光電基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)課件

1、1 光電基礎(chǔ)知識(shí) 培訓(xùn)課程2課程安排幾何光學(xué)波動(dòng)光學(xué)光纖通訊基礎(chǔ)光學(xué)材料反射折射全反射干涉衍射偏振光纖激光器光無源器件光學(xué)玻璃光學(xué)晶體光學(xué)塑料3光-Light，是我們最熟悉的現(xiàn)象之一，沒有光，人類就無法生存。萬(wàn)物生長(zhǎng)靠太陽(yáng)！地球上的主要能源都是直接或間接來自太陽(yáng)能！4生活中，大自然中有關(guān)光的現(xiàn)象無處不在佛光彩虹海市蜃樓日暈5光學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛顯微鏡激光制導(dǎo)潛望鏡紅外雷達(dá)哈勃太空望遠(yuǎn)鏡光纖通訊7光又是什么？什么是光？Light is color! Light is energy!Light is wave?Light is particle ?8光的簡(jiǎn)單認(rèn)識(shí) 光是一種重要的自然現(xiàn)象，我們之

2、所以能夠看到客觀世界中班駁陸離，瞬息萬(wàn)變的景象，就是因?yàn)檠劬邮盏搅宋矬w發(fā)射，反射或散射的光。 光是一種波，同時(shí)也是一種粒子，也就是說既可以把光看成光波，也可以將光看作是由光子組成的粒子流光具有波粒二象性 光是一種電磁現(xiàn)象，也就是說光是一種波長(zhǎng)較短的電磁波10 由無線電波、紅外線、可見光、紫外線、倫琴射線（X射線）、射線合起來構(gòu)成范圍非常廣闊的電磁波譜 在電磁波中，能被眼睛看到的，只是一個(gè)很窄的波段，通常叫做可見光，在可見光 范圍內(nèi)不同波長(zhǎng)的光引起不同的顏色感覺。（400-760nm）11不同的電磁波 產(chǎn)生的機(jī)理不同： 無線電波紅外線、可見光、紫外線X射線射線是振蕩電路中自由電子的周期性的運(yùn)動(dòng)

3、產(chǎn)生的是原子的外層電子受到激發(fā)后產(chǎn)生的是原子的內(nèi)層電子受到激發(fā)后產(chǎn)生的是原子核受到激發(fā)后產(chǎn)生的12無線電波波長(zhǎng)范圍特性應(yīng)用波長(zhǎng)大于1mm傳播過程中波動(dòng)性明顯無線電技術(shù)14可見光波長(zhǎng)范圍特性應(yīng)用400nm760nm能作用于眼睛并引起視覺照明、攝影等15可見光光譜 可見光波長(zhǎng)與顏色的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下 76006300600057005000450043004000單位：埃17X射線和射線波長(zhǎng)范圍X射線：10-12m 10-9m射線：小于 10-12 m特性穿透力很強(qiáng)應(yīng)用檢查金屬部件，醫(yī)學(xué)透視等醫(yī)學(xué)透視CT 機(jī)18太陽(yáng)輻射舉例：陽(yáng)光含有：無線電波、紅外線、可見光、紫外線、x射線、射線太陽(yáng)輻射的能量集中在

4、可見光、紅外線、紫外線三個(gè)區(qū)域陽(yáng)光中波長(zhǎng)在5.5x10-7m的黃綠光附近，輻射的能量最強(qiáng)，這區(qū)域恰好是人眼最敏感19 光是一種波長(zhǎng)較短的電磁波：400nm760nm 任何波長(zhǎng)的電磁波在真空中的傳播速度都是相同的：C = 3108m/s 光的顏色是由電磁波的頻率決定的 不同頻率的色光在真空中波速相同，在介質(zhì)中波速不同同一色光在不同介質(zhì)中，頻率（顏色）不變，波長(zhǎng)和波速都要改變?cè)谕唤橘|(zhì)中，頻率越高，波速越小單位換算：1m =103mm=106m=109nm=1010 （埃）小 結(jié) 光具有波粒二象性：光具有粒子性，這種粒子稱做“光量子”，簡(jiǎn)稱“光子”20幾何光學(xué)21 幾何光學(xué) 采用光的直線傳播概念，

5、研究光傳播的基本規(guī)律和光通過光學(xué)系統(tǒng)成像的原理和應(yīng)用 按照近代物理學(xué)的觀點(diǎn)，光具有波粒二象性，那么如果只考慮光的粒子性，把光源發(fā)出的光抽象成一條條光線，然后按此來研究光學(xué)系統(tǒng)成像。 內(nèi)容光的直線傳播定律光的獨(dú)立傳播定律光的反射和折射定律 221.1 幾何光學(xué)基本定律（一）光的直線傳播定律： 光在均勻媒質(zhì)里沿直線傳播 在點(diǎn)光源的照射下，在不透明的物體背后出現(xiàn)清晰的影子，影子的形狀與光源為中心發(fā)出的直線所構(gòu)成的幾何投影形狀一致 物體的影子 光只有在均勻媒質(zhì)里沿直線傳播，在非均勻媒質(zhì)中光線將因折射而彎曲24（二）光的獨(dú)立傳播定律 不同的光源發(fā)出的光線在空間某點(diǎn)相遇時(shí)，彼此互不影響。在光線的相會(huì)點(diǎn)上，

6、光的強(qiáng)度是各光束的簡(jiǎn)單疊加，離開交會(huì)點(diǎn)后，各個(gè)光束按原方向傳播。局限性：沒有考慮光的波動(dòng)性質(zhì)25（三）光的反射和折射定律 斯涅耳折射定律 n1 sin = n2 sin 這可是重點(diǎn)?。」獾姆瓷?、折射定律：反射線與折射線都在入射面內(nèi)反射角等于入射角， = 折射角與入射角正弦之比與入射角無關(guān)，是一個(gè)與媒質(zhì)和光的波長(zhǎng)有關(guān)的常數(shù) 27（四）全反射現(xiàn)象全反射現(xiàn)象的定義： 光線入射到兩種介質(zhì)的分界面時(shí)，通常都會(huì)發(fā)生折射和反射，但在一定條件下，入射到介質(zhì)上的光會(huì)全部反射回原來的介質(zhì)中，而沒有折射光產(chǎn)生，這種現(xiàn)象稱為光的全反射現(xiàn)象發(fā)生全反射的條件可歸結(jié)為： 、光線從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì) 、入射角大于臨界角 重

7、點(diǎn)28C.全反射現(xiàn)象的產(chǎn)生過程：a、一般情況下 斯涅耳折射定律 n1 sin = n2 sin b、n1n2c、n1n2應(yīng)用到的公式入射光在兩種均勻介質(zhì)的分界面產(chǎn)生折射和反射入射角折射角入射角折射角29=90n1sin = n2sin全反射條件：n1n2 sinsin 當(dāng)=90時(shí)，此時(shí)的稱為臨界角當(dāng)入射角大于臨界角時(shí)發(fā)生全反射現(xiàn)象n1n2就這么簡(jiǎn)單！分析30D. 兩個(gè)全反射原理應(yīng)用的例子： 、全反射棱鏡i、改變光線傳播方向ii、在光學(xué)儀器中，代替平面反射鏡，減少反射時(shí)的光能損失等腰直角三角棱鏡 、光學(xué)纖維光纖線傳輸光信號(hào)光線纖芯和包層涂覆層311.2 反射棱鏡、折射棱鏡、透鏡反射棱鏡簡(jiǎn)單棱鏡屋

8、脊棱鏡復(fù)合棱鏡角錐棱鏡A：反射棱鏡 -將一個(gè)或多個(gè)反射面磨制在同一塊玻璃上的光學(xué)元件32B：折射棱鏡 -是通過兩個(gè)折射面對(duì)光線的折射進(jìn)行工作的，兩折射面的交線稱為折射棱應(yīng)用：棱鏡光譜儀，研究光譜棱鏡的色散利用棱鏡對(duì)不同波長(zhǎng)的光有不同的折射率這一性質(zhì)33C：透鏡 -由兩個(gè)折射面包圍一種透明介質(zhì)（如玻璃）所形成的光學(xué)零件34光路圖35實(shí)物圖片36光的三原色由右圖可知，顏料三原色加在一起可變成黑色。顏料三原色混合：洋紅+青=藍(lán) 青+黃=綠黃+洋紅=紅洋紅+青+藍(lán)=黑 紅、綠、藍(lán)能夠匹配所有顏色的三種顏色稱為三原色37波動(dòng)光學(xué)38 波動(dòng)光學(xué) 以光的波動(dòng)性為基礎(chǔ)，研究光的傳播及其規(guī)律 以波動(dòng)理論研究光的

9、傳播及光與物質(zhì)相互作用的光學(xué)分支 內(nèi)容 干涉 衍射 偏振 394041 電磁波：隨時(shí)間變化的電場(chǎng)在周圍空間產(chǎn)生一個(gè)渦旋的磁場(chǎng)，隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)在周圍空間產(chǎn)生一個(gè)渦旋的電場(chǎng)，它們互相激發(fā)，交替產(chǎn)生，在空間形成統(tǒng)一的場(chǎng)電磁場(chǎng)，交變電磁場(chǎng)在空間以一定的速度由近及遠(yuǎn)的傳播，就形成了電磁波 電磁波最主要的性質(zhì)之一就是能夠傳輸能量，電磁波的傳播過程伴隨著能量在空間的傳遞光波既然是電磁波，它的傳播過程就是能量傳遞的過程，而光源發(fā)光實(shí)際上是物體不斷向外輻射電磁波的過程42電磁波在真空中的傳播速度為 3108m/s振動(dòng)：物體在一定的位置附近來回重復(fù)的運(yùn)動(dòng)波動(dòng)是振動(dòng)的傳播過程，振動(dòng)是產(chǎn)生波動(dòng)的根源 波動(dòng)最基本的形

10、式有兩種：橫波和縱波水面波是橫波，聲波是縱波，電磁波也是一種橫波43橫波：振動(dòng)方向和傳播方向垂直的波舉例：將一根繩子一端固定，呈水平狀，手握繩子另一端做上下振動(dòng)，凹凸傳播圖：繩子形成的橫波縱波：振動(dòng)方向和傳播方向相同的波舉例：用手迅速而有節(jié)奏的推壓彈簧的另一端，可以看到彈簧上有的部分疏，有的部分密，疏密相間，沿著彈簧向前傳播圖：彈簧形成的縱波機(jī)械振動(dòng)的傳播過程形成機(jī)械波，電磁振動(dòng)（電磁振蕩）的傳播過程形成電磁波橫波和縱波演示44光的電磁理論A: 光是某一波段的電磁波, 在真空中電磁波的傳播速度是= 2.99794108 m/s 3108 m/s EH45 C:可見光的波長(zhǎng)范圍和頻率范圍。（真空

11、中）B:折射率連接光學(xué)和電磁學(xué)的橋梁。 390760nm 7.510144.11014Hz紅外紫外D:光波是橫波（振向和傳向垂直） 實(shí)驗(yàn)證明：對(duì)人眼視覺和感光儀器起作用的主要是光的振動(dòng)部分，所以，一般用電振動(dòng)矢量來代表光的振動(dòng)。 光在不同介質(zhì)中，光速不同，但頻率不 變，所以波長(zhǎng)變，波長(zhǎng)一般指真空中的波長(zhǎng)。46光波的干涉干涉：在兩個(gè)（或多個(gè)）光波疊加的區(qū)域，某些點(diǎn)的振動(dòng)始終加強(qiáng)，另一些點(diǎn)的振動(dòng)始終減弱，形成在該區(qū)域內(nèi)穩(wěn)定的光強(qiáng)強(qiáng)弱分布的現(xiàn)象稱為光的干涉現(xiàn)象 干涉現(xiàn)象：對(duì)于光波來說，干涉現(xiàn)象往往表現(xiàn)成亮暗相間的條紋，干涉現(xiàn)象的顯著程度可用干涉條紋的反襯度來描述： = （IM-Im)/ (IM-Im

12、)01其中IM和Im分別是干涉場(chǎng)中光強(qiáng)的極大和極下值兩束波形成干的條件：頻率相同振動(dòng)方向相同相位差恒定重點(diǎn)47楊氏雙縫干涉 (1801年)So縫屏縫屏接收屏暗條紋以中央明紋為對(duì)稱的明暗相間的干涉條紋S1S2.48D相鄰兩條明（暗）紋的間距：49邁克耳孫干涉儀光路圖法布里-泊羅干涉儀的結(jié)構(gòu)和光路兩種常用的干涉儀介紹50干涉的應(yīng)用等厚條紋待測(cè)工件平晶 測(cè)表面不平度1:測(cè)波長(zhǎng)：已知、n，測(cè)L可得2:測(cè)折射率：已知、，測(cè)L可得n3:測(cè)細(xì)小直徑、厚度、微小變化牛頓環(huán)1：測(cè)透鏡球面的半徑R2：測(cè)波長(zhǎng) 3：檢驗(yàn)透鏡球表面質(zhì)量51光波的衍射衍射現(xiàn)象：當(dāng)波遇到障礙物時(shí)，它將偏離直線傳播，這種現(xiàn)象叫做波的衍射52

13、 一切波都能發(fā)生衍射，通過衍射把能量傳到陰影區(qū)域，能夠發(fā)生明顯衍射的條件是障礙物或孔的尺寸跟波長(zhǎng)差不多 取一個(gè)不透光的屏，在它的中間裝上一個(gè)寬度可以調(diào)節(jié)的狹縫，用平行的單色光照射，在縫后適當(dāng)距離處放一個(gè)像屏 激光束像屏調(diào)節(jié)狹縫寬窄光的衍射53光的衍射衍射裝置實(shí)物圖541、中央亮紋寬而亮2、兩側(cè)條紋具有對(duì)稱性，亮紋較窄、較暗單縫衍射條紋的特征光的衍射55ABS 1、 孔較大時(shí)屏上出現(xiàn)清晰的光斑 2、 孔較小時(shí)屏上出現(xiàn)衍射花樣光的衍射56光的橫波性與五種偏振態(tài)光的干涉和衍射現(xiàn)象表明光是一種波動(dòng)光的偏振表明光的橫波性光波是電磁波，電磁波中起光作用 的是電場(chǎng)矢量(光矢量)偏振態(tài)：光矢量的振動(dòng)狀態(tài)五種偏

14、振態(tài)：自然光，線偏振光, 部分偏振光, 橢圓偏振光, 圓偏振光571、自然光在垂直于光傳播方向的平面內(nèi)，沿各個(gè)方向都有光振動(dòng)，且各個(gè)方向光矢量的振幅相等的光582、線偏振光光矢量只沿一個(gè)固定方向振動(dòng)的光(又稱平面偏振光)振動(dòng)面光矢量593、部分偏振光 在垂直于光傳播方向的平面內(nèi)，各方向都有光振動(dòng)，但振幅不等的光604、圓偏振光和橢圓偏振光在垂直于光的傳播方向的平面內(nèi)，光矢量以一定的頻率旋轉(zhuǎn)。矢量端點(diǎn)軌跡為橢圓時(shí)稱其為橢圓偏振光，軌跡為圓時(shí)稱其為圓偏振光61偏振片：吸收某方向光振動(dòng)，而與其垂直方向的光振動(dòng)能通過的裝置偏振化方向：能通過光振動(dòng)的方向偏振片偏振化方向6263取一根軟繩，一端固定在墻上

15、，手持另一端上下抖動(dòng)，就在軟繩上形成一列橫波.現(xiàn)在，讓軟繩穿過一塊帶有狹縫的木板，如果狹縫與振動(dòng)方向平行，則振動(dòng)可以通過狹縫傳到木板的另一側(cè)（圖甲）如果狹縫與振動(dòng)方向垂直，則振動(dòng)就被狹縫擋住而不能向前傳播（圖乙）如果將這根繩換成細(xì)軟的彈簧，前后推動(dòng)彈簧形成縱波，則無論狹縫怎樣放置，彈簧上的縱波都可以通過狹縫傳播到木板的另一側(cè)（如下圖） 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，證明光是一種橫波64偏振片發(fā)光體以光波代替機(jī)械波以偏振片代替木板狹縫65 當(dāng)只有一塊偏振片時(shí)，以光的傳播方向?yàn)檩S旋轉(zhuǎn)偏振片，透射光的強(qiáng)度不變 當(dāng)兩塊偏振片的透振方向平行時(shí)，透射光的強(qiáng)度最大，但是，比通過一塊偏振片時(shí)要弱 當(dāng)兩塊偏振片的透振方向垂直時(shí)，透

16、射光的強(qiáng)度最弱，幾乎為零.所以說：光波是一種橫波66反射和折射時(shí)光的偏振自然光在兩各向同性媒介分界面上反射和折射時(shí)，反、折射光均成為部分偏振光特點(diǎn)：反射光垂直入射面的振動(dòng)較強(qiáng)，折射光反之67產(chǎn)生偏振光的方法之一 -布儒斯特角1812年布儒斯特發(fā)現(xiàn)，當(dāng)入射角為某特定值時(shí)，反射光為振動(dòng)方向垂直于入射面的線偏振光，而折射光仍然是部分偏振光，但此時(shí)偏振化程度最高此時(shí)有布儒斯特角此時(shí)的i0為 - 布儒斯特角68 偏振現(xiàn)象的實(shí)際應(yīng)用 制成偏光眼鏡，可觀看立體電影 若在所有汽車前窗玻璃和大燈前都裝上與地面 45角、且向同一方向傾斜的偏振片，可以避免 汽車會(huì)車時(shí)燈光的晃眼69 在拍攝玻璃窗內(nèi)的物體時(shí)，去掉反射

17、光 的干擾未裝偏振片裝偏振片70光纖通訊基礎(chǔ)71光纖通訊： 光纖通信是以光波為載波，以光纖（光導(dǎo)纖維）為傳輸媒體，將信號(hào)從某一點(diǎn)傳送到另一點(diǎn)的通信方式。光纖通訊的基本物質(zhì)要素 光纖、光源、光檢測(cè)器72光通訊發(fā)展簡(jiǎn)史 2000多年前 烽火臺(tái)燈光、旗語(yǔ)、手勢(shì) 1880年 光電話無線光通信 1970年 光纖通信73 實(shí)現(xiàn)光通訊的關(guān)鍵點(diǎn)是什么？第一、可靠的光源，相干性好第二、合適的傳播介質(zhì)，損耗低，可靠性高741960 Maiman：紅寶石激光器1962 GaAs二極管激光器：脈沖方式，77K.1966 高錕、Hockham及Werts：石英光纖的損耗可以減小到適合作為傳輸介質(zhì)1970兩大重要突破康寧

18、公司：?jiǎn)文９饫w，損耗 20dB/km，傳輸介質(zhì)的閾值貝爾實(shí)驗(yàn)室：室溫連續(xù)AlGaAs半導(dǎo)體激光器波長(zhǎng)850nm壽命幾分鐘數(shù)小時(shí)結(jié)構(gòu)： GaAs材料上外延生長(zhǎng)雙異質(zhì)結(jié)AlGaAs 歷史75第一代：0.85um多模光纖系統(tǒng)第二代：1.3um多模光纖系統(tǒng)第三代：1.3um單模光纖系統(tǒng)第四代：1.55um單模光纖系統(tǒng)三個(gè)過渡：短波長(zhǎng)長(zhǎng)波長(zhǎng)多模光纖單模光纖AlGaAs/GaAsInGaAsP/InP三項(xiàng)新技術(shù):波分復(fù)用(WDM)相干通信光電子集成(OEIC)歷史76電話、攝象機(jī)、計(jì)算機(jī)、電視編碼、調(diào)制、發(fā)射機(jī)信息源傳輸介質(zhì)信息終端接收機(jī)、解調(diào)、解碼光纖、雙絞線、自由空間發(fā)送單元接收單元光通信系統(tǒng)介紹77

19、通信容量大中繼距離長(zhǎng)不受電磁干擾資源豐富光纖重量輕、體積小光纖通訊的優(yōu)點(diǎn)78光是一種電磁波可見光400nm760nm光纖通信所用的波長(zhǎng) 近紅外波段8001600nm（0.8m-1.6m)光的反射、折射全反射1cm 1mm 100um 10um 1um 100nm 10nm 1nm 波長(zhǎng)10G 100G 1T 10T 100T 1015 1016 1017 f (Hz)1.6um 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1.0um 900 800 700 600nm光通信使用范圍紅外線紫外線79纖芯包層涂覆層 纖芯Core:折射率較高，用來傳送光 包層Cladding:折射率較低，與纖芯一起形成

20、全反 射條件； 涂覆層Jacket:強(qiáng)度大，能承受較大沖擊，保護(hù)光纖，增強(qiáng)光纖的柔韌性。光纖的結(jié)構(gòu)單模光纖803MM光纜3mm OUTER JACKET125 MICRON CLADDING (SILICA)50/62.5 MICRON CORE (SILICA)MULTIMODESINGLEMODEARAMID STRENGTHMEMBERS (Kevlar)900 MICRONBUFFER JACKET250 MICRON COATING 9 MICRON CORE (SILICA)81ITU-T將單模光纖傳輸系統(tǒng)的低衰減工作波段1260 1675nm細(xì)分的6個(gè)波段82 短工作波長(zhǎng)：850

21、nm 長(zhǎng)工作波長(zhǎng)：1310nm、1550nm光纖的分類-按工作波長(zhǎng)光纖的分類-按材料分類石英系光纖：高純度的SiO2摻適量雜質(zhì)，光纖 損耗最低、強(qiáng)度和可靠性最高，應(yīng)用最廣泛塑料包層光纖：纖芯是石英，包層是硅樹脂全塑光纖：纖芯和包層均由塑料制成，其損耗較大，可靠性也不高83單模（Single-Mode）：長(zhǎng)距離、大容量光纖通訊系統(tǒng)多模（Multi-Mode）：中距離、中容量的光纖通訊系統(tǒng)CoreCladdingCoating光纖的分類-按模式分類84階躍折射率分布光纖 （階躍光纖Step-Index Fiber，SIF ）漸變折射率分布光纖 （漸變光纖Graded-Index Fiber，GIF

22、 ）光纖的分類-按折射率分類85光纖的折射率分布86按照ITU-T關(guān)于光纖類型的建議，可以將光纖分為G.651光纖(漸變型多模光纖)、G.652光纖(常規(guī)單模光纖)、G.653光纖(色散位移光纖)、G.654光纖(截止波長(zhǎng)光纖)和G.655(非零色散位移光纖)光纖。按套塑(二次涂覆層)可以將光纖分為松套光纖和緊套光纖?，F(xiàn)在實(shí)用的石英光纖通常有以下三種：階躍型多模光纖、漸變型多模光纖和階躍型單模光纖。光纖的分類-按ITU-T分類87光電子器件類型（通信）有源激光器光放大器探測(cè)器光調(diào)制器波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器光隔離器光耦合器光濾波器光開關(guān)光衰減器色散補(bǔ)償器偏振控制器偏振模補(bǔ)償器無源88光纖和光纜-實(shí)物89光源

23、：發(fā)光二極管（LED） 激光二極管（LD）光電檢測(cè)器： PIN光電管、PIN-FET組件 雪崩光電二極管（APD）光纖放大器（EDFA）調(diào)制器有源光器件90 激光的亮度很高，把激光聚起來，可以產(chǎn)生幾千萬(wàn)度的高溫，它可以溶解最難融化的金屬； 一根普通的電話線，只能同三路電話；一條微波線路，可通十萬(wàn)路電話；而一條激光通訊線路，可以同一億路電話； 激光在傳輸過程中始終像一條筆直的線，一束激光射出20公里遠(yuǎn)，光斑只有茶杯口那么大。激光簡(jiǎn)述91歷史回顧1917年，愛因斯坦就預(yù)言了受激輻射的存在1957年，我國(guó)第一所光學(xué)專業(yè)研究所長(zhǎng)春光機(jī)所建立1958年，美國(guó)物理學(xué)家肖洛、湯斯發(fā)表激光原理論文1960年，

24、邁曼制成了世界上第一臺(tái)紅寶石激光器，標(biāo)志著激光技 術(shù)的誕生1963年，我國(guó)第一臺(tái)半導(dǎo)體激光器研制成功1964年，我國(guó)第一所激光技術(shù)的專業(yè)研究所上海光機(jī)所成立1966年，我國(guó)第一臺(tái)YAG激光器研制成功92水分子模型:H2O一個(gè)水分子是由一個(gè)氧原子和兩個(gè)氫原子構(gòu)成的分子是由原子構(gòu)成的激光的產(chǎn)生過程-預(yù)備知識(shí)1911年盧瑟福提出原子核模型原子是由帶正電的原子核和核外作軌道運(yùn)動(dòng)的電子組成原子是化學(xué)變化中的最小粒子93激光的基本原理物質(zhì)是由一些同類微粒組成，（即原子，分子，離子）原子可以處于不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，具有不同的內(nèi)部能量。 這些能量在數(shù)值上是斷續(xù)的。 通常把原子所可能具有的能量，按其高低畫出，這就是

25、所謂的能級(jí)圖?；鶓B(tài)：原子處于內(nèi)部能量最低的狀態(tài)，稱次原子處于基態(tài)。激發(fā)態(tài)：其它比基態(tài)能量高的狀態(tài)，都叫做激發(fā)態(tài)建立模型粒子二能級(jí)分布圖E1E2能量少，低能級(jí)能量多，高能級(jí)94光與物質(zhì)作用的三種情況自發(fā)輻射E2E1輻射出的光子能量h21滿足玻爾條件：E2-E1= h21 在沒有外界作用情況下，原子從高能態(tài)向低能態(tài)躍遷，釋放的能量以光輻射的形式放出95受激吸收E2E1當(dāng)原子系統(tǒng)受到外來的能量為h21的光子照射時(shí)，如果h21=E2-E1，則處于低能態(tài)E1上的原子受到激發(fā)，躍遷到高能態(tài)E2上去，同時(shí)吸收一個(gè)能量為h21的光子96受激輻射受激輻射過程產(chǎn)生的光簡(jiǎn)稱激光 當(dāng)原子受到外來能量為h21的光子照射

26、時(shí)，若h21=E2-E1，則處于高能態(tài)E2上的原子也會(huì)受到外來的能量為h21的光子的誘發(fā)，而從高能態(tài)E2躍遷到低能態(tài)E1上去，這時(shí)原子將發(fā)射一個(gè)和外來光子能量相同的光子97 外來光子量越多，受激發(fā)的粒子數(shù)越多，產(chǎn)生的光子越大，能量越高 受激輻射是與受激吸收相反的過程，放出的光子與外來光子頻率、傳播方向、相位及偏振等完全一樣，光輻射能量增大一倍98光放大過程：光的受激輻射光的受激吸收光的受激放大 實(shí)現(xiàn)原子系統(tǒng)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布是使光的受激輻射從次要位置轉(zhuǎn)化為主導(dǎo)地位的必要條件，它也是形成激光的必要條件E1E2 若一物質(zhì)，處于高能級(jí)上的原子數(shù)密度大于處于低能級(jí)上的原子數(shù)密度，則該物質(zhì)處于“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)

27、分布”狀態(tài)，這時(shí)的介質(zhì)稱為激活介質(zhì)或增益介質(zhì)99形成激光的兩個(gè)條件：必須利用激勵(lì)能源，使工作物質(zhì)內(nèi)部的一中粒子在某些能級(jí)間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布滿足閾值條件G（） G（）：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度的增益 ：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度上的損耗100工作物質(zhì)激勵(lì)源（泵浦系統(tǒng)）光學(xué)諧振腔激光器的三部分組成101根據(jù)工作物質(zhì)： 固體激光器：紅寶石激光器、釹玻璃激光器、YAG激光器 氣體激光器：氦-氖激光器、二氧化碳激光器、氬離子激光器 半導(dǎo)體激光器：砷化鎵半導(dǎo)體激光器 染料激光器：若丹明6G染料激光器根據(jù)激勵(lì)方式： 光激勵(lì)激光器、電激勵(lì)、熱激勵(lì)等根據(jù)運(yùn)轉(zhuǎn)方式： 連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)激光器和脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)激光器激光器的分類102常用的固體工作物質(zhì)紅寶石：Cr

28、3+:AI2O3 激活離子為三價(jià)鉻離子，基質(zhì)是剛玉晶體Nd3+:YAG摻釹釔石榴石 激活離子為三價(jià)鉻離子，基質(zhì)是YAG晶體釹玻璃： 光學(xué)玻璃中摻入適量的Nd2O3103LD泵浦固體激光器LD直接端面泵浦104示意圖高相干性的激光束產(chǎn)生105激光的特性激光的應(yīng)用單色性好方向性好相干性好能量集中激光切割激光焊接激光打孔激光醫(yī)療光信息處理和激光通訊激光在受控核聚變中的應(yīng)用106激光切割激光的實(shí)際應(yīng)用激光打孔激光武器激光醫(yī)療激光焊接激光通信107光放大器-EDFA108光無源器件109光纖頭：Pigtail水平型 Pigtail垂直型 Pigtail110保偏光纖線：Polarization-main

29、taining optical fiber 111光纖準(zhǔn)直器準(zhǔn)直器的基本結(jié)構(gòu)是有由一個(gè)光纖頭加一個(gè)耦合透鏡組成基本的參數(shù)要求：插損、回?fù)p、工作距離等112光纖準(zhǔn)直器113連接器 connector114各種跳線散件115光纖跳線FC-FC多模光纖跳線LC-LC多模光纖跳線SC-SC多模光纖跳線ST-ST單模光纖跳線LC-LC單模光纖跳線SC-SC單模光纖跳線光纖連接器(又稱跳線)：是指光線兩端都裝上連接器插頭，用來實(shí)現(xiàn)光路活動(dòng)連接； 單模光纖連接器：連接頭連接類型有FC、SC、ST，端面接觸方式有PC、UPC、APC型 ；116常用連接器類型FC TypeSC TypeSC2 TypeFDD

30、Type117連接頭端面類型Ferrule + Flange Insertion Loss(插入損耗) 40dB SPC45dB UPC50dB APC60dB118隔離器偏振相關(guān)型的典型結(jié)構(gòu)是兩個(gè)偏振器加一個(gè)旋轉(zhuǎn)片119隔離器120無源光耦合器件（Coupler)：能使傳輸中的光信號(hào)在特殊結(jié)構(gòu)的耦合區(qū)發(fā)生耦合，并進(jìn)行再分配的器件分類：-從功能上看： 光功率分配器（Splitter) 光波長(zhǎng)分配（合/分波）耦合器（WDM Coupler)-從端口形式上： X型（22）耦合器、Y型（12）耦合器、 星型（NN，N2）耦合器、樹型（1 N，N2）耦合器-從工作帶寬的角度： 單工作窗口窄帶耦合器（S

31、tandard Coupler) 單工作窗口寬帶耦合器（Wavelength Flattened Coupler) 雙工作窗口寬帶耦合器（ Wavelength Independent Coupler)-從傳導(dǎo)模式上分： 多模耦合器 單模耦合器121PLC SplitterDual Window 1N SpliterCoupler122光波分復(fù)用器： -對(duì)光波波長(zhǎng)進(jìn)行分離與合成的光無源器件波分復(fù)用是光纖通訊中的一種傳輸技術(shù)，它利用了一根光纖可以同時(shí)傳輸多個(gè)不同波長(zhǎng)的光載波的特點(diǎn)，把光纖可能應(yīng)用的波長(zhǎng)范圍劃分成若干個(gè)波段，每個(gè)波段用做一個(gè)獨(dú)立的通道傳輸一種預(yù)定波長(zhǎng)的光信號(hào)通常將波分復(fù)用縮寫為WD

32、M（Wavelength Division Multiplexing)按照通道間隔的差異，WDM可以分為： W-WDM（Wide-WDM ): 通道間隔等于或者大于25nm M-WDM (Mid-WDM): 通道間隔小于25nm,而大于3.2nm D-WDM (Dense-WDM):通道間隔小于或等于3.2nm123把不同波長(zhǎng)的光信號(hào)復(fù)用到一根光纖中進(jìn)行傳送(如每個(gè)波承載一種TDM 電信號(hào)）的方式統(tǒng)稱為波分復(fù)用。WDM：波長(zhǎng)間隔比較大，在不同傳輸窗口（比如：1310nm、1550nm）DWDM：波長(zhǎng)密集，同一傳輸窗口（比如1550nm）CWDM：粗波分復(fù)用，同一傳輸窗口內(nèi)波長(zhǎng)間隔大（比如155

33、0nm）什么是波分復(fù)用？雙纖雙向：一根光纖傳送一個(gè)方向的信號(hào)，系統(tǒng)使用兩根光纖單纖雙向：一根光纖傳送兩個(gè)方向的信號(hào)，系統(tǒng)使用一根光纖124什么是波分復(fù)用？125OTUOUTWPA1n合波器OTUOTU1nWBA波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換合波器光放大分波器分波器OSCOSCOSC波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器（O T U）的功能是完成G.957光信號(hào)到G.692固定波長(zhǎng)光的轉(zhuǎn)換。合波器和分波器完成G.692固定波長(zhǎng)光信號(hào)的合波和分波。光放大器包括BA、PA、LA。BA是功放，通過提升合波后的光信號(hào)功率，從而提升各 波長(zhǎng)的輸出光功率；PA是預(yù)放，通過提升輸入合波信號(hào)的光功率，從而提升 各波長(zhǎng)的接收靈敏度；LA是線放，完成對(duì)合波信號(hào)的純

34、光中繼放大處理。OSC（光監(jiān)控信道）通常采用1310nm和1510nm，負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳送。126合波分波器件INiOUTINOUTi合波分波合波/(分波)器件是將不同波長(zhǎng)的光信號(hào)合在一起/(按波長(zhǎng)分開)的器件，是DWDM系統(tǒng)最核心器件，這是光層的最基本復(fù)用合解復(fù)用。故分波/合波器件也經(jīng)常被叫做光復(fù)用/(光解復(fù)用)器件這里的“分”、“合”是相對(duì)波長(zhǎng)/頻率而言的，不是針對(duì)光功率而言。127特點(diǎn)：成本低，技術(shù)成熟，插損大插損理論計(jì)算方法：插損級(jí)數(shù)3dB輸入端口編號(hào)與波長(zhǎng)無關(guān)（對(duì)波長(zhǎng)不敏感）對(duì)相鄰波長(zhǎng)隔離作用低耦合型合波器件inout12814濾波器濾波器自聚焦棒透鏡玻璃設(shè)計(jì)上可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)穩(wěn)

35、定的小型化器件，信號(hào)同帶平坦，且與極化無關(guān)，插入損耗小，通路間隔度好。但通路數(shù)不會(huì)很多。多層介質(zhì)膜復(fù)用解復(fù)用器件129膜片型波分復(fù)用器光波分復(fù)用器是對(duì)波長(zhǎng)進(jìn)行分離與合成的無源器件。WDM的原理很簡(jiǎn)單，利用鍍膜片，將需要的波長(zhǎng)挑選出來。1303端口8-Channel DWDM Modules4 Channel DWDM16-Channel DWDM Modules131Interleaver技術(shù)：是一種可把一列頻率間隔為f的光信號(hào)分為兩列頻率間隔為2f的光信號(hào)，分別從兩個(gè)信道輸出的光濾波技術(shù)，稱其中一個(gè)信道為奇信道，另外一個(gè)為偶信道。也稱為光學(xué)梳狀濾波。50GHZ Interleaver的工作示

36、意圖132間隔為50GHz，80路的DWDM器件Interleaver50GHz100GHz 140 WDM100GHz 140 WDM50GHz 180 DWDM 器件133什么是Interleaver134應(yīng)用介紹Interleaver主要和其他器件一起構(gòu)成WDM系統(tǒng)，用于數(shù)據(jù)等的傳輸。135光學(xué)材料薄膜光學(xué)136光學(xué)玻璃 -應(yīng)用最廣泛的光學(xué)材料，屬于無機(jī)物，是高分子的凝聚態(tài)物質(zhì);不論化學(xué)成分和固化溫度范圍如何，一切由熔體過冷卻所得的無定形體，由于粘度逐漸增加而具有的固體的機(jī)械性質(zhì)的，均稱之為玻璃；而且有液態(tài)變?yōu)椴ＡB(tài)的過程應(yīng)當(dāng)是可逆的光學(xué)晶體 -是有規(guī)則排列結(jié)構(gòu)的固體光學(xué)塑料 -屬于有機(jī)

37、物，是有機(jī)高分子化合物光學(xué)材料有三大類137:光學(xué)玻璃的分類：無色光學(xué)玻璃： 分為冕牌和火石兩大類，各以K和F表示：有色光學(xué)玻璃： 1、硒鎘著色玻璃-可以得到黃色（JB）、橙色（CB）、紅色（HB）玻璃 2、離子著色的選擇性吸收玻璃 3、離子著色的中性玻璃：特種光學(xué)玻璃1、光學(xué)石英玻璃（熔石英）2、紅外光學(xué)玻璃3、耐輻射光學(xué)玻璃4、防輻射光學(xué)玻璃5、微晶玻璃-玻璃的物質(zhì)性質(zhì)，如折射率、熱膨脹系數(shù)，不因測(cè)量方向的不同而不同138、光學(xué)晶體的分類-具有格子結(jié)構(gòu)的固體，物質(zhì)的性質(zhì)隨測(cè)量方向的不同而不同三大晶族七大晶系139 光學(xué)晶體的分類：紫外、紅外晶體 -利用晶體透紫外、紅外的性能，制造紅外、紫外

38、透光窗、分光棱鏡：偏振晶體 -利用晶體的雙折射性能制造偏振零件：閃爍晶體 -某些堿鹵化合物的光學(xué)晶體中引入雜質(zhì)激活劑，能將看不見的核子射線轉(zhuǎn)為可見光：窗口材料 -是指用于探測(cè)儀、紅外光學(xué)儀器、人造衛(wèi)星、導(dǎo)彈、宇宙飛船上的窗口式穹面罩材料：激光晶體 -人工合成晶體，把激活離子個(gè)別摻入到適當(dāng)?shù)慕Y(jié)晶母體中，包含基質(zhì)晶體和激活離子：非線性晶體 -用以解決激光應(yīng)用中的光調(diào)制、偏轉(zhuǎn)、和變頻等問題，大體分為電光晶體、聲光晶體、變頻晶體140晶體的幾個(gè)重要的物理性質(zhì)1、解理性2、硬度：常用莫氏硬度，指甲可劃的為12.5，小刀能刻畫的為55.5，銼刀為67，銼刀都不能的為89，石英晶體為7，天然金剛石為93、溶解度4、雙折射：高級(jí)晶族沒有，中級(jí)有，會(huì)將一束光分為2束，為尋常光和非尋常光，相應(yīng)的折射率用no和ne表示5、旋光性141晶體雙折射現(xiàn)象象折射現(xiàn)雙折射現(xiàn)o光e光方解石晶體CaCO3紙面 雙折射現(xiàn)象返回結(jié)束143雙折射現(xiàn)象當(dāng)一束自然光穿過方解石等晶體時(shí)，分成兩條折射光的現(xiàn)象稱為雙折射現(xiàn)象。白紙上涂一個(gè)黑點(diǎn)，將方解石放在紙上，可觀察到兩個(gè)黑點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)方解石，一個(gè)黑點(diǎn)不動(dòng)，另一個(gè)黑點(diǎn)旋轉(zhuǎn)。這兩條光線都是偏振光。144光的雙折射現(xiàn)象雙折 射雙 折雙 折方解石晶體o光e光尋常光(o光)：遵守折射