第六章 光学材料
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光纤芯部的材料一般是非晶态的SiO2、掺杂GeO2、P2O5等。 根据设计变化成分取得必要的折射率。包覆层的折射率要与 芯部材料匹配，以改善强度，降低污染，减少光的散射损失。
光纤按芯部折射率变化来分类，有突变(阶跃)光纤和渐变(梯 度)光纤两大类，见图6-3。
图6-3 光纤的种类和光的传播 （a）阶跃型多模光纤（SI光纤） （b）度型多模光纤（GI光纤） （c） 单模光纤（SM光纤）
上述光纤是很脆的，还不能付诸实际应用。要使它具有实 用性，还必须使它具有一定的强度和柔性，采用图6-2(b)所示 的三层芯线结构。在光纤的外面是一次被覆层，主要目的是 防止玻璃光纤的玻璃表面受损伤，井保持光纤的强度。因此， 在选用材料和制造技术上，必须防止光纤产生微弯或受损伤。
通常采用连续挤压法把热可塑硅树脂被覆在光纤外而制成， 此层的厚度约为100~150μm，在一次被覆层之外是缓冲层， 外径为400μm，目的在于防止光纤因一次被覆层不均匀或受 侧压力作用而产生微弯，带来额外损耗。因此，必须用缓冲 效果良好的低杨氏系数材料作缓冲层，为了保护一次被覆层 和缓冲层，在缓冲层之外加上二次被覆层。二次被覆层材料 的杨氏系数应比一次被覆层的大，而且要求具有小的温度系 数，常采用尼龙，这一层外径常为0.9mm。
阶跃型多模光纤和单模光纤的区别仅在于，后者的芯径和折 射率差都比前者小。设计时，适当地选取这两个参数，以使得 光纤中只能传播最低模式的光，这就构成了单模光纤。阶跃型 多模光纤和单模光纤的折射率分布都是突变的，纤芯折射率均 匀分布具有恒定值nl，而包层折射率则为稍小于n1的常数n2，n (r)可表示为：
然而，多组分玻璃光纤因其材料难以提纯，以及此类玻璃的 均匀性差，而使光纤的最低损耗仍相当大，约为4dB／km。近 20年，各种各样的光纤层出不穷，除了通信用多模、单模光纤 外，近年来又出现各种结构不同高双折射偏振保持光纤、单偏 振光纤，以及各种光纤传感器用的功能光纤、塑料光纤等。光 纤的最初应用是制作医用内窥镜，但其大量地应用仍在通信方 面，现在已成为通讯的重要网络。许多国家建造了光纤通信系 统，横跨大西洋、太平洋的海底光缆已投入使用，使全世界进 入信息时代。
光纤材料
20世纪60年代发现了激光，这是人们期待已久的信号载体。要 实现光通讯，还必须有光元件、组件及信号加工技术和光信号的 传输介质。 1966年英国标准电信实验室(STL)的中国科学家高锟 (K．C．Kao)发表论文，论证了把光纤的光学损耗降低到20dB／ km以下的可能性（当时光纤的传输损耗约为1000dB／km），预 测光纤通讯的未来，被誉为光纤通讯的先驱。 1970年，美国康宁 玻璃公司拉制出世界第一根低损耗光纤，这是一根高二氧化硅玻 璃光纤，长数百米，损耗低于20dB／km(降低为1966年光纤损耗 的1/50)。十多年后，高二氧化硅玻璃光纤的损耗又降低了两个数 量级，约为0.2dB／km，几乎达到了材料的本征光学损耗。
人工晶体
偏硼酸钡 BBO晶体
BBO晶片
LBO四硼酸锂晶体
适于用作声表面波器件和体波器件的温度补偿型基片材 料，特别是甚高频和超高频器件。
BTO钛酸钡晶体
钛酸钡晶体光折变晶体在光的全息存储、光通讯、图象处理、激光器频率锁定、光 学神经网络以及干涉仪方面有着很大的应用潜力。
红外材料
可怕的红外镜片
6.1.1 光纤构成及分类
光纤是用高透明电介质材料制成的非常细(外径约为125~200 μm)的低损耗导光纤维，它不仅具有束缚和传输从红外到可见 光区域内的光的功能，而且也具有传感功能。一般通信用光纤 的横截面的结构如图6-2所示。
图6-2 光纤横截面结构示意图 （a）光纤 （b）三层结构心线
光纤本身由纤芯和包层构成，见图6-2(a)，纤芯是由高透明 固体材料(如高二氧化硅玻璃，多组分玻璃、塑料等)制成，纤 芯的外面是包层，用折射率较低(相对于纤芯材料而言)的有损 耗(每公里几百分贝)的石英玻璃、多组分玻璃或塑料制成。这 样就构成了能导光的玻璃纤维—光纤，光纤的导光能力取决 于纤芯和包层的性质。
第六章 光学材料
激光原理 受激吸收、自发辐射和受激辐射
激光晶体
Ruby
Nd:YAG
Nd:YLF
Nd:YVO4
Nd:LSB Nd:Glass
ห้องสมุดไป่ตู้
激光炮
激光炮原理
人工晶体
陈创天
发明了被誉为“中国牌晶体”的非线性光学晶体 BBO、LBO。其中BBO晶体获1986年度中科院科技进 步特等奖，LBO晶体获1990年度中科院发明壹等奖， 1991年度国家发明壹等奖。BBO、LBO晶体还分别于 1987、1989年获美国光电子产业界颁发的十大光电子 产品奖。陈创天本人也先后获得1987年度第3世界科学 院化学奖，1990年激光集锦（Laser Focus World）杂志 颁发的工业技术成就奖
拿一般家用电器的红外线遥控器对着相机镜头按
下遥控器按键,同时从相机的LCD 或EVF看是否可见 明亮光点,如果遥控器上的红外灯的光点明显可见那 就是好消息了。
光纤材料
《光频率的 介质纤维表 面波导》
光纤之父 高锟
以玻璃制造一条比头 发 还 要 纤 幼 的 光 纤， 代 替 体积庞大的千百万条铜 线， 作 为 传 送 容 量 几 近 无 限 的 信 息 传 送 管 道。
图6-1为为光纤通讯过程示意图。
图6-1 光纤通讯过程示意图
光纤通讯发展如此之快的原因是由于它具有一些优点，如 传输损耗低，频带宽；小的尺寸和弯曲半径及重量轻等，使 它在飞机、轮船、拥挤的城市地下管道的应用都具有优越性。 由于是介电波导，可以避免许多问题，如辐射干涉等。因为 光纤损耗恒定，所以可以很容易满足系统高参量传输的需要， 特别是对传送声、数据和图象信号。另外，光纤不只是作为 通讯载体介质，还可以作为传感器材料，在各学科领域都得 到应用。有人估计飞机上的测试设备及自动驾驶系统都可实 现光控过程，以减轻重量、小型化，并使信息传递保密性更 好，比电控更具优越性。
光纤按芯部折射率变化来分类，有突变(阶跃)光纤和渐变(梯 度)光纤两大类，见图6-3。
图6-3 光纤的种类和光的传播 （a）阶跃型多模光纤（SI光纤） （b）度型多模光纤（GI光纤） （c） 单模光纤（SM光纤）
上述光纤是很脆的，还不能付诸实际应用。要使它具有实 用性，还必须使它具有一定的强度和柔性，采用图6-2(b)所示 的三层芯线结构。在光纤的外面是一次被覆层，主要目的是 防止玻璃光纤的玻璃表面受损伤，井保持光纤的强度。因此， 在选用材料和制造技术上，必须防止光纤产生微弯或受损伤。
通常采用连续挤压法把热可塑硅树脂被覆在光纤外而制成， 此层的厚度约为100~150μm，在一次被覆层之外是缓冲层， 外径为400μm，目的在于防止光纤因一次被覆层不均匀或受 侧压力作用而产生微弯，带来额外损耗。因此，必须用缓冲 效果良好的低杨氏系数材料作缓冲层，为了保护一次被覆层 和缓冲层，在缓冲层之外加上二次被覆层。二次被覆层材料 的杨氏系数应比一次被覆层的大，而且要求具有小的温度系 数，常采用尼龙，这一层外径常为0.9mm。
阶跃型多模光纤和单模光纤的区别仅在于，后者的芯径和折 射率差都比前者小。设计时，适当地选取这两个参数，以使得 光纤中只能传播最低模式的光，这就构成了单模光纤。阶跃型 多模光纤和单模光纤的折射率分布都是突变的，纤芯折射率均 匀分布具有恒定值nl，而包层折射率则为稍小于n1的常数n2，n (r)可表示为：
然而，多组分玻璃光纤因其材料难以提纯，以及此类玻璃的 均匀性差，而使光纤的最低损耗仍相当大，约为4dB／km。近 20年，各种各样的光纤层出不穷，除了通信用多模、单模光纤 外，近年来又出现各种结构不同高双折射偏振保持光纤、单偏 振光纤，以及各种光纤传感器用的功能光纤、塑料光纤等。光 纤的最初应用是制作医用内窥镜，但其大量地应用仍在通信方 面，现在已成为通讯的重要网络。许多国家建造了光纤通信系 统，横跨大西洋、太平洋的海底光缆已投入使用，使全世界进 入信息时代。
光纤材料
20世纪60年代发现了激光，这是人们期待已久的信号载体。要 实现光通讯，还必须有光元件、组件及信号加工技术和光信号的 传输介质。 1966年英国标准电信实验室(STL)的中国科学家高锟 (K．C．Kao)发表论文，论证了把光纤的光学损耗降低到20dB／ km以下的可能性（当时光纤的传输损耗约为1000dB／km），预 测光纤通讯的未来，被誉为光纤通讯的先驱。 1970年，美国康宁 玻璃公司拉制出世界第一根低损耗光纤，这是一根高二氧化硅玻 璃光纤，长数百米，损耗低于20dB／km(降低为1966年光纤损耗 的1/50)。十多年后，高二氧化硅玻璃光纤的损耗又降低了两个数 量级，约为0.2dB／km，几乎达到了材料的本征光学损耗。
人工晶体
偏硼酸钡 BBO晶体
BBO晶片
LBO四硼酸锂晶体
适于用作声表面波器件和体波器件的温度补偿型基片材 料，特别是甚高频和超高频器件。
BTO钛酸钡晶体
钛酸钡晶体光折变晶体在光的全息存储、光通讯、图象处理、激光器频率锁定、光 学神经网络以及干涉仪方面有着很大的应用潜力。
红外材料
可怕的红外镜片
6.1.1 光纤构成及分类
光纤是用高透明电介质材料制成的非常细(外径约为125~200 μm)的低损耗导光纤维，它不仅具有束缚和传输从红外到可见 光区域内的光的功能，而且也具有传感功能。一般通信用光纤 的横截面的结构如图6-2所示。
图6-2 光纤横截面结构示意图 （a）光纤 （b）三层结构心线
光纤本身由纤芯和包层构成，见图6-2(a)，纤芯是由高透明 固体材料(如高二氧化硅玻璃，多组分玻璃、塑料等)制成，纤 芯的外面是包层，用折射率较低(相对于纤芯材料而言)的有损 耗(每公里几百分贝)的石英玻璃、多组分玻璃或塑料制成。这 样就构成了能导光的玻璃纤维—光纤，光纤的导光能力取决 于纤芯和包层的性质。
第六章 光学材料
激光原理 受激吸收、自发辐射和受激辐射
激光晶体
Ruby
Nd:YAG
Nd:YLF
Nd:YVO4
Nd:LSB Nd:Glass
ห้องสมุดไป่ตู้
激光炮
激光炮原理
人工晶体
陈创天
发明了被誉为“中国牌晶体”的非线性光学晶体 BBO、LBO。其中BBO晶体获1986年度中科院科技进 步特等奖，LBO晶体获1990年度中科院发明壹等奖， 1991年度国家发明壹等奖。BBO、LBO晶体还分别于 1987、1989年获美国光电子产业界颁发的十大光电子 产品奖。陈创天本人也先后获得1987年度第3世界科学 院化学奖，1990年激光集锦（Laser Focus World）杂志 颁发的工业技术成就奖
拿一般家用电器的红外线遥控器对着相机镜头按
下遥控器按键,同时从相机的LCD 或EVF看是否可见 明亮光点,如果遥控器上的红外灯的光点明显可见那 就是好消息了。
光纤材料
《光频率的 介质纤维表 面波导》
光纤之父 高锟
以玻璃制造一条比头 发 还 要 纤 幼 的 光 纤， 代 替 体积庞大的千百万条铜 线， 作 为 传 送 容 量 几 近 无 限 的 信 息 传 送 管 道。
图6-1为为光纤通讯过程示意图。
图6-1 光纤通讯过程示意图
光纤通讯发展如此之快的原因是由于它具有一些优点，如 传输损耗低，频带宽；小的尺寸和弯曲半径及重量轻等，使 它在飞机、轮船、拥挤的城市地下管道的应用都具有优越性。 由于是介电波导，可以避免许多问题，如辐射干涉等。因为 光纤损耗恒定，所以可以很容易满足系统高参量传输的需要， 特别是对传送声、数据和图象信号。另外，光纤不只是作为 通讯载体介质，还可以作为传感器材料，在各学科领域都得 到应用。有人估计飞机上的测试设备及自动驾驶系统都可实 现光控过程，以减轻重量、小型化，并使信息传递保密性更 好，比电控更具优越性。