光电基础知识培训经典

,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,光电基础知识培训经典,2,课程安排,几何光学,波动光学,光纤通讯基础,光学材料,反射,折射,全反射,干涉,衍射,偏振,光纤,激光器,光无源器件,光学玻璃,光学晶体,光学塑料,3,光,-,Light,，,是我们最熟悉的现象之一，,没有光，人类就无法生存。,万物生长靠太阳！,地球上的主要能源都是直接或间接来自太阳能！,4,生活中，大自然中有关光的现象无处不在,佛光,彩虹,海市蜃楼,日晕,5,光学的应用领域越来越广泛,显微镜,激光制导,潜望镜,红外雷达,哈勃太空望远镜,光纤通讯,6,光学的发展历史,萌芽时期 （前,5,世纪,-15,世纪末 ）,几何光学时期 （,16,世纪初,-18,世纪末）,波动光学时期 （,19,世纪初,-19,世纪末）,现代光学时期 （,20,世纪,60,年代起,-,）,量子光学时期 （,19,世纪末,-20,世纪初）,7,光又是什么？,什么是光？,Light is color,!,Light is energy!,Light is wave?,Light is particle ?,8,光的简单认识,光是一种重要的自然现象，我们之所以能够看到客观世界中班驳陆离，瞬息万变的景象，就是因为眼睛接收到了物体发射，反射或散射的光。,光是一种波，同时也是一种粒子，也就是说既可以把光看成光波，也可以将光看作是由光子组成的粒子流,光具有波粒二象性,光是一种电磁现象，也就是说光是一种波长较短的电磁波,9,电磁波谱,（,electromagnetic wave spectrum,）,实验证明,光同无线电波、,X,射线、,射线一样都是电磁波,，仅是它们的频率不同而已，电磁波的波长,、频率,和传播速度,三者之间的关系为：,因为各种频率的电磁波在真空中的传播速度,相等，所以频率,不同的电磁波，它们的波长,也就不同。频率高的波长短，频率低的波长长。,-,按电磁波的波长（或频率）大小的顺序把它们排列成谱,速度,=,波长,频率,10,由,无线电波,、,红外线,、,可见光,、,紫外线,、,伦琴射线,（,X,射线）,、,射线,合起来构成范围非常广阔的电磁波谱,在电磁波中，能被眼睛看到的，,只是一个很窄的波段，通常叫做可见光，在可见光 范围内不同波长的光引起不同的颜色感觉。,（,400-760nm,）,11,不同的电磁波,产生的机理不同,：,无线电波,红外线、可见光、紫外线,X,射线,射线,是振荡电路中,自由电子,的周期性的运动产生的,是原子的,外层电子,受到激发后产生的,是原子的,内层电子,受到激发后产生的,是,原子核,受到激发后产生的,12,无线电波,波长范围,特性,应用,波长大于,1mm,传播过程中波动性明显,无线电技术,13,红外线,波长范围,特性,760,nm,10,6,nm,热效应,应用,加热物体、红外摄影、探测物体、红外遥感技术等,红外侦察,14,可见光,波长范围,特性,应用,400,nm,760,nm,能作用于眼睛并引起视觉,照明、摄影等,15,红,橙,黄,绿,青,蓝,紫,可见光光谱,可见光波长与颜色的对应关系如下,7600,6300,6000,5700,5000,4500,4300,4000,单位：埃,16,紫外线,波长范围,5,nm,400,nm,特性,荧光效应、化学作用、杀菌消毒,应用,感光技术、医用消毒等,紫外线杀菌灯,紫外光皮肤病治疗仪,17,X,射线和,射线,波长范围,X,射线：,10,-12,m,10,-9,m,射线：小于,10,-12,m,特性,穿透力很强,应用,检查金属部件，医学透视等,医学透视,CT,机,18,太阳辐射,举例：,阳光含有：,无线电波、红外线、可见光、紫外线、,x,射线、,射线,太阳辐射的能量集中在,可见光、红外线、紫外线,三个区域,阳光中波长在,-7,m,的,黄绿光,附近，辐射的能量最强，这区域恰好是人眼最敏感,19,光是一种波长较短的电磁波：,400nm,760nm,任何波长的电磁波在真空中的传播速度都是相同的：,C = 310,8,m/s,光的颜色是,由电磁波的频率决定,的,不同频率的色光在真空中波速相同，在介质中波速不同同一色光在不同介质中，频率（颜色）不变，波长和波速都要改变在同一介质中，频率越高，波速越小,单位换算：,1m =10,3,mm=10,6,m=10,9,nm=10,10,（埃）,小 结,光具有,波粒二象性,：光具有粒子性，这种粒子称做,“,光量子,”,，简称,“,光子,”,20,几何光学,21,几何光学,采用光的直线传播概念，研究光传播的基本规律和光通过光学系统成像的原理和应用,按照近代物理学的观点，光具有波粒二象性，那么如果只考虑光的粒子性，把光源发出的光抽象成一条条光线，然后按此来研究光学系统成像。,内容,光的直线传播定律,光的独立传播定律,光的反射和折射定律,22,1.1,几何光学基本定律,（一）光的直线传播定律：,光在均匀媒质里沿直线传播,在点光源的照射下，在不透明,的物体背后出现清晰的影子，影子,的形状与光源为中心发出的直线所,构成的几何投影形状一致,物体的影子,光只有在均匀媒质里沿直线传播，在非均匀媒质中光线将因折射而弯曲,23,在一个暗箱的前壁上开一小孔，,由物体上各点发出的光线将沿直线,通过小孔，在暗箱的后壁上形成一,倒立的像,小孔成像,注意：光线只在均匀媒质中沿直线传播，,在非均匀媒质中光线将因折射而弯曲,日食形成过程,24,（二）光的独立传播定律,不同的光源发出的光线在空间某点相遇时，,彼此互不影响,。在光线的相会点上，光的强度是各光束的简单叠加，离开交会点后，各个光束,按原方向传播,。,局限性：没有考虑光的波动性质,25,（三）光的反射和折射定律,斯涅耳折射定律,n,1,sin = n,2,sin ,这可是重点啊！,光的反射、折射定律：,反射线与折射线都在入射面内,反射角等于入射角，,=,折射角与入射角正弦之比与入射角无关，是一个与媒质和光的波长有关的常数,26,n1,n2,入射线,反射线,折射线, -,入射角, -,反射角, -,折射角,物质的折射率,n=c/v,-,描述介质中光速减慢程度的物理量,注意：几何光学三定律是近似的，它只有在空间障碍物以及反射和折射界面的尺寸远大于光的波长时成立,利用三定律来设计光学仪器,法线,27,（四）全反射现象,全反射现象的定义：,光线入射到两种介质的分界面时，通常都会发生折射和反射，但在一定条件下，入射到介质上的光会全部反射回原来的介质中，而没有折射光产生，这种现象称为,光的全反射现象,发生全反射的条件可归结为：,、光线从光密介质射向光疏介质,、入射角大于临界角,重点,28,C.,全反射现象的产生过程：,a,、一般情况下,斯涅耳折射定律,n,1,sin = n,2,sin ,b,、,n1,n2,c,、,n1,n2,应用到的,公式,入射光在两种均匀介质的分界面产生折射和反射,入射角,折射角,入射角,折射角,29,=90,n,1,sin = n,2,sin,全反射条件：,n1,n2 sin,sin ,当,=90,时，此时的,称为临界角,当入射角,大于临界角时发生全反射现象,n1,n2,就这么,简单！,分析,30,D.,两个全反射原理应用的例子：,、,全反射棱镜,i,、改变光线传播方向,ii,、在光学仪器中，代替平面反射镜，减少反射时的光能损失,等腰直角三角棱镜,、光学纤维,光纤线传输光信号,光线,纤芯和包层,涂覆层,31,1.2,反射棱镜、折射棱镜、透镜,反射棱镜,简单棱镜,屋脊棱镜,复合棱镜,角锥棱镜,A,：,反射棱镜,-,将一个或多个反射面磨制在同一块玻璃上的光学元件,32,B,：,折射棱镜,-,是通过两个折射面对光线的折射进行工作的，两折射面的交线称为折射棱,应用：棱镜光谱仪，研究光谱,棱镜的色散,利用棱镜对不同波长的光有不同的折射率这一性质,33,C,：,透镜,-,由两个折射面包围一种透明介质（如玻璃）所形成的光学零件,34,光路图,35,实物图片,36,光的三原色,由右,图,可知，,颜,料,三原色,加在一起可,变,成黑色,。,顏料三原色混合：,洋,红,+,青,=,蓝,青,+,黃,=,绿,红,+,洋,红,=,红,洋,红,+,青,+,蓝,=,黑,红,、,绿,、,蓝,能够匹配所有颜色的三种颜色称为三原色,37,波动光学,38,波动光学,以光的波动性为基础，研究光的传播及其规律,以波动理论研究,光的传播,及光与物质相互作用的光学分支,内容,干涉,衍射,偏振,39,40,41,电磁波,：随时间变化的电场在周围空间产生一个涡旋的磁场，随时间变化的磁场在周围空间产生一个涡旋的电场，它们互相激发，交替产生，在空间形成统一的场,电磁场，交变电磁场在空间以一定的速度由近及远的传播，就形成了电磁波,电磁波最主要的性质之一就是能够传输能量，电磁波的传播过程伴随着能量在空间的传递,光波既然是电磁波，它的传播过程就是能量传递的过程，而光源发光实际上是物体不断向外辐射电磁波的过程,42,电磁波在真空中的传播速度为,310,8,m/s,振动,：,物体在一定的位置附近来回重复的运动,波动是振动的传播过程，振动是产生波动的根源,波动最基本的形式有两种：,横波和纵波,水面波是横波，声波是纵波，电磁波也是一种横波,43,横波,：,振动方向和传播方向垂直的波,举例,：,将一根绳子一端固定，呈水平状，手握绳子另一端做上下振动，凹凸传播,图：绳子形成的横波,纵波,：,振动方向和传播方向相同的波,举例,：,用手迅速而有节奏的推压弹簧的另一端，可以看到弹簧上有的部分疏，有的部分密，疏密相间，沿着弹簧向前传播,图：弹簧形成的纵波,机械振动的传播过程形成机械波，电磁振动（电磁振荡）的传播过程形成电磁波,横波和纵波演示,44,光的电磁理论,A:,光是某一波段的电磁波,在真空中电磁波的传播速度是,= 2.9979410,8,m/s 310,8,m/s,E,H,45,C,:,可见光的波长范围和频率范围。（真空中）,B:,折射率,连接光学和电磁学的桥梁。, 390760nm,7.510,14,4.110,14,Hz,红外,紫外,D,:,光波是横波（振向和传向垂直）,实验证明：对人眼视觉和感光仪器起作用的主要是光的振动部分，,所以，一般用电振动矢量来代表光的振动。,光在不同介质中，光速不同，但频率不 变，所以波长变，,波长一般指真空中的波长。,46,光波的干涉,干涉：,在两个（或多个）光波叠加的区域，某些点的振动始终加强，另一些点的振动始终减弱，形成在该区域内稳定的光强强弱分布的现象称为,光的干涉现象,干涉现象：,对于光波来说，干涉现象往往表现成亮暗相间的条纹，干涉现象的显著程度可用干涉条纹的,反衬度,来描述：,=,（,I,M,-,I,m,)/ (,I,M,-,I,m,),01,其中,I,M,和,I,m,分别是干涉场中光强的极大和极下值,两束波形成干的,条件：,频率相同,振动方向相同,相位差恒定,重点,47,杨氏双缝干涉,(1801,年,),S,o,缝屏,缝屏,接收屏,暗条纹,以中央明纹为对称的,明暗相间的干涉条纹,S,1,S,2,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,48,D,相邻两条明（暗）纹的间距：,49,迈克耳孙干涉仪,光路图,法布里,-,泊罗干涉仪,的结构和光路,两种常用的干涉仪介绍,50,干涉的应用,等厚条纹,待测工件,平晶,测表面不平度,1:,测波长：,已知,、,n,，,测,L,可得,2:,测折射率：,已知,、,，,测,L,可得,n,3:,测细小直径、厚度、微小变化,牛顿环,1,：测透镜球面的半径,R,2,：测波长,3,：检验透镜球表面质量,51,光波的衍射,衍射现象,：,当波遇到障碍物时，它将偏离直线传播，这种现象叫做,波的衍射,52,一切波都能发生衍射，通过衍射把能量传到阴影区域，能够发生明显衍射的条件是,障碍物或孔的尺寸跟波长差不多,取一个不透光的屏，在它的中间装上一个宽度可以调节的狭缝，用平行的单色光照射，在缝后适当距离处放一个像屏,激光束,像屏,调节狭,缝宽窄,光的衍射,53,光的衍射,衍射装置实物图,54,1,、中央亮纹宽而亮,2,、两侧条纹具有对称性，亮纹较窄、较暗,单缝衍射条纹的特征,光的衍射,55,A,B,S,1,、 孔较大时,屏上出现清晰的光斑,2,、 孔较小时,屏上出现衍射花样,光的衍射,56,光的横波性与五种偏振态,光的干涉和衍射现象表明光是一种波动,光的偏振表明光的横波性,光波是电磁波，电磁波中起光作用,的是电场矢量,(,光矢量,),偏振态：,光矢量的振动状态,五种偏振态：,自然光，线偏振光,部分偏振光,椭圆偏振光,圆偏振光,57,1,、自然光,在垂直于光传播方向的平面内，沿各个方向都有光振动，且各个方向光矢量的振幅相等的光,58,2,、线偏振光,光矢量只沿一个固定方向振动的光,(,又称平面偏振光,),振动面,光矢量,59,3,、部分偏振光,在垂直于光传播方向的平面内，各方向都有光振动，但振幅不等的光,60,4,、,圆偏振光和椭圆偏振光,在垂直于光的传播方向的平面内，光矢量以一定的频率旋转。矢量端点轨迹为椭圆时称其为,椭圆偏振光,，轨迹为圆时称其为,圆偏振光,61,偏振片：,吸收某方向光振动，而与其垂直方向,的光振动能通过的装置,偏振化方向：,能通过光振动的方向,偏振片,偏振化,方向,62,63,取一根软绳，一端固定在墙上，手持另一端上下抖动，就在软绳上形成一列横波,.,现在，让软绳穿过一块带有狭缝的木板，如果狭缝与振动方向平行，则振动可以通过狭缝传到木板的另一侧（图甲）如果狭缝与振动方向垂直，则振动就被狭缝挡住而不能向前传播（图乙）,如果将这根绳换成细软的弹簧，前后推动弹簧形成纵波，则无论狭缝怎样放置，弹簧上的纵波都可以通过狭缝传播到木板的另一侧（如下图）,设计实验，证明光是一种横波,64,偏振片,发光体,以,光波,代替,机械波,以,偏振片,代替,木板狭缝,65,当只有一块偏振片时，以光的传播方向为轴旋转偏振片，透射光的强度不变,当两块偏振片的透振方向平行时，透射光的强度最大，但是，比通过一块偏振片时要弱,当两块偏振片的透振方向垂直时，透射光的强度最弱，几乎为零,.,所以说：光波是一种横波,66,反射和折射时光的偏振,自然光在两各向同性媒介分界面上反射和折射时，,反、折射光均成为,部分偏振光,特点：,反射光垂直入射面的振动较强，折射光反之,67,产生偏振光的方法之一,-,布儒斯特角,1812,年,布儒斯特发现，当入射角为某特定值时，反射光为振动方向垂直于入射面的线偏振光，而,折射光仍然是部分偏振光,，但此时偏振化程度最高,此时有,布儒斯特角,此时的,i,0,为,-,布儒斯特角,68,偏振现象的实际应用,制成偏光眼镜，可观看立体电影,若在所有汽车前窗玻璃和大灯前都装上与地面,45,角、且向同一方向倾斜的偏振片，可以避免,汽车会车时灯光的晃眼,69,在拍摄玻璃窗内的物体时，去掉反射光,的干扰,未装偏振片,装偏振片,70,光纤通讯基础,71,光纤通讯：,光纤通信是以光波为载波，以光纤（光导纤维）为传输媒体，将信号从某一点传送到另一点的通信方式。,光纤通讯的基本物质要素,光纤、光源、光检测器,72,光通讯发展简史,2000,多年前,烽火台,灯光、旗语、手势, 1880,年,光电话,无线光通信, 1970,年,光纤通信,73,实现光通讯的关键点是什么？,第一、,可靠的光源，,相干性好,第二、,合适的传播介质，,损耗低，可靠性高,74,1960 Maiman,：红宝石,激光器,1962 GaAs,二极管激光器：脉冲方式，,77K.,1966,高锟、,Hockham,及,Werts,：,石英光纤的损耗可以减小到适合作为传输介质,1970,两大重要突破,康宁公司：,单模光纤，损耗,20dB/km,，传输介质的阈值,贝尔实验室：,室温连续,AlGaAs,半导体激光器,波长,850nm,寿命几分钟数小时,结构：,GaAs,材料上外延生长双异质结,AlGaAs,历,史,75,第一代：,多模光纤,系统,第二代：,多模光纤,系统,第三代：,单模光纤,系统,第四代：,单模光纤,系统,三个过渡：,短波长,长波长,多模光纤,单模光纤,AlGaAs/GaAsInGaAsP/InP,三项新技术,:,波分复用,(WDM),相干通信,光电子集成,(OEIC),历,史,76,电话、摄象机、计算机、电视,编码、调制、发射机,信息源,传输介质,信息终端,接收机、解调、解码,光纤、双绞线、自由空间,发送单元,接收单元,光通信系统介绍,77,通信容量大,中继距离长,不受电磁干扰,资源丰富,光纤重量轻、体积小,光纤通讯的优点,78,光是一种电磁波,可见光,400nm,760nm,光纤通信所用的波长,近红外波段,800,1600nm,（,0.8m-1.6m),光的反射、折射,全反射,1,cm 1mm 100um 10um 1um 100nm 10nm 1nm ,波長,10,G 100G 1T 10T 100T 1015 1016 1017 f (Hz),1.6,um 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1.0um 900 800 700 600nm,光通信使用范围,红外线,紫外线,79,纤芯,包层,涂覆层,纤芯,Core:,折射率较高，用来传送光,包层,Cladding:,折射率较低，与纤芯一起形成全反 射条件；,涂覆层,Jacket:,强度大，能承受较大冲击，保护光纤，增强光纤的柔韧性。,光纤的结构,单模光纤,80,3MM,光缆,3mm OUTER JACKET,125 MICRON CLADDING (SILICA),50/62.5 MICRON CORE (SILICA),MULTIMODE,SINGLEMODE,ARAMID STRENGTH,MEMBERS (Kevlar),900 MICRON,BUFFER JACKET,250 MICRON COATING,9 MICRON CORE (SILICA),81,ITU-T,将单模光纤传输系统的低衰减工作波段,1260,1675nm,细分的,6,个波段,波段名称,含义,波长,/nm,放大技术,O,波段,原始波段,1260,1360,掺镨光纤、半导体、拉曼,E,波段,扩展波段,1360,1460,拉曼,S,波段,短波段,1460,1530,掺铥光纤,C,波段,常用波段,1530,1565,掺铒光纤、半导体、拉曼,L,波段,长波段,1565,1625,掺饵光纤,U,波段,超长波段,1625,1675,82,短工作波长：,850nm,长工作波长：,1310nm,、,1550nm,光纤的分类,-,按工作波长,光纤的分类,-,按材料分类,石英系光纤：,高纯度的,SiO2,掺适量杂质，光纤 损耗最低、强度和可靠性最高，应用最广泛,塑料包层光纤：,纤芯是石英，包层是硅树脂,全塑光纤：,纤芯和包层均由塑料制成，其损耗较大，可靠性也不高,83,单模（,Single-Mode,）：,长距离、大容量光纤通讯系统,多模（,Multi-Mode,）：,中距离、中容量的光纤通讯系统,Core,Cladding,Coating,光纤的分类,-,按模式分类,84,阶跃折射率分布光纤,（阶跃光纤,Step-Index Fiber，SIF,）,渐变折射率分布光纤,（渐变光纤,Graded-Index Fiber，GIF,）,光纤的分类,-,按折射率分类,85,光纤的折射率分布,86,按照,ITU-T,关于光纤类型的建议，可以将光纤分为,光纤,(渐变型多模光纤)、,光纤,(常规单模光纤)、,光纤,(色散位移光纤)、,光纤,(截止波长光纤)和,(,非零色散位移光纤),光纤,。,按套塑(二次涂覆层)可以将光纤分为,松套光纤,和,紧套光纤,。,现在实用的石英光纤通常有以下三种：,阶跃型多模光纤,、,渐变型多模光纤,和,阶跃型单模光纤。,光纤的分类,-,按,ITU-T,分类,87,光电子器件类型（通信）,有源,激光器,光放大器,探测器,光调制器,波长转换器,光隔离器,光耦合器,光滤波器,光开关,光衰减器,色散补偿器,偏振控制器,偏振模补偿器,无源,88,光纤和光缆,-,实物,89,光源：发光二极管（,LED,）,激光二极管（,LD,）,光电检测器：,PIN,光电管、,PIN-FET,组件,雪崩光电二极管（,APD,）,光纤放大器（,EDFA,）,调制器,有源光器件,90,激光的亮度很高，把激光聚起来，可以产生几千万度的高温，它可以溶解最难融化的金属；,一根普通的电话线，只能同三路电话；一条微波线路，可通十万路电话；而一条激光通讯线路，可以同一亿路电话；,激光在传输过程中始终像一条笔直的线，一束激光射出,20,公里远，光斑只有茶杯口那么大。,激光简述,91,历史回顾,1917,年，爱因斯坦就预言了受激辐射的存在,1957,年，我国第一所光学专业研究所长春光机所建立,1958,年，美国物理学家肖洛、汤斯发表激光原理论文,1960,年，迈曼制成了世界上第一台红宝石激光器，标志着激光技 术的诞生,1963,年，我国第一台半导体激光器研制成功,1964,年，我国第一所激光技术的专业研究所上海光机所成立,1966,年，我国第一台,YAG,激光器研制成功,92,水分子模型,:H,2,O,一个水分子是由一个氧原子和两个氢原子构成的,分子是由原子构成的,激光的产生过程,-,预备知识,1911,年卢瑟福提出原子核模型原子是由带正电的原子核和核外作轨道运动的电子组成,原子是化学变化中的最小粒子,93,激光的基本原理,物质是由一些同类微粒组成，（即原子，分子，离子）,原子可以处于不同的运动状态，具有不同的内部能量。,这些能量在数值上是断续的。,通常把原子所可能具有的能量，按其高低画出，这就是所谓的能级图。,基态：原子处于内部能量最低的状态，称次原子处于,基态,。,激发态：其它比基态能量高的状态，都叫做,激发态,建立模型,粒子二能级分布图,E1,E2,能量少，低能级,能量多，高能级,94,光与物质作用的三种情况,自发辐射,E2,E1,辐射出的光子能量,h,21,满足玻尔条件：,E2-E1= h,21,在没有外界作用情况下，原子从高能态向低能态跃迁，释放的能量以光辐射的形式放出,95,受激吸收,E2,E1,当原子系统受到外来的能量为,h21,的光子照射时，如果,h21=E2-E1,，则处于低能态,E1,上的原子受到激发，跃迁到高能态,E2,上去，同时吸收一个能量为,h21,的光子,96,受激辐射,受激辐射过程产生的光简称,激光,当原子受到外来能量为,h21,的光子照射时，若,h21=E2-E1,，则处于高能态,E2,上的原子也会受到外来的能量为,h21,的光子的诱发，而从高能态,E2,跃迁到低能态,E1,上去，这时原子将发射一个和外来光子能量相同的光子,97,外来光子量越多，受激发的粒子数越多，产生的光子越大，能量越高,受激辐射是与受激吸收相反的过程，放出的光子与外来光子频率、传播方向、相位及偏振等完全一样，光辐射能量增大一倍,98,光放大过程：光的受激辐射光的受激吸收,光的受激放大,实现原子系统的粒子数反转分布,是使光的受激辐射从次要位置转化为主导地位的必要条件，它也是形成激光的必要条件,E1,E2,若一物质，处于高能级上的原子数密度大于处于低能级上的原子数密度，则该物质处于,“,粒子数反转分布,”,状态，这时的介质称为,激活介质,或,增益介质,99,形成激光的两个条件：,必须利用激励能源，使工作物质内部的一中粒子在某些能级间实现粒子数反转分布,满足阈值条件,G,（,）,G,（,）：,单位长度的增益,：,单位长度上的损耗,100,工作物质,激励源（泵浦系统）,光学谐振腔,激光器的三部分组成,101,根据工作物质：,固体激光器：,红宝石激光器、钕玻璃激光器、,YAG,激光器,气体激光器：,氦,-,氖激光器、二氧化碳激光器、氩离子激光器,半导体激光器：,砷化镓半导体激光器,染料激光器：,若丹明,6G,染料激光器,根据激励方式：,光激励激光器、电激励、热激励等,根据运转方式：,连续运转激光器和脉冲运转激光器,激光器的分类,102,常用的固体工作物质,红宝石：,Cr,3+,:AI,2,O,3,激活离子为三价铬离子，基质是刚玉晶体,Nd,3+,:YAG,掺钕钇石榴石,激活离子为三价铬离子，基质是,YAG,晶体,钕玻璃：,光学玻璃中掺入适量的,Nd,2,O,3,103,LD,泵浦固体激光器,LD,直接端面泵浦,104,示意图,高相干性的激光束产生,105,激光的特性,激光的应用,单色性好,方向性好,相干性好,能量集中,激光切割,激光焊接,激光打孔,激光医疗,光信息处理和激光通讯,激光在受控核聚变中的应用,106,激光切割,激光的实际应用,激光打孔,激光武器,激光医疗,激光焊接,激光通信,107,光放大器,-EDFA,108,光无源器件,109,光纤头：,Pigtail,水平型,Pigtail,垂直型,Pigtail,110,保偏光纤线：,Polarization-maintaining optical fiber,111,光纤准直器,准直器的基本结构是有由一个光纤头加一个耦合透镜组成,基本的参数要求：插损、回损、工作距离等,112,光纤准直器,113,连接器,connector,114,各种跳线散件,115,光纤跳线,FC-FC,多模光纤跳线,LC-LC,多模光纤跳线,SC-SC,多模光纤跳线,ST-ST,单模光纤跳线,LC-LC,单模光纤跳线,SC-SC,单模光纤跳线,光纤连接器,(,又称跳线,),：,是指光线两端都装上连接器插头，用来实现光路活动连接；,单模光纤连接器：,连接头连接类型有,FC,、,SC,、,ST,，端面接触方式有,PC,、,UPC,、,APC,型,；,116,常用连接器类型,FC Type,SC Type,SC2 Type,FDD Type,117,连接头端面类型,Ferrule + Flange,Insertion Loss(,插入损耗,) 40dB SPC45dB,UPC50dB APC60dB,118,隔离器,偏振相关型,的典型结构是两个偏振器加一个旋转片,119,隔离器,120,无源光耦合器件（,Coupler),：,能使传输中的光信号在特殊结构的耦合区发生耦合，并进行再分配的器件,分类,：,-,从功能上看：,光功率分配器（,Splitter),光波长分配（合,/,分波）耦合器（,WDM Coupler),-,从端口形式上：,X,型（,22,）耦合器、,Y,型（,12,）耦合器、,星型（,NN,，,N,2,）耦合器、树型（,1 N,，,N,2,）耦合器,-,从工作带宽的角度：,单工作窗口窄带耦合器（,Standard Coupler),单工作窗口宽带耦合器（,Wavelength Flattened Coupler),双工作窗口宽带耦合器（,Wavelength Independent Coupler),-,从传导模式上分：,多模耦合器,单模耦合器,121,PLC Splitter,Dual Window 1N Spliter,Coupler,122,光波分复用器：,-,对光波波长进行分离与合成的光无源器件,波分复用是光纤通讯中的一种传输技术，它利用了一根光纤可以同时传输多个不同波长的光载波的特点，把光纤可能应用的波长范围划分成若干个波段，每个波段用做一个独立的通道传输一种预定波长的光信号,通常将波分复用缩写为,WDM,（,Wavelength Division Multiplexing),按照通道间隔的差异，,WDM,可以分为：,W-WDM,（,Wide-WDM ):,通道间隔等于或者大于,25nm,M-WDM (Mid-WDM):,通道间隔小于,25nm,而大于,D-WDM (Dense-WDM):,通道间隔小于或等于,123,把不同波长的光信号复用到一根光纤中进行传送,(,如每个波承载一种,TDM,电信号）的方式统称为波分复用。,WDM,：波长间隔比较大，在不同传输窗口（比如：,1310nm,、,1550nm,）,DWDM,：波长密集，同一传输窗口（比如,1550nm,）,CWDM,：粗波分复用，同一传输窗口内波长间隔大（比如,1550nm,）,什么是波分复用？,双纤双向：一根光纤传送一个方向的信号，系统使用两根光纤,单纤双向：一根光纤传送两个方向的信号，系统使用一根光纤,124,什么是波分复用？,125,OTU,OUT,WPA,1,n,合,波,器,OTU,OTU,1,n,WBA,波长转换,合波器,光放大,分波器,分,波,器,OSC,OSC,OSC,波长转换器（,O T U,）,的功能是完成光信号到固定波长光的转换。,DWDM,的功能模块,合波器和分波器,完成固定波长光信号的合波和分波。,光放大器,包括,BA,、,PA,、,LA,。,BA,是功放，通过提升合波后的光信号功率，从而提升各,波长的输出光功率；,PA,是预放，通过提升输入合波信号的光功率，从而提升,各波长的接收灵敏度；,LA,是线放，完成对合波信号的纯光中继放大处理。,OSC,（光监控信道）,通常采用,1310nm,和,1510nm,，负责整个网络的监控数据传送。,126,合波分波器件,IN,i,OUT,IN,OUT,i,合波,分波,合波,/(,分波,),器件是将不同波长的光信号合在一起,/(,按波长分开,),的器件，是,DWDM,系统最核心器件，这是光层的最基本复用合解复用。故分波,/,合波器件,也经常被叫做光复用,/(,光解复用,),器件,这里的“分”、“合”是相对波长,/,频率而言的，不是针对光功率而言。,127,特点：成本低，技术成熟，插损大,插损理论计算方法：,插损级数,3dB,输入端口编号与波长无关,（对波长不敏感）,对相邻波长隔离作用低,耦合型合波器件,in,out,128,1,4,滤波器,滤波器,自聚焦棒透镜,玻璃,设计上可以实现结构稳定的小型化器件，信号同带平坦，且与极化无关，插入损耗小，通路间隔度好。,但通路数不会很多。,多层介质膜复用解复用器件,129,膜片型波分复用器,光波分复用器是对波长进行分离与合成的无源器件。,WDM,的原理很简单，利用镀膜片，将需要的波长挑选出来。,130,3,端口,8-Channel DWDM Modules,4 Channel DWDM,16-Channel DWDM Modules,131,Interleaver,技术,：,是一种可把一列频率间隔为,f,的光信号分为两列频率间隔为,2f,的光信号，分别从两个信道输出的光滤波技术，称其中一个信道为奇信道，另外一个为偶信道。也称为,光学梳状滤波。,50GHZ Interleaver,的工作示意图,132,间隔为,50GHz,，,80,路的,DWDM,器件,Interleaver,50GHz,100GHz,140 WDM,100GHz,140 WDM,50GHz 180 DWDM,器件,133,什么是,Interleaver,134,应用介绍,Interleaver,主要和其他器件一起构成,WDM,系统，用于数据等的传输。,135,光学材料,薄膜光学,136,光学玻璃,-,应用最广泛的光学材料，属于无机物，是高分子的凝聚态物质,;,不论化学成分和固化温度范围如何，一切由熔体过冷却所得的无定形体，由于粘度逐渐增加而具有的固体的机械性质的，均称之为玻璃；而且有液态变为玻璃态的过程应当是可逆的,光学晶体,-,是有规则排列结构的固体,光学塑料,-,属于有机物，是有机高分子化合物,光学材料有三大类,137,:,光学玻璃的分类,：无色光学玻璃：,分为冕牌和火石两大类，各以,K,和,F,表示,：有色光学玻璃：,1,、硒镉着色玻璃,-,可以得到黄色（,JB,）、橙色（,CB,）、红色（,HB,）玻璃,2,、离子着色的选择性吸收玻璃,3,、离子着色的中性玻璃,：特种光学玻璃,1,、光学石英玻璃（熔石英）,2,、红外光学玻璃,3,、耐辐射光学玻璃,4,、防辐射光学玻璃,5,、微晶玻璃,-,玻璃的物质性质，如折射率、热膨胀系数，,不因测量方向的不同而不同,138,、光学晶体的分类,-,具有格子结构的固体，物质的性质随测量方向的不同而不同,晶族,晶系,特征,轴单位,轴角,低级晶族,三斜,a,0,b,0, c,0,0,0,0,90,单斜,a,0, b,0, c,0,0,=,0,=,90,，,0,90,正交,a,0, b,0, c,0,0,=,0,=,0,=,90,中级晶族,四方,a,0,=b,0, c,0,0,=,0,=,0,=,90,六方,a,0,=b,0, c,0,0,=,0,= 90,，,0,=,120,三方,a,0,=b,0,=c,0,0,=,0,=,0,90,高级晶族,立方,a,0,=b,0,=c,0,0,=,0,=,0,=,90,三大晶族七大晶系,139,光学晶体的分类,：紫外、红外晶体,-,利用晶体透紫外、红外的性能，制造红外、紫外透光窗、分光棱镜,：偏振晶体,-,利用晶体的双折射性能制造偏振零件,：闪烁晶体,-,某些碱卤化合物的光学晶体中引入杂质激活剂，能将看不见的核子射线转为可见光,：窗口材料,-,是指用于探测仪、红外光学仪器、人造卫星、导弹、宇宙飞船上的窗口式穹面罩材料,：激光晶体,-,人工合成晶体，把激活离子个别掺入到适当的结晶母体中，包含基质晶体和激活离子,：非线性晶体,-,用以解决激光应用中的光调制、偏转、和变频等问题，大体分为电光晶体、声光晶体、,变频晶体,140,晶体的几个重要的物理性质,1,、解理性,2,、硬度：常用莫氏硬度，指甲可划的为，小刀能刻画的为，锉刀为,67,，锉刀都不能的为,89,，石英晶体为,7,，天然金刚石为,9,3,、溶解度,4,、双折射：高级晶族没有，中级有，会将一束光分为,2,束，为寻常光和非寻常光，相应的折射率用,n,o,和,n,e,表示,5,、旋光性,141,晶体,双折射现象,象,折射现,双,折射现,o,光,e,光,方解石晶体,CaCO,3,纸面,双折射现象,返回,结束,143,双折射现象,当一束自然光穿过方解石等晶体时，分成两条折射光的现象称为,双折射现象,。,白纸上涂一个黑点，将方解石放在纸上，可观察到两个黑点，旋转方解石，一个黑点不动，另一个黑点旋转。,这两条光线都是偏振光。,144,光的双折射现象,双,折 射,双 折,双 折,方解石晶体,o,光,e,光,寻常光,(,o,光,),：,遵守折射定律,非常光,(,e,光,),：,不遵守折射定律,145,当方解石晶体旋转时，,o,光不动，,e,光围绕,o,光旋转,146,光轴：,光线在晶体中沿某一方向传播时不发生双折射现象，这一方向称为晶体的光轴,只有一个光轴,(,如方解石、石英,),的晶体为,单轴晶体,；有两个光轴,(,如云母、硫磺,),的晶体为,双轴晶体,重要概念,147,主截面：,光轴和晶体表面法线组成的平面,主平面：,某一光线,(,o,光或,e,光,),与光轴组成的平面,光轴,法线,o,光,e,光,148,光轴,法线,光轴,o,光,光轴,e,光,主截面,o,光主平,面,e,光主平,面,一般情况下，,e,光不一定在入射面内，,o,光和,e,光的主平面并不重合,149,、光学塑料的分类,-,主要成分是树脂，具有稳定而优良的光学性能,-,树脂可以分为天然树脂和合成树脂，合成树脂又可以分为热塑性塑料和热固性塑料,-,优点：成型方便，产品成本低、耐冲击强度高,-,缺点：折射率温度梯度大，热膨胀系数大，易变形，不耐有机溶剂,相机镜头,菲涅尔红外透镜,150,典型膜系介绍,增透膜（,减反射膜,）,分光膜,分为分束膜和分色膜，后者是按颜色（波长）不同进行分光）,反射膜,滤光片,特殊膜系,膜系,151,光学薄膜的类型与符号,1.,减反膜,2.,滤光膜,3,保护膜,4,内反射,5,外反射,6,高反膜,7,分束膜,8,分色膜,9,偏振膜,10,导电膜,152,晶体介绍举例,153,纯的钒酸钇（,YVO,4,）,晶体：,优秀的双折射光学晶体,应用,：,在光纤通讯设备中，就需要大量的由纯,YVO4,晶体制造的各种分光、偏光元件，如光隔离器、环形器、光分束器、及格兰系列偏光器等,154,掺钕钒酸钇（,Nd:YVO4,）晶体：,是一种性能优良的激光晶体,应用,：,与,LBO,BBO,KTP,等高非线性系数的晶体配合使用，能够达到较好的倍频转换效率，可以制成输出近红外、绿色、蓝色到紫外线等类型的全固态激光器，钒酸钇激光器已在机械、材料加工、波谱学、晶片检验、显示器、医学检测、激光印刷、数据存储等多个领域应用,155,掺钕钇铝石榴石,(Nd:YAG),：,近年内最重要、应用最广泛的固态激光器工作物质,应用,：,它可以用于二极管泵浦全固态微小型激光器中,得到的红、绿、蓝色高质量的连续激光输出，大量用于军事、科研、医疗及工业激光器中，如高性能激光仪器， 激光治疗仪、美容仪，激光打标机、打孔机等激光加工机械中,156,磷酸钛氧钾晶体,(KTP Crystal ),：,一种优良的非线性（,NLO,）晶体,应用,：,可用于制作倍频、混频、电光调制、光参量振荡和光波导等元器件，在商业和军用激光里被广泛使用，包括实验室和医学系统，射程探测器，激光雷达，光通信和工业激光系统等等,157,CASIX,产品,A,展厅,窗片,Windows,透镜,Lenses,五角棱镜,Penta Prisms,Filters,DPM Crystals,Laser Optics,Beamsplitters,158,CASIX,产品,B,展厅,KTP Crystal,BBO Crystal,LiNbO,3,Crystal,Nd:YVO4,YVO4,C-Lens,159,CASIX,产品,C,展厅,Pigtail,SC Jumper,FC Jumper,LC Connector,Interleaver,Isolator,Collimator,160,THE END,THANKS,The End,谢谢您的聆听！,期待您的指正！,