)補(bǔ)償色散效應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)相位匹配，從而實(shí)現(xiàn)相位匹配 由波矢與相速度關(guān)系由波矢與相速度關(guān)系k=k=/ /v v，得：在，得：在2k2k =k =k2 2 時(shí)，有 時(shí)，有v v = =v v2 2 ，即 ，即 折射率相等折射率相等, ,等同于基頻光和倍頻光在晶體內(nèi)具有相同的傳播速度。等同于基頻光和倍頻光在晶體內(nèi)具有相同的傳播速度。 在倍頻晶體中，基頻光波和倍頻光波的等相位面具有相同的速度，保在倍頻晶體中，基頻光波和倍頻光波的等相位面具有相同的速度，保 證了相位關(guān)系在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中始終不變，即相當(dāng)于相位差

42、恒定的相證了相位關(guān)系在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中始終不變，即相當(dāng)于相位差恒定的相 干過(guò)程，倍頻光波將得到同步疊加、干涉增強(qiáng)。干過(guò)程，倍頻光波將得到同步疊加、干涉增強(qiáng)。 如何實(shí)現(xiàn)相位匹配？如何實(shí)現(xiàn)相位匹配？ 當(dāng)光波面沿著與光軸成當(dāng)光波面沿著與光軸成角的方向傳播時(shí)，角的方向傳播時(shí)， 二者的折射率面有交點(diǎn)，即折射率相等，傳播二者的折射率面有交點(diǎn)，即折射率相等，傳播 速度相同，實(shí)現(xiàn)了相位匹配。這個(gè)角度稱為匹速度相同，實(shí)現(xiàn)了相位匹配。這個(gè)角度稱為匹 配角。配角。 入射光以一定角度入射晶體，通過(guò)晶體的入射光以一定角度入射晶體，通過(guò)晶體的 雙折射，由折射率的變化來(lái)補(bǔ)償正常色散而實(shí)雙折射，由折射率的變化來(lái)補(bǔ)償正常色散而實(shí) 現(xiàn)相位匹配現(xiàn)相位匹配 負(fù)單軸晶體的折射率面負(fù)單軸晶體的折射率面 其中，