第六章 光學材料

光學材料一、螢石的基本性質

（一）礦物名稱

螢石（Fluorite）。

（二）化學成分

CaF2，含雜質較多，Ca常被Y和Ce等稀土元素替代，此外還含有少量的Fe2O3，SiO2和微量Cl，O3，He等。

（三）晶系及結晶習性

螢石為等軸晶系。單晶主要為立方體，少數為菱形十二面體、八面體。立方體晶面上常出現與棱平行的網格狀條紋，集合體為粒狀、晶簇狀、條帶狀、塊狀等。

（四）光學性質

1．顏色

純凈的螢石為無色，但因含有較多Y、Ce、Ca等元素，造成螢石結構空位，產生色心而致色，常見的顏色有淺綠色至深綠色，藍、綠藍、黃、酒黃、紫、紫羅蘭色、灰、褐、玫瑰紅、深紅等受激吸收、自發(fā)輻射和受激輻射激光原理Nd:GlassNd:YAGNd:YVO4Nd:LSBNd:YLFRuby激光晶體

激光炮

激光炮原理

發(fā)明了被譽為“中國牌晶體”的非線性光學晶體BBO、LBO。其中BBO晶體獲1986年度中科院科技進步特等獎，LBO晶體獲1990年度中科院發(fā)明壹等獎，1991年度國家發(fā)明壹等獎。BBO、LBO晶體還分別于1987、1989年獲美國光電子產業(yè)界頒發(fā)的十大光電子產品獎。陳創(chuàng)天本人也先后獲得1987年度第3世界科學院化學獎，1990年激光集錦（LaserFocusWorld）雜志頒發(fā)的工業(yè)技術成就獎人工晶體陳創(chuàng)天偏硼酸鋇BBO晶體人工晶體BBO晶片LBO四硼酸鋰晶體適于用作聲表面波器件和體波器件的溫度補償型基片材料，特別是甚高頻和超高頻器件。

BTO鈦酸鋇晶體鈦酸鋇晶體光折變晶體在光的全息存儲、光通訊、圖象處理、激光器頻率鎖定、光學神經網絡以及干涉儀方面有著很大的應用潛力。

紅外材料可怕的紅外鏡片

拿一般家用電器的紅外線遙控器對著相機鏡頭按下遙控器按鍵,同時從相機的LCD或EVF看是否可見明亮光點,如果遙控器上的紅外燈的光點明顯可見那就是好消息了?！豆忸l率的介質纖維表面波導》光纖之父高錕光纖材料以玻璃制造一條比頭發(fā)還要纖幼的光纖，代替體積龐大的千百萬條銅線，作為傳送容量幾近無限的信息傳送管道。光纖材料

20世紀60年代發(fā)現了激光，這是人們期待已久的信號載體。要實現光通訊，還必須有光元件、組件及信號加工技術和光信號的傳輸介質。1966年英國標準電信實驗室(STL)的中國科學家高錕(K．C．Kao)發(fā)表論文，論證了把光纖的光學損耗降低到20dB／km以下的可能性（當時光纖的傳輸損耗約為1000dB／km），預測光纖通訊的未來，被譽為光纖通訊的先驅。1970年，美國康寧玻璃公司拉制出世界第一根低損耗光纖，這是一根高二氧化硅玻璃光纖，長數百米，損耗低于20dB／km(降低為1966年光纖損耗的1/50)。十多年后，高二氧化硅玻璃光纖的損耗又降低了兩個數量級，約為0.2dB／km，幾乎達到了材料的本征光學損耗。

然而，多組分玻璃光纖因其材料難以提純，以及此類玻璃的均勻性差，而使光纖的最低損耗仍相當大，約為4dB／km。近20年，各種各樣的光纖層出不窮，除了通信用多模、單模光纖外，近年來又出現各種結構不同高雙折射偏振保持光纖、單偏振光纖，以及各種光纖傳感器用的功能光纖、塑料光纖等。光纖的最初應用是制作醫(yī)用內窺鏡，但其大量地應用仍在通信方面，現在已成為通訊的重要網絡。許多國家建造了光纖通信系統(tǒng)，橫跨大西洋、太平洋的海底光纜已投入使用，使全世界進入信息時代。

圖6-1為為光纖通訊過程示意圖。

圖6-1光纖通訊過程示意圖光纖通訊發(fā)展如此之快的原因是由于它具有一些優(yōu)點，如傳輸損耗低，頻帶寬；小的尺寸和彎曲半徑及重量輕等，使它在飛機、輪船、擁擠的城市地下管道的應用都具有優(yōu)越性。由于是介電波導，可以避免許多問題，如輻射干涉等。因為光纖損耗恒定，所以可以很容易滿足系統(tǒng)高參量傳輸的需要，特別是對傳送聲、數據和圖象信號。另外，光纖不只是作為通訊載體介質，還可以作為傳感器材料，在各學科領域都得到應用。有人估計飛機上的測試設備及自動駕駛系統(tǒng)都可實現光控過程，以減輕重量、小型化，并使信息傳遞保密性更好，比電控更具優(yōu)越性。

6.1.1光纖構成及分類

光纖是用高透明電介質材料制成的非常細(外徑約為125~200μm)的低損耗導光纖維，它不僅具有束縛和傳輸從紅外到可見光區(qū)域內的光的功能，而且也具有傳感功能。一般通信用光纖的橫截面的結構如圖6-2所示。

圖6-2光纖橫截面結構示意圖（a）光纖

（b）三層結構心線

光纖本身由纖芯和包層構成，見圖6-2(a)，纖芯是由高透明固體材料(如高二氧化硅玻璃，多組分玻璃、塑料等)制成，纖芯的外面是包層，用折射率較低(相對于纖芯材料而言)的有損耗(每公里幾百分貝)的石英玻璃、多組分玻璃或塑料制成。這樣就構成了能導光的玻璃纖維—光纖，光纖的導光能力取決于纖芯和包層的性質。

上述光纖是很脆的，還不能付諸實際應用。要使它具有實用性，還必須使它具有一定的強度和柔性，采用圖6-2(b)所示的三層芯線結構。在光纖的外面是一次被覆層，主要目的是防止玻璃光纖的玻璃表面受損傷，井保持光纖的強度。因此，在選用材料和制造技術上，必須防止光纖產生微彎或受損傷。通常采用連續(xù)擠壓法把熱可塑硅樹脂被覆在光纖外而制成，此層的厚度約為100~150μm，在一次被覆層之外是緩沖層，外徑為400μm，目的在于防止光纖因一次被覆層不均勻或受側壓力作用而產生微彎，帶來額外損耗。因此，必須用緩沖效果良好的低楊氏系數材料作緩沖層，為了保護一次被覆層和緩沖層，在緩沖層之外加上二次被覆層。二次被覆層材料的楊氏系數應比一次被覆層的大，而且要求具有小的溫度系數，常采用尼龍，這一層外徑常為0.9mm。光纖芯部的材料一般是非晶態(tài)的SiO2、摻雜GeO2、P2O5等。根據設計變化成分取得必要的折射率。包覆層的折射率要與芯部材料匹配，以改善強度，降低污染，減少光的散射損失。

光纖按芯部折射率變化來分類，有突變(階躍)光纖和漸變(梯度)光纖兩大類，見圖6-3。圖6-3光纖的種類和光的傳播（a）階躍型多模光纖（SI光纖）（b）度型多模光纖（GI光纖）（c）單模光纖（SM光纖）

階躍型多模光纖和單模光纖的區(qū)別僅在于，后者的芯徑和折射率差都比前者小。設計時，適當地選取這兩個參數，以使得光纖中只能傳播最低模式的光，這就構成了單模光纖。階躍型多模光纖和單模光纖的折射率分布都是突變的，纖芯折射率均勻分布具有恒定值nl，而包層折射率則為稍小于n1的常數n2，n(r)可表示為：

其中，r為離纖芯縱軸的徑向坐標，a為纖芯半徑。

在梯度光纖中，纖芯折射率的分布是徑向坐標的遞減函數，而包層折射率分布則是均勻的，可用下式表示：其中g為冪指數，一般取2。按材料種類分，可以有玻璃光纖、塑料光纖和紅外光纖。塑料光纖一般直徑較大(1mm)，傳輸距離較近，在幾十米以內，大孔徑，光耦合效率高。由于遠紅外區(qū)域石英光纖損耗較大，所以正在研究紅外用光纖。應用前景較大的是氟化物光纖。從傳感的角度來分，可以分為傳輸光纖和功能光纖。

按光在光纖中傳播的模式來分有單模和多模光纖(見圖6-4)。圖6-4單模和多模光纖的幾何尺寸

6.1.2光在光纖中傳輸的基本原理

如果有一束光投射到折射率分別為n1和n2的兩種媒質界面上時，(設n1＞n2)，入射光將分為反射光和折射光。入射角θ1與折射角θ2之間服從光的折射定律：

當θ1=sin-1n2/nl時，折射角θ2為直角，這時入射光線全部返回到原來的介質中去，這種現象叫光的全反射。此時的入射角θ1=sin-1n2/nl叫做臨界角。在光纖中，光的傳送就是利用光的全反射原理，當入射進光纖芯子中的光與光纖軸線的交角小于一定值時，光線在界面上發(fā)生全反射。發(fā)生全反射時，光將在光纖的芯子中沿鋸齒狀路徑曲折前進，但不會穿出包層，這樣就完全避免了光在傳輸過程中的折射損耗，如圖6-5所示。圖6-5光在光學纖維中的傳播途徑

傳輸模式是光學纖維最基本的傳輸特性之一。若一種光纖只允許傳輸一個模式的光波，則稱它為單模光纖。如果一種光纖允許同時傳輸多個模式的光波，這種光纖為多模光纖。光學上把具有一定頻率，一定的偏振狀態(tài)和傳播方向的光波叫做光波的一種模式，或稱光的一種波型。

多模光纖直徑為幾十至上百微米，與光波長相比大得多，因此，許多模式的光波進入光纖后都能滿足全反射條件，在光纖中得到正常的傳輸。在光纖的輸出端可以看到光強度分布的不同花樣，即在輸出端出現多個亮斑，一個亮斑代表多模光纖所傳輸的一種模式的光波。單模光纖的直徑只有3~10μm，同光波的波長接近。在這樣細的光纖中，只有沿著光纖軸線方向傳播的一種模式的光波滿足全反射條件，在光纖中得到正常的傳輸。其余模式的光波由于不滿足全反射條件，在光纖中傳送一段距離后很快就被淘汰。多模光纖的傳輸頻率主要受到模式色散的限制，所以傳輸的信息量不可能很高。單模光纖不存在模式色散，所以傳輸頻帶比多模光纖寬，傳輸的信息容量大。在大容量、長距離光纖通信中單模光纖具有美好的應用前景。但單模光纖直徑太細，制造工藝要求高，所以目前使用還不普遍。多模光纖由于直徑較粗，制造工藝比單模光纖簡單些，在使用中光纖的連接與耦合也比單模光纖容易得多。目前光通信所使用的光纖，大多是多模光纖。

光在光纖中傳播是有損耗的，這是光纖通信中最重要的問題。這是由于在光纖中存在兩種損耗機制：一種是吸收，這是光與光纖本身（在某些波長情況下）和光纖中的雜質相互作用的結果，引起電子躍遷。其后這些電子放出另一種波長的光子或者把能量變成機械振動（熱的形式）放出。另一種能量損失是散射的方式，纖維的組織結構的不完整性（尺寸上可能大于或小于所傳導的波長）可以引起光更改傳播方向，逸出光導纖維。這些損耗都需要通過控制光纖的制備過程及選擇合適的工藝參數來降低。

6.1.3石英光纖制備方法

迄今為止，

大量付諸于實際應用的光纖仍只有玻璃光纖和塑料光纖兩種，特別是二氧化硅石英光纖。當今實用的石英光纖制造技術，是首先生產預制棒，預制棒由芯層和包層組成，它的截面的幾何尺寸和折射率分布與其控制的光纖一致，然后將預制棒加熱的一端拉制成光纖。為了提高生產效率和降低成本，預制棒向大棒的方向發(fā)展，目前一根預制棒可以拉制200Km光纖。特別是采用了高純度的合成管技術后，縮短了制棒時間，稀釋了雜質，降低了光纖的光損耗，提高了光纖的機械性能，改善了光纖質量。當今加工技術的發(fā)展和計算機控制技術的應用，幾乎可以使人們得到任意形狀和折射率分布的預制棒。

目前用于實際生產的制棒工藝主要有四種：即美國康寧公司發(fā)明的OVD法，美國前AT&T公司開發(fā)的MCVD法，日本NTT公司研究出的AVD法及荷蘭前Philps公司發(fā)明的PCVD法。（1）管外氣相沉積——OVD法OVD法生產預制棒分兩步進行。首先，將一根熔融石英玻璃母棒沿其縱軸在車床上轉動，將氧氣和摻雜劑如SiCl4，GeCl4，BCl3，POCl3，送進噴燈，噴出的氣體在高溫燃燒時，發(fā)生水解反應生成氧化物粉塵沉積在均勻旋轉的母棒上，見圖6-6。如果噴燈也沿縱向來回運動，就一層層地生成一個多孔預制棒。OVD法通過改變送進噴燈的每路氣體的流量來控制沉積在母棒上每層的