功能材料及其应用复习资料 - 图文(6)

光纤材料按结构可分为包层型和自聚焦型两种 , 前者的折射率在皮和芯界面上呈突跃变化 , 后者的折射率则随半径呈梯度指数变化。

光在纤维中传输有一定的传输模式。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 , 或称为光的一种波型。传输模式是光学纤维最基本的传输特性之一 , 因此根据模式可分为单模光纤和多模光纤两种。所谓单模光纤就是一种光学纤维只允许传输一个模式的光波 , 而多模光纤则为一种光纤允许同时传输多个模式的光波。光学纤维具有均匀的芯子 ( 半径为 r, 折射率为 n1) 和均匀的包层 ( 折射率为n2 ,n2 ＜ n1) 。通过这种纤维的光线有子午光线和斜光线两种。所谓子午光线就是在一个平面内弯曲进行的光线 , 它在一个周期内和光学纤维的中心轴相交两次 ; 斜光线则为不通过光学纤维的中心轴的光线。作为子午光线行进的条件为

数值孔径NA 习惯上把

2NA?n12?n22sin?0＜n12?n2

2n12?n2 称之为光学纤维的数值孔径 NA, 即

根据子午光线行进的条件 ,NA 值越大 , φ0可以越大 , 因而有较多的光线进入芯子。但 NA太大时 , 对单模传输不利 , 因为它易激发光的高次模传播方式。

1. 传输损耗 Q

传输损耗 Q 指光在纤维中传输途中的损耗 , 用下式表示 :

Q?10logI2I1 (dB/km) (8-12)

式中 I1——入射光强 ;

I2 ——出射光强 ;

Q ——传输损耗 (dB/km) 。

|Q| 越大 , 光信息传播的距离就越短 ,|Q| 越小 , 光信息传播的距离就越远。Q 值是衡量光学纤维通信介质质量好坏的一个最重要的指标。形成光学纤维传播损耗的机理有吸收损耗、本征散射和波导散射三种。

吸收损耗是一个重要的损耗 , 又可分本征吸收、杂质吸收和 OH- 离子吸收。本征吸收是物质的固有吸收 , 是组分原子振动产生的吸收 , 位于 8～12 μm的红外区域和一个紫外波段。 杂质吸收主要有 Cu2+ 、 V3+ 、 Cs3+ 、 Mn3+ 、 Fe2+ 、 C02+ 和 Ni2+ 等杂质 , 它的吸收峰位于可见和红外区域。当原料经过多次精制后 , 金属杂质的吸收几乎完全消除。这时 OH- 离子的吸收就成为一种重要的杂质吸收损耗。在熔融石英玻璃中 , OH-的吸收带位于 0.5～1.Oμm波段 , OH-的基本吸收峰位于 2.7 μm附近。 0.95 μm和 0.72 μm是振动损耗的二次和三次谐波。

本征散射是物质散射中最重要的 , 又称为瑞利散射 , 它是由玻璃熔制过程造成的密度不均匀而产生的折射率不均匀所引起的散射 , 它与波长的四次方成反比。这种损耗随波长的增加而很快减小。另外 , 掺杂不均匀 ( 如扩散不均匀 ) 也能引起散射 , 产生损

耗。

波导散射是由波导的结构缺陷产生的 , 如波导芯的直径有起伏 , 界面粗糙。凹凸不平 , 就会引起传导模的附加损耗 , 即波导散射损耗。

传输带宽是影响信息传输能力的一个重要因素。在光纤通信中 , 传输以光脉冲方式进行 , 信息通过调制方式加到光频载波上 , 把载波光按信息要求调制成一个光脉冲 , 光脉冲的调制频率愈高 , 它能传输的信息容量也愈大。

实际上 ,经输送的光脉冲 ( 方波窄脉冲 ) 传输一段距离后发生畸变和展宽 ( 成钟形的方波脉冲 ), 展宽的结果使光脉冲波型重叠 , 结果分辨不出所携带的信息。另一方面 , 能否无限制地增高光脉冲的调制频率 , 提高传输的信息容量 ? 不能 , 因为光学纤维的传输带宽受到材料色散、模式色散和构造色散的限制。

材料色散是指不同波长的光在介质中的折射率不一样。用数学式表示为

n=f(λ) (8-13)

式中 n ——材料折射率 ;

λ——波长。

该式说明介质的折射率是波长的函数 , 因为即使是单色光也都有一定的谱线宽度△λ。如He-Ne 激光的 6328? 的谱线宽度为 10-7 ? 。

模式色散是指不同模式的光脉冲在光学纤维中传播速度不同所

产生的传输时间差。 构造色散是指由光纤结构上的原因引起的光传播速度的变化。

在多模光纤中 , 限制传输带宽的主要因素是模式色散 , 在单模光纤中 , 影响传输带宽的主要因素是材料色散。

由于石英光纤的工作波段为 0.85μm和 1.30μm 。它目前达到的损耗已接近其极限值 , 降低的空间已很小。为了实现超远距离通信 , 必须使光纤在更长波长的红外窗口波段工作 , 这样才能得到更低的损耗 , 因此 , 研究红外光纤已成为当今光纤研究的主要方向。

第九章 发光材料

发光材料品种很多 , 按激发方式发光材料可以分为 : （1）光致发光材料 : 发光材料在光 ( 通常是紫外光、红外光和

可见光 ) 照射下激发发光。

（2）电致发光材料 : 发光材料在电场或电流作用下的激发发光。 （3）阴极射线致发光材料 : 发光材料在加速电子的轰击下的激发发光。

（4）热致发光材料 : 发光材料在热的作用下的激发发光。 （5）等离子发光材料 : 发光材料在等离子体的作用下的激发发光。

1. 分立中心发光

发光材料的发光中心 ( 即发光体内部在结构中能发光的分子 )

受激发时并未离化 , 即激发和发射过程发生在彼此独立的、个别的发光中心内部的发光叫做分立中心发光。这种发光是单分子过程 , 并不伴随有光电导 , 故又称为 “非光电导型” 的发光。分立中心发光有以下两种情况 :

(l) 自发发光。受激发的粒子 ( 如电子 ), 受粒子内部电场作用从激发态 A 而回到基态 G 时的发光 , 叫自发发光 。这种发光的特征是 , 与发射相应的电子跃迁的几率基本上决定于发射体内的内部电场 , 而不受外界因素的影响。

(2) 受迫发光。受激发的电子只有在外界因素的影响下才发光 , 叫受迫发光。它的特征是 , 发射过程分为两个阶段 , 如图 9-l(b) 所示 , 受激发的电子出现在受激态 M 上时 , 从状态 M 直接回到基态 G 上是禁阻的。在 M 上的电子 , 一般也不是直接从基态 G 上跃迁来的 , 而是电子受激后 , 先由基态 G 跃迁到 A, 再到 M 态上 ,M 这样的受激态称为亚稳态。 受迫发射的第一阶段是由于热起伏 , 电子吸收能量 E 后 , 从 M 态上到 A, 要实现这一步 , 电子在 M 态上需要花费时间 , 等待机会 , 从 A 态回到 G 态是允许的 , 这就是受迫发射的第二阶段。由于这种发光要经过亚稳态 , 故又称受迫发光为亚稳态发光。

2. 复合发光

发光材料受激发时分离出一对带异号电荷的粒子 , 一般为正离子 ( 空穴 ) 和电子 , 这两种粒子在复合时便发光 , 即叫复合发光。由于离化的带电粒子在发光材料中漂移或扩散 , 从而构成特征

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