第八章 透光和導光材料

1、光功能材料基本知識光功能材料基本知識 光是一種電磁波，光是一種電磁波， 各種電磁波的能量、各種電磁波的能量、 波長和頻率見左圖。波長和頻率見左圖。 材料的光學性材料的光學性 能是指材料對電磁能是指材料對電磁 波輻射、特別是對波輻射、特別是對 可見光的反應，主可見光的反應，主 要是用要是用材料對電磁材料對電磁 波的吸收、反射和波的吸收、反射和 透射特性來衡量透射特性來衡量。 一、材料的光學性能 光功能材料基本知識光功能材料基本知識 當一束強度為當一束強度為I0的光入射到玻璃的光入射到玻璃 中時，在材料的表面會發(fā)生光的反中時，在材料的表面會發(fā)生光的反 射，另外光也會透過玻璃，常常透射，另外光也會透

2、過玻璃，常常透 過的光的強度小于入射強度，這往過的光的強度小于入射強度，這往 往是由于玻璃會吸收一部分光。往是由于玻璃會吸收一部分光。 光的入射、反射、透射、吸收光的入射、反射、透射、吸收 和強度關(guān)系：和強度關(guān)系：I0 IR+ IT+ IA 透射率透射率T：T= IT / I0 吸收率吸收率A：A= IA / I0 反射率反射率R：R= IR / I0 一、材料的光學性能 T+A+R=1 透射率、吸收率和反射透射率、吸收率和反射 率的大小不僅率的大小不僅與材料有與材料有 關(guān)關(guān)，還，還與光波的波長有與光波的波長有 關(guān)關(guān)。 光功能材料基本知識光功能材料基本知識 根據(jù)透射率、吸收率和反射率之間根據(jù)透

3、射率、吸收率和反射率之間 的相對大小，材料可分為：的相對大小，材料可分為： 光透明的光透明的(transparent)材料：材料：A、R 很小，可見光幾乎可以全部透過。很小，可見光幾乎可以全部透過。 光半透明的光半透明的(translucent)材料：可見材料：可見 光穿透比較困難。光穿透比較困難。 光不透明的光不透明的(opaque)材料：不能透過材料：不能透過 可見光。可見光。 光的折射光的折射 折射率和相對折射率折射率和相對折射率 折射率與材料和入射光的頻率有關(guān)。折射率與材料和入射光的頻率有關(guān)。 一、材料的光學性能 光功能材料基本知識光功能材料基本知識 固體材料的透射、吸收和反射等光學性

4、能的本質(zhì)涉及固體材料的透射、吸收和反射等光學性能的本質(zhì)涉及 電磁波與材料中原子、離子或電子的相互作用電磁波與材料中原子、離子或電子的相互作用，最重要的，最重要的 二點是二點是電子極化電子極化和和電子的能量轉(zhuǎn)換電子的能量轉(zhuǎn)換。 1、電子極化、電子極化 二、材料光學性能的本質(zhì) 電子極化影響介電常數(shù)，折射率與介電電子極化影響介電常數(shù)，折射率與介電 常數(shù)有關(guān)，反射率與反射界面二側(cè)介質(zhì)常數(shù)有關(guān)，反射率與反射界面二側(cè)介質(zhì) 的折射率有關(guān)，所以電子極化對光學性的折射率有關(guān)，所以電子極化對光學性 能有很大影響。能有很大影響。 2、光子與電子的能量轉(zhuǎn)換、光子與電子的能量轉(zhuǎn)換 光具有波動和微粒二重性，當考慮光與光具

5、有波動和微粒二重性，當考慮光與 電子之間的能量轉(zhuǎn)換時，光當成粒子，電子之間的能量轉(zhuǎn)換時，光當成粒子， 稱為光子。稱為光子。 光功能材料基本知識光功能材料基本知識 二、材料光學性能的本質(zhì) 2、光子與電子的能量轉(zhuǎn)換、光子與電子的能量轉(zhuǎn)換 光子是最早發(fā)現(xiàn)的構(gòu)成物質(zhì)光子是最早發(fā)現(xiàn)的構(gòu)成物質(zhì) 的基本粒子之一。的基本粒子之一。 光子所具有的能量不是連續(xù)光子所具有的能量不是連續(xù) 的，與頻率的，與頻率v有關(guān)，光子能量有關(guān)，光子能量 E=hv。當電子與光子間發(fā)生能量。當電子與光子間發(fā)生能量 轉(zhuǎn)換時，或是吸收一個光子的能轉(zhuǎn)換時，或是吸收一個光子的能 量，或是發(fā)射出一個光子，而不量，或是發(fā)射出一個光子，而不 能只交

6、換一部分光子的能量。能只交換一部分光子的能量。 光功能材料基本知識光功能材料基本知識 二、材料光學性能的本質(zhì) 2、光子與電子的能量轉(zhuǎn)換、光子與電子的能量轉(zhuǎn)換 對于電子來說，從光子處吸收的對于電子來說，從光子處吸收的 能量或給光子的能量也不是任意的，能量或給光子的能量也不是任意的， 而是要剛好等于材料中電子可能存在而是要剛好等于材料中電子可能存在 的能級的能量差。的能級的能量差。 電子和光子彼此間能量交換的這電子和光子彼此間能量交換的這 種種“苛刻苛刻”條件，導致不同的材料具條件，導致不同的材料具 有完全不同的光學性能。有完全不同的光學性能。 當光子的能量給了電子，當光子的能量給了電子，光被材光

7、被材 料吸收料吸收；當受光激發(fā)的電子回落到低；當受光激發(fā)的電子回落到低 能級放出光子，能級放出光子，光被材料反射光被材料反射。 第八章第八章 透光和導光材料透光和導光材料 透光材料透光材料包括透可見包括透可見 光光( (波長波長0.390.390.760.76m)m)、 紅外光紅外光 ( (波長波長1 110001000m )m ) 和 紫 外 光和 紫 外 光 ( ( 波 長波 長 0 . 0 10 . 0 1 0.40.4m)m)的材料。的材料。 一、透光材料的特征值一、透光材料的特征值 1. 1. 透射率透射率 T T 透射率透射率T T為透射光強為透射光強I IT T 與與入入射光強射

8、光強I I0 0 之比之比T=IT=IT T/I/I0 0， 也稱透光率。也稱透光率。 8.1 透光材料 入射光強Io，射入介質(zhì)的 光強為(1-R)Io，反射掉部 分光強為IoR。 第八章第八章 透光和導光材料透光和導光材料 一、透光材料的特征值一、透光材料的特征值 1. 透射率透射率 T 射入介質(zhì)的光在穿過介質(zhì)射入介質(zhì)的光在穿過介質(zhì) 時被吸收一部分后，達到介質(zhì)另時被吸收一部分后，達到介質(zhì)另 一面的光強為一面的光強為: Io(1-R)e-al 又被反射回介質(zhì)內(nèi)的光強為又被反射回介質(zhì)內(nèi)的光強為: IoR(1-R) e-al 最后透射出介質(zhì)的光強最后透射出介質(zhì)的光強: IT Io(1-R)2e-a

9、l 8.1 透光材料 透射率T為: T=(1-R)2e-al 吸收系數(shù)；l介質(zhì)長度。 一般取介質(zhì)長度為1Omm的值 作為標準。 第八章第八章 透光和導光材料透光和導光材料 一、透光材料的特征值一、透光材料的特征值 2. 2. 光密度光密度 D D 8.1 透光材料 )1lg(2 434.0 )1lg(2lg )1( 1 lg 1 lg 2 RD Dal Real eR D T D r r al 3. 內(nèi)透射率內(nèi)透射率 內(nèi)透射率內(nèi)透射率所表示光線所表示光線 在透過介質(zhì)時在透過介質(zhì)時，只考慮吸收只考慮吸收 不考慮反射的特征值。不考慮反射的特征值。 Dr反射修正值。反射修正值。 光密度的物理意義光密

10、度的物理意義：吸收吸收 (0.434l)和反射和反射(Dr)兩部分損兩部分損 失之和。失之和。 2 0 0 )1( )1( )1( R T e RI eRI l l 吸收系數(shù)越大時吸收系數(shù)越大時， 值就越小值就越小，材料的透光性材料的透光性 能就不好。能就不好。 第八章第八章 透光和導光材料透光和導光材料 一、透光材料的特征值一、透光材料的特征值 4. 4. 平均色散系數(shù)平均色散系數(shù)D D 透光材料中光學玻璃通常透光材料中光學玻璃通常 按折射率按折射率n nD D和平均色散系數(shù)和平均色散系數(shù) D D兩個光學常數(shù)進行分類。兩個光學常數(shù)進行分類。 平均色散系數(shù)的表示為平均色散系數(shù)的表示為: : 8

11、.1 透光材料 CF D D nn n 1 D D平均色散系數(shù)平均色散系數(shù)，也稱也稱 阿貝數(shù)阿貝數(shù)；（數(shù)值越小色散現(xiàn)象；（數(shù)值越小色散現(xiàn)象 越厲害）越厲害） n n F F 材 料 對 標 準 譜 線材 料 對 標 準 譜 線 F(F(=4861.3) =4861.3) 的折射率的折射率； n n C C 材 料 對 標 準 譜 線材 料 對 標 準 譜 線 C(C(=6562.7) =6562.7) 的折射率的折射率； n n D D 材 料 對 標 準 譜 線材 料 對 標 準 譜 線 D(D(=5892.9) =5892.9) 的折射率。的折射率。 n nF F-n-nC C平均色散平均

12、色散，也稱中也稱中 部色散。部色散。 對于玻璃對于玻璃，D D5050稱冕玻稱冕玻 璃璃，D D50 50 稱火石玻璃稱火石玻璃。 第八章第八章 透光和導光材料透光和導光材料 二、透光材料的種類二、透光材料的種類 透可見光的材料常用的有透可見光的材料常用的有玻璃玻璃和和高聚物高聚物兩大類。兩大類。 玻璃材料的玻璃材料的優(yōu)點：優(yōu)點：透射率最高透射率最高(可高達可高達98以上以上)， 折射率范圍大折射率范圍大(1.441.94)，色散系數(shù)范圍大色散系數(shù)范圍大(D= 2090) 光學穩(wěn)定性好，耐磨損。光學穩(wěn)定性好，耐磨損。 玻璃材料的缺點玻璃材料的缺點：密度大密度大(2.276.26g/cm3)，耐

13、沖擊耐沖擊 強度低，加工困難，制造周期長。強度低，加工困難，制造周期長。 目前目前，玻璃仍是制造各種光學元件特別是高、精光玻璃仍是制造各種光學元件特別是高、精光 學元件的最主要的材料。學元件的最主要的材料。 8.1 透光材料 第八章第八章 透光和導光材料透光和導光材料 二、透光材料的種類二、透光材料的種類 高聚物材料高聚物材料：另一類透光材料，發(fā)展較快，主要有另一類透光材料，發(fā)展較快，主要有 聚甲基丙烯酸甲聚甲基丙烯酸甲酯酯、聚苯乙烯、聚碳酸、聚苯乙烯、聚碳酸酯酯、苯乙烯丙烯、苯乙烯丙烯 腈腈共聚體、聚甲基異戍二烯、透明聚共聚體、聚甲基異戍二烯、透明聚酰胺酰胺等。等。 高聚物材料材料的透射率已

14、達到高聚物材料材料的透射率已達到90左右左右，有的原有的原 來透射率不太高的樹脂如來透射率不太高的樹脂如PVC也已經(jīng)制出透射率達到也已經(jīng)制出透射率達到90 的產(chǎn)品。的產(chǎn)品。 不僅已用于眼鏡和低檔照相機上，而且已逐步應用不僅已用于眼鏡和低檔照相機上，而且已逐步應用 于顯微鏡、天文望遠鏡、夜視儀、制導系統(tǒng)、測距機等于顯微鏡、天文望遠鏡、夜視儀、制導系統(tǒng)、測距機等 各種中高檔光學儀器上。各種中高檔光學儀器上。 8.1 透光材料 第八章第八章 透光和導光材料透光和導光材料 二、透光材料的種類二、透光材料的種類 高聚物透光材料的優(yōu)點高聚物透光材料的優(yōu)點： 重量輕重量輕(密度為密度為0.831.46g/c

15、m3)、成本低、制造工藝成本低、制造工藝 簡單、不易破碎，可用來制作各種透鏡、棱鏡、非球面鏡、簡單、不易破碎，可用來制作各種透鏡、棱鏡、非球面鏡、 反射鏡等各種光學元件。反射鏡等各種光學元件。 透光高聚物透光高聚物的的缺點缺點： 折射率范圍窄，熱脹系數(shù)折射率范圍窄，熱脹系數(shù)、雙折射和色散大雙折射和色散大，耐熱、耐熱、 耐磨、硬度、耐濕和抗化學性能差。耐磨、硬度、耐濕和抗化學性能差。 8.1 透光材料 第八章第八章 透光和導光材料透光和導光材料 二、透光材料的種類二、透光材料的種類 （一）（一）透光透光高高聚物聚物的的新品種新品種 1. 1. 高折射率高聚物透光材料高折射率高聚物透光材料 (1)

16、(1)溴溴取代芳香族聚合物取代芳香族聚合物 (2) (2)含重金屬的單體聚合物含重金屬的單體聚合物 (3) (3)含苯環(huán)的單體含苯環(huán)的單體 (4) (4)含硫的聚合物含硫的聚合物 (5) (5)含磷聚合物含磷聚合物 高折射率的聚合物高折射率的聚合物，特別是密度較低特別是密度較低 的，其色散往往較大。的，其色散往往較大。 8.1 透光材料 2. 2. 低折射率高聚物低折射率高聚物 透光材料透光材料 含氟的透光聚合物含氟的透光聚合物 折射率是透光高聚物中折射率是透光高聚物中 最低的，且具有良好的最低的，且具有良好的 色散性、耐熱性和耐腐色散性、耐熱性和耐腐 蝕性。蝕性。 第八章第八章 透光和導光材

17、料透光和導光材料 二、透光材料的種類二、透光材料的種類 3. 低雙折射透光高聚物低雙折射透光高聚物 透光高聚物的雙折射來源于高聚物加工成形時的取向透光高聚物的雙折射來源于高聚物加工成形時的取向 所產(chǎn)生的折射率各向異性。所產(chǎn)生的折射率各向異性。 4. 耐熱的透光高聚物耐熱的透光高聚物 在透光聚合物分子中引在透光聚合物分子中引入入耐熱單體、大的側(cè)基和提高耐熱單體、大的側(cè)基和提高 交聯(lián)度都可以提高其耐熱性交聯(lián)度都可以提高其耐熱性。 5. 硬度高的透光高聚物硬度高的透光高聚物 提高透光高聚物的硬度的主要方法是提高交聯(lián)度。交提高透光高聚物的硬度的主要方法是提高交聯(lián)度。交 聯(lián)型含有氨基甲酸聯(lián)型含有氨基甲酸

18、酯酯官能團樹脂的鉛筆硬度可達官能團樹脂的鉛筆硬度可達 5H9H。 但交聯(lián)太高但交聯(lián)太高，剛性也增大剛性也增大。 8.1 透光材料 第八章第八章 透光和導光材料透光和導光材料 二、透光材料的種類二、透光材料的種類 6. 高吸水率透光高聚物高吸水率透光高聚物 隨著隱形眼鏡等接觸透鏡的實用化，要求高吸水率透隨著隱形眼鏡等接觸透鏡的實用化，要求高吸水率透 光聚合物。常用單體光聚合物。常用單體MMAMMA、HEMAHEMA、乙烯基乙烯基吡吡咯咯烷酮烷酮等等。如聚如聚 N-N-乙烯基乙烯基吡吡咯咯烷酮烷酮- -MMA-VAE-EMAMMA-VAE-EMA的吸水率達的吸水率達8787。 （二）（二）透光透光

19、玻璃的玻璃的新品種新品種 1. 透紫外玻璃透紫外玻璃 透紫外玻璃仍是應用最普遍的透紫外光學材料，包括透紫外玻璃仍是應用最普遍的透紫外光學材料，包括 有光學石英玻璃、透紫外黑色玻璃有光學石英玻璃、透紫外黑色玻璃、鈉鈉鈣硅透短波紫外玻鈣硅透短波紫外玻 璃以及璃以及鈉鈉鈣透紫外玻璃等。鈣透紫外玻璃等。 8.1 透光材料 第八章第八章 透光和導光材料透光和導光材料 二、透光材料的種類二、透光材料的種類 （二）（二）透光透光玻璃的玻璃的新品種新品種 1. 透紫外玻璃透紫外玻璃 光學石英玻璃是透紫外線最好的材料光學石英玻璃是透紫外線最好的材料，它在紫外波段它在紫外波段 有很好的透過性能。有很好的透過性能。

20、紫外透過限紫外透過限180nm180nm。 透紫外黑色玻璃對透紫外黑色玻璃對400400700700nm nm 的可見光是不透明的，的可見光是不透明的， 對對300300400400nm nm 的紫外光有很高的透射率，國外稱這種玻璃的紫外光有很高的透射率，國外稱這種玻璃 為為伍德氏玻璃伍德氏玻璃。 鈉鈉鈣硅透短波紫外玻璃能透過鈣硅透短波紫外玻璃能透過254254nmnm的短波紫外線，是的短波紫外線，是 制作熱陰極低壓制作熱陰極低壓汞汞燈的理想管壁材料。燈的理想管壁材料。 鈉鈉鈣透紫外玻璃允許透過鈣透紫外玻璃允許透過2802803535OnmOnm以上的中波紫外以上的中波紫外 線，不能透過線，不

21、能透過2828OnmOnm以下的對人體有害的短波紫外線。以下的對人體有害的短波紫外線。 8.1 透光材料 第八章第八章 透光和導光材料透光和導光材料 二、透光材料的種類二、透光材料的種類 （二）（二）透光透光玻璃的玻璃的新品種新品種 1. 透紫外玻璃透紫外玻璃 除此之外，許多堿鹵化合物除此之外，許多堿鹵化合物晶體晶體和堿土和堿土-鹵化物晶體在紫鹵化物晶體在紫 外區(qū)域外區(qū)域也有較好的透過性能也有較好的透過性能，但由于這些晶體的物理化學，但由于這些晶體的物理化學，性性 能大多不如光學石英玻璃穩(wěn)定能大多不如光學石英玻璃穩(wěn)定，制備工藝也比較復雜制備工藝也比較復雜，真正能真正能 夠在紫外光譜分析儀上代替

22、光學石英作分光棱鏡的晶體材料為夠在紫外光譜分析儀上代替光學石英作分光棱鏡的晶體材料為 數(shù)很少。數(shù)很少。 2. 水合水合玻璃玻璃和梯度折射率光學材料和梯度折射率光學材料 在透光材料的開發(fā)研究中，值得提出的是水合玻璃和梯度在透光材料的開發(fā)研究中，值得提出的是水合玻璃和梯度 折射率光學材料。折射率光學材料。 8.1 透光材料 第八章第八章 透光和導光材料透光和導光材料 二、透光材料的種類二、透光材料的種類 （二）（二）透光透光玻璃的玻璃的新品種新品種 2. 水合水合玻璃玻璃和梯度折射和梯度折射 率光學材料率光學材料 水合玻璃由于不易控制水合玻璃由于不易控制 其含水量尚未實際應用。其含水量尚未實際應用

23、。 梯度折射率光學材料可梯度折射率光學材料可 用玻璃、高分子和晶體制成。用玻璃、高分子和晶體制成。 材料的折射率可沿軸向、材料的折射率可沿軸向、 徑向、球向三個方向之一而徑向、球向三個方向之一而 變化。變化。 8.1 透光材料 為了提高透光材料的透射為了提高透光材料的透射 率率，往往在其表面涂上一層增往往在其表面涂上一層增 透膜。單層膜材料的折射率小透膜。單層膜材料的折射率小 于被涂材料。于被涂材料。 常用的材料有常用的材料有MgF2、 SiO3、Al2O3、Ti02、SiO2和有和有 機硅機硅(鈦鈦)化合物等，取決于鍍化合物等，取決于鍍 膜方法和膜的層數(shù)。膜方法和膜的層數(shù)。 鍍膜方法有鍍膜方

24、法有：真空蒸鍍、真空蒸鍍、 化學鍍、激光鍍和離子鍍。化學鍍、激光鍍和離子鍍。 膜層有膜層有：單、雙和三層單、雙和三層。 第八章第八章 透光和導光材料透光和導光材料 光纖材料光纖材料：光通信中用于傳播光信息的光學纖維所光通信中用于傳播光信息的光學纖維所 用的材料，又稱為光波導纖維材料。用的材料，又稱為光波導纖維材料。 光通訊可能是未來重要的通訊方式光通訊可能是未來重要的通訊方式，通訊用光纖材通訊用光纖材 料成為當今最引人注目的新型光傳輸材料，并得到了日料成為當今最引人注目的新型光傳輸材料，并得到了日 益廣泛的應用。益廣泛的應用。 8.2 光纖材料 一、光在光纖中傳輸?shù)幕驹硪?、光在光纖中傳輸?shù)?/p>

25、基本原理 1、全反射現(xiàn)象全反射現(xiàn)象 光的全內(nèi)反射現(xiàn)象光的全內(nèi)反射現(xiàn)象是一切光纖的是一切光纖的 工作基礎。工作基礎。 折射率折射率n1n2，入入射角射角1臨界臨界 角角0。 第八章第八章 透光和導光材料透光和導光材料 一、光在光纖中傳輸?shù)幕弧⒐庠诠饫w中傳輸?shù)幕?本原理本原理 2、光在光纖中傳播原理光在光纖中傳播原理 光學纖維中光的傳送是利光學纖維中光的傳送是利 用光的全反射原理。用光的全反射原理。 8.2 光纖材料 入入射光束以大于射光束以大于0的角度的角度 入入射到芯子與包層的界面上，射到芯子與包層的界面上， 光線在界面上發(fā)生全反射，在光線在界面上發(fā)生全反射，在 芯中以鋸齒狀路徑曲折前進，芯

26、中以鋸齒狀路徑曲折前進， 不會穿出包層，避免光在傳播不會穿出包層，避免光在傳播 時的折射損耗。時的折射損耗。 光纖材料按結(jié)構(gòu)光纖材料按結(jié)構(gòu)分類：分類： （1）包層型包層型：折射率在皮和折射率在皮和 芯界面上呈突躍變化芯界面上呈突躍變化。 （2）自聚焦型自聚焦型：折射率隨半折射率隨半 徑呈梯度指數(shù)變化徑呈梯度指數(shù)變化。 第八章第八章 透光和導光材料透光和導光材料 一、光在光纖中傳輸?shù)幕驹硪?、光在光纖中傳輸?shù)幕驹?3、傳輸模式傳輸模式 光在纖維中傳輸有一定的傳輸模式。光在纖維中傳輸有一定的傳輸模式。 （1）一種模式一種模式或或波型波型 具有一定頻率具有一定頻率、一定的偏振狀態(tài)和傳播方向的光

27、波。一定的偏振狀態(tài)和傳播方向的光波。 傳輸模式是光學纖維最基本的傳輸特性之一傳輸模式是光學纖維最基本的傳輸特性之一。 （2）光纖按傳輸）光纖按傳輸模式模式分類分類 單模光纖單模光纖：一種光學纖維只允許傳輸一個模式的光波一種光學纖維只允許傳輸一個模式的光波。 多模光纖多模光纖：一種光纖允許同時傳輸多個模式的光波。一種光纖允許同時傳輸多個模式的光波。 8.2 光纖材料 第八章第八章 透光和導光材料透光和導光材料 一、光在光纖中傳輸基本原理一、光在光纖中傳輸基本原理 4、子午光線和斜光線子午光線和斜光線 光學纖維具有均勻的芯子光學纖維具有均勻的芯子(半半 徑為徑為r，折射率為折射率為n1)和均勻的包

28、和均勻的包 層層(折射率為折射率為n2，n2n1)。 通過這種纖維的光線有子午通過這種纖維的光線有子午 光線和斜光線兩種。光線和斜光線兩種。 子午光線子午光線：在一個平面內(nèi)彎在一個平面內(nèi)彎 曲行進的光線曲行進的光線，在一個周期內(nèi)和在一個周期內(nèi)和 光學纖維的中心軸相交兩次光學纖維的中心軸相交兩次。 作為子午光線行進的條件作為子午光線行進的條件： 8.2 光纖材料 斜光線斜光線：不通過光學不通過光學 纖維的中心軸的光線。纖維的中心軸的光線。 2 2 2 10 sinnn 第八章第八章 透光和導光材料透光和導光材料 一、光在光纖中傳輸?shù)幕驹硪弧⒐庠诠饫w中傳輸?shù)幕驹?5 5、數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑N

29、A NA 光學纖維的數(shù)值孔徑光學纖維的數(shù)值孔徑NANA定義為定義為: : 8.2 光纖材料 2 2 2 1 nnNA 根據(jù)子午光線行進的條件根據(jù)子午光線行進的條件，NA NA 值越大，值越大，0 0可以越大，可以越大， 因而有較多的光線進因而有較多的光線進入入芯子。芯子。 但但NANA太大時太大時，對單模傳輸不利，因為它易激發(fā)光的高次對單模傳輸不利，因為它易激發(fā)光的高次 模傳播方式。模傳播方式。 第八章第八章 透光和導光材料透光和導光材料 二、光纖材料特征值二、光纖材料特征值 1、傳輸損耗傳輸損耗 Q 傳輸損耗指光在纖維中傳輸途中的損耗傳輸損耗指光在纖維中傳輸途中的損耗，表示表示為為： Q=1

30、0log(I2/I1) (dB/km) I1入入射光強射光強；I2出射光強出射光強；Q傳輸損耗傳輸損耗 (dB/km)。 |Q|越大越大，光信息傳播的距離就越短光信息傳播的距離就越短；|Q|越小越小，光信光信 息傳播的距離就越遠。息傳播的距離就越遠。 傳輸損耗傳輸損耗Q值是衡量光學纖維通信介質(zhì)質(zhì)量好壞的一值是衡量光學纖維通信介質(zhì)質(zhì)量好壞的一 個最重要的指標。個最重要的指標。 8.2 光纖材料 第八章第八章 透光和導光材料透光和導光材料 二、光纖材料特征值二、光纖材料特征值 1、傳輸損耗傳輸損耗 Q 形成光學纖維傳播損耗的機理有形成光學纖維傳播損耗的機理有吸收損耗、本征散射吸收損耗、本征散射 和

31、波導散射和波導散射三種。三種。 （1）吸收損耗吸收損耗 吸收損耗吸收損耗是一個重要的損耗，又可是一個重要的損耗，又可分本征吸收分本征吸收、雜質(zhì)雜質(zhì) 吸收和吸收和 OH- 離子吸收離子吸收。 本征吸收本征吸收：物質(zhì)的固有吸收，是組分原子振動產(chǎn)生的物質(zhì)的固有吸收，是組分原子振動產(chǎn)生的 吸收，位于吸收，位于 812m的紅外區(qū)域和一個紫外波段的紅外區(qū)域和一個紫外波段。 雜質(zhì)吸收：雜質(zhì)吸收：主要有主要有 Cu2+、V3+、Cs3+、Mn3+、Fe2+、 C02+ 和和 Ni2+ 等雜質(zhì)等雜質(zhì)，它的吸收峰位于可見和紅外區(qū)域它的吸收峰位于可見和紅外區(qū)域。 8.2 光纖材料 第八章第八章 透光和導光材料透光和

32、導光材料 二、光纖材料特征值二、光纖材料特征值 1、傳輸損耗傳輸損耗 Q （1）吸收損耗吸收損耗 OH OH- -離子吸收離子吸收：一種重要的雜質(zhì)吸收損耗。在熔融石一種重要的雜質(zhì)吸收損耗。在熔融石 英玻璃中英玻璃中，OHOH- -的吸收帶位于的吸收帶位于0.50.51.1.OmOm波段波段，OHOH- -的基本的基本 吸收峰位于吸收峰位于2.72.7mm附近。附近。 （2 2）本征散射本征散射 本征散射是物質(zhì)散射中最重要的本征散射是物質(zhì)散射中最重要的，又稱為瑞利散射又稱為瑞利散射。 由玻璃熔制過程造成的密度不均勻而產(chǎn)生的折射率不均勻由玻璃熔制過程造成的密度不均勻而產(chǎn)生的折射率不均勻 所引起的散

33、射所引起的散射，與波長的四次方成反比。這種損耗隨波長與波長的四次方成反比。這種損耗隨波長 的增加而很快減小。的增加而很快減小。 8.2 光纖材料 第八章第八章 透光和導光材料透光和導光材料 二、光纖材料特征值二、光纖材料特征值 1、傳輸損耗傳輸損耗 Q （2 2）本征散射本征散射 另外另外，摻雜不均勻摻雜不均勻( (如擴散不均勻如擴散不均勻) )也能引起散射也能引起散射，產(chǎn)產(chǎn) 生損耗。生損耗。 （3 3）波導散射波導散射 波導散射是由波導的結(jié)構(gòu)缺陷產(chǎn)生的，如波導芯的直波導散射是由波導的結(jié)構(gòu)缺陷產(chǎn)生的，如波導芯的直 徑有起伏，界面粗糙徑有起伏，界面粗糙，凹凸不平，就會引起傳導模的附加凹凸不平，就

34、會引起傳導模的附加 損耗，即波導散射損耗。損耗，即波導散射損耗。 8.2 光纖材料 第八章第八章 透光和導光材料透光和導光材料 二、光纖材料特征值二、光纖材料特征值 2 2、傳輸帶寬傳輸帶寬 傳輸帶寬是影響信息傳輸能力的一個重要因素。傳輸帶寬是影響信息傳輸能力的一個重要因素。 在光纖通信中在光纖通信中，以光脈沖方式進行傳輸，信息通過調(diào)以光脈沖方式進行傳輸，信息通過調(diào) 制方式加到光頻載波上制方式加到光頻載波上。 載波光按信息要求調(diào)制成一個光脈沖，光脈沖的調(diào)制載波光按信息要求調(diào)制成一個光脈沖，光脈沖的調(diào)制 頻率愈高，傳輸?shù)男畔⑷萘坑?。頻率愈高，傳輸?shù)男畔⑷萘坑蟆?影響傳輸帶寬影響傳輸帶寬的兩方

35、面主要因素：的兩方面主要因素： （1 1）光光脈波形沖脈波形沖畸變和展寬畸變和展寬 經(jīng)輸送的光脈沖經(jīng)輸送的光脈沖( (方波窄脈沖方波窄脈沖) )傳輸一段距離后發(fā)生畸傳輸一段距離后發(fā)生畸 變和展寬變和展寬( (成鐘形的方波脈沖成鐘形的方波脈沖) )，展寬的結(jié)果使光脈沖波型展寬的結(jié)果使光脈沖波型 重疊，結(jié)果分辨不出所攜帶的信息。重疊，結(jié)果分辨不出所攜帶的信息。 8.2 光纖材料 第八章第八章 透光和導光材料透光和導光材料 二、光纖材料特征值二、光纖材料特征值 2 2、傳輸帶寬傳輸帶寬 影響傳輸帶寬影響傳輸帶寬的兩方面主要因素：的兩方面主要因素： （1 1）光光脈波形沖脈波形沖畸變和展寬畸變和展寬

36、（2 2）色散）色散 光學纖維的傳輸帶寬受到材料色散、模式色散和構(gòu)造光學纖維的傳輸帶寬受到材料色散、模式色散和構(gòu)造 色散的限制色散的限制，不能無限制地增高光脈沖的調(diào)制頻率，提高不能無限制地增高光脈沖的調(diào)制頻率，提高 傳輸?shù)男畔⑷萘總鬏數(shù)男畔⑷萘俊?材料色散材料色散：介質(zhì)的折射率是波長的函數(shù)介質(zhì)的折射率是波長的函數(shù)，不同波長的不同波長的 光在介質(zhì)中的折射率不一樣光在介質(zhì)中的折射率不一樣。 模式色散模式色散：不同模式的光脈沖在光學纖維中傳播速度不同模式的光脈沖在光學纖維中傳播速度 不同所產(chǎn)生的傳輸時間差。不同所產(chǎn)生的傳輸時間差。 8.2 光纖材料 第八章第八章 透光和導光材料透光和導光材料 二、光

37、纖材料特征值二、光纖材料特征值 2 2、傳輸帶寬傳輸帶寬 影響傳輸帶寬影響傳輸帶寬的兩方面主要因素：的兩方面主要因素： （1 1）光光脈波形沖脈波形沖畸變和展寬畸變和展寬 （2 2）色散）色散 構(gòu)造色散構(gòu)造色散：由光纖結(jié)構(gòu)上的原因引起的光傳播速度的由光纖結(jié)構(gòu)上的原因引起的光傳播速度的 變化。變化。 在多模光纖中，限制傳輸帶寬主要因素是模式色散在多模光纖中，限制傳輸帶寬主要因素是模式色散。 在單模光纖中，影響傳輸帶寬主要因素是材料色散。在單模光纖中，影響傳輸帶寬主要因素是材料色散。 3 3、模式分布和數(shù)值孔徑模式分布和數(shù)值孔徑 8.2 光纖材料 第八章第八章 透光和導光材料透光和導光材料 三、光

38、纖材料的種類三、光纖材料的種類 光纖的種類很多光纖的種類很多，分類方法也，分類方法也 多種多樣多種多樣。 1 1、按芯和包層的折射率按芯和包層的折射率分類分類 按芯和包層的折射率分布可分按芯和包層的折射率分布可分 為為階躍型階躍型、梯度梯度( (漸變漸變) )型型、色散移色散移 位型位型和和色散平坦型色散平坦型。 （1 1）階躍型光纖階躍型光纖 階躍型光纖由折射率為階躍型光纖由折射率為n nl l的均的均 勻芯和折射率為勻芯和折射率為n n2 2n nl l的包層構(gòu)成，的包層構(gòu)成， 徑向折射率呈階躍型分布。徑向折射率呈階躍型分布。 8.2 光纖材料 第八章第八章 透光和導光材料透光和導光材料

39、三、光纖材料的種類三、光纖材料的種類 （2）梯度型光纖梯度型光纖 梯度型梯度型光纖的折射率從軸心光纖的折射率從軸心 沿徑向呈梯度減少沿徑向呈梯度減少，折射率分布折射率分布 一般呈拋物線一般呈拋物線。 （3）色散位移色散位移型型光纖光纖 色散位移光纖色散位移光纖型型是把零色散是把零色散 的波長位移到最低損耗窗口波長，的波長位移到最低損耗窗口波長， 如一般石英光纖零色散波長為如一般石英光纖零色散波長為 l.30 m，而最低損耗窗口卻為而最低損耗窗口卻為 1 . 5 5 m ， 此 時 損 耗 最 低 為此 時 損 耗 最 低 為 0 . 1 4 d B / k m ， 但 色 散 卻 達 到但 色

40、 散 卻 達 到 20ps/kmnm。 8.2 光纖材料 第八章第八章 透光和導光材料透光和導光材料 三、光纖材料的種類三、光纖材料的種類 （3）色散位移色散位移型型光纖光纖 如改變其折射率分布，作如改變其折射率分布，作成成 色散位移色散位移型型光纖光纖，零色散可移至零色散可移至 1 . 5 5 m 處處 ， 此 時 損 耗 仍 在此 時 損 耗 仍 在 0.17dB/km以下。以下。 （4）色散色散平坦型平坦型光纖光纖 色散平坦型光纖是使某個波色散平坦型光纖是使某個波 長范圍內(nèi)的色散都處于一個平坦長范圍內(nèi)的色散都處于一個平坦 的低值的低值。如色散平坦單模光纖的如色散平坦單模光纖的 幾種折射率

41、分布可使幾種折射率分布可使1.31.6m 波段的色散小于波段的色散小于2ps/kmnm。 8.2 光纖材料 第八章第八章 透光和導光材料透光和導光材料 三、光纖材料的種類三、光纖材料的種類 2、按傳輸模式按傳輸模式分類分類 按傳輸模式不同按傳輸模式不同，可分為可分為單模光纖和多模光纖單模光纖和多模光纖。 3、按光纖材料的組分按光纖材料的組分分類分類 按光纖材料的組分分可分為按光纖材料的組分分可分為石英光纖、多組分氧化物石英光纖、多組分氧化物 玻璃光纖、非氧化物玻璃光纖、晶體光纖和高聚物光纖玻璃光纖、非氧化物玻璃光纖、晶體光纖和高聚物光纖。 （1）石英光纖石英光纖 石英光纖是以石英光纖是以SiO

42、2 為主成分，添加為主成分，添加GeO2、P2O5、B2O3 等物質(zhì)制成的。目前等物質(zhì)制成的。目前，通信用光纖都是高通信用光纖都是高SiO2 玻璃光纖玻璃光纖。 這類材料主要優(yōu)點是損耗小于這類材料主要優(yōu)點是損耗小于0.5dB/km，傳輸距離可傳輸距離可 達達30公里，而且失真小。公里，而且失真小。 石英光纖是長距離光通信的主要材料。石英光纖是長距離光通信的主要材料。 8.2 光纖材料 第八章第八章 透光和導光材料透光和導光材料 三、光纖材料的種類三、光纖材料的種類 （2）多組分氧化物玻璃光纖多組分氧化物玻璃光纖 多組分氧化物玻璃光纖由多組分氧化物玻璃光纖由Na2O、B2O3、SiO2、 、Ca

43、O、 、 TiO2等成分組成。等成分組成。 這類材料熔點低這類材料熔點低，制作設備簡單制作設備簡單，可以制成幾十千米可以制成幾十千米 的長纖維的長纖維，因其損耗較大因其損耗較大(47dB/km)，通信上極少采用。通信上極少采用。 但此類光纖易做到大數(shù)值孔徑但此類光纖易做到大數(shù)值孔徑 (NA可達可達0.5)，比光源比光源 或光檢測器的或光檢測器的耦合耦合效率高，可用于對損耗要求不那么苛刻效率高，可用于對損耗要求不那么苛刻 的傳感器領(lǐng)域內(nèi)。的傳感器領(lǐng)域內(nèi)。 8.2 光纖材料 第八章第八章 透光和導光材料透光和導光材料 三、光纖材料的種類三、光纖材料的種類 （3）非氧化物玻璃光纖非氧化物玻璃光纖 非

44、氧化物玻璃光纖包括非氧化物玻璃光纖包括鹵化物玻璃光纖、硫族化合物鹵化物玻璃光纖、硫族化合物 玻璃光纖和硫鹵化合物玻璃光纖玻璃光纖和硫鹵化合物玻璃光纖。 非氧化物玻璃光纖所含的陰離子非氧化物玻璃光纖所含的陰離子，如如F-、Cl-、S2-和和 Se-2都比都比O2-原子量大，比氧化物玻璃光纖透紅外性能好，原子量大，比氧化物玻璃光纖透紅外性能好， 窗口波長長，理論損耗也小。窗口波長長，理論損耗也小。 非氧化物玻璃光纖組分和性能可調(diào)范圍大，制備工藝非氧化物玻璃光纖組分和性能可調(diào)范圍大，制備工藝 也不復雜。也不復雜。 8.2 光纖材料 第八章第八章 透光和導光材料透光和導光材料 三、光纖材料的種類三、光

45、纖材料的種類 （3）非氧化物玻璃光纖非氧化物玻璃光纖 鹵化物玻璃光纖鹵化物玻璃光纖目前可能實用的是氟化物玻璃光纖，目前可能實用的是氟化物玻璃光纖， 其中以氟其中以氟鋯鋯酸鹽玻璃光纖為代表，目前長度為酸鹽玻璃光纖為代表，目前長度為110m的此的此 類光纖的最低損耗為類光纖的最低損耗為0.65dB/km（2.59m)。 硫族化合物玻璃光纖硫族化合物玻璃光纖主要的是硫或主要的是硫或硒硒和和砷砷或或鎵鎵的化的化 合物系統(tǒng)。合物系統(tǒng)。 如如AsAs40 40S S6060的損耗 的損耗2.442.44m m波長時為波長時為3535dB/kmdB/km，而在而在 5.35.3m m波長時可達到波長時可達到

46、200200dB/kmdB/km，這類這類硫化物玻璃光纖在硫化物玻璃光纖在 波長為波長為1 16 6m m范圍內(nèi)損耗均較低。范圍內(nèi)損耗均較低。 8.2 光纖材料 第八章第八章 透光和導光材料透光和導光材料 三、光纖材料的種類三、光纖材料的種類 （3）非氧化物玻璃光纖非氧化物玻璃光纖 硫族化合物玻璃光纖硫族化合物玻璃光纖主要的是主要的是硫或硫或硒硒和和砷砷或或鎵鎵的化的化 合物系統(tǒng)合物系統(tǒng)。 硒硒化物透光范圍可以移到化物透光范圍可以移到9m，加人加人碲碲后后，可以移至可以移至 11m，如如Ge22Se20Te58玻璃光纖玻璃光纖10.6m處損耗約處損耗約1000 dB/km。 硫鹵化合物玻璃光纖

47、可分為二類硫鹵化合物玻璃光纖可分為二類：一類是原子量較低一類是原子量較低 的硫和氯為主要成分的硫和氯為主要成分；另一類是原子量較高的另一類是原子量較高的碲碲、硒硒、溴溴 和和碘碘為主要成分。為主要成分。 8.2 光纖材料 第八章第八章 透光和導光材料透光和導光材料 三、光纖材料的種類三、光纖材料的種類 （3）非氧化物玻璃光纖非氧化物玻璃光纖 硫鹵化合物玻璃光纖硫鹵化合物玻璃光纖有更好的透紅外性能，如有更好的透紅外性能，如 Te3Se4I3在在811m波段有較低的損耗，在波段有較低的損耗，在10.6m處損耗處損耗 已達已達4800dB/km，其其CO2激光抗損能力達激光抗損能力達40KW/cm2

48、。 非氧化物玻璃光纖非氧化物玻璃光纖的的紅外透光性好，在超遠距離通信、紅外透光性好，在超遠距離通信、 高功率激光傳輸、纖維激光器和光纖傳感器方面將有廣泛高功率激光傳輸、纖維激光器和光纖傳感器方面將有廣泛 的應用前景。的應用前景。 8.2 光纖材料 第八章第八章 透光和導光材料透光和導光材料 三、光纖材料的種類三、光纖材料的種類 （4）晶體光纖晶體光纖 晶體光纖是由晶體材料制成的，主要有晶體光纖是由晶體材料制成的，主要有YAG (Y3Al5O12) 系系、YAP(YAlO3)系系、Al2O3系系、LN(LiNb2O3)系系、 LBO(LiB3O5) 系系、BSO(Bi12SiO20)系和鹵化物系

49、等晶體光系和鹵化物系等晶體光 纖。纖。 晶體光纖主要優(yōu)點晶體光纖主要優(yōu)點：具有更寬的紅外波段窗口和其器具有更寬的紅外波段窗口和其器 件與普通光纖間的件與普通光纖間的耦合耦合性能好。性能好。 石英光纖的工作波段為石英光纖的工作波段為0.85m和和1.30m，目前達到目前達到 的損耗已接近其極限值，降低的空間已很小。的損耗已接近其極限值，降低的空間已很小。 8.2 光纖材料 第八章第八章 透光和導光材料透光和導光材料 三、光纖材料的種類三、光纖材料的種類 （4）晶體光纖晶體光纖 為了實現(xiàn)超遠距離通信，必須使光纖在更長波長的紅為了實現(xiàn)超遠距離通信，必須使光纖在更長波長的紅 外窗口波段工作外窗口波段工

50、作，這樣才能得到更低的損耗這樣才能得到更低的損耗。因此，研究因此，研究 紅外光纖已成為當今光纖研究的主要方向紅外光纖已成為當今光纖研究的主要方向。 非氧化物玻璃光纖和晶體光纖以及重金屬氧化物光纖非氧化物玻璃光纖和晶體光纖以及重金屬氧化物光纖 都屬于紅外光纖的類型都屬于紅外光纖的類型。 紅外光纖紅外光纖的最低理論損耗可達到的最低理論損耗可達到10-210-4dB/km。實實 際上目前尚未做到，其降低空間很大。際上目前尚未做到，其降低空間很大。 8.2 光纖材料 第八章第八章 透光和導光材料透光和導光材料 三、光纖材料的種類三、光纖材料的種類 （4）高聚物高聚物光纖光纖 高聚物光纖高聚物光纖一一般

51、是以較高折射率的高聚物透光材料為般是以較高折射率的高聚物透光材料為 芯材，以較低折射率的高聚物為皮層。芯材，以較低折射率的高聚物為皮層。 1 196964 4年美杜邦公司研制了商品名為年美杜邦公司研制了商品名為C Crorofonfon的的PMMAPMMA系光系光 纖纖，19841984年日三菱公司研制了年日三菱公司研制了EsEskaka E Extraxtra商品名的商品名的PMMA PMMA 和和 自系光纖，損耗為自系光纖，損耗為125125d dB/kmB/km( (567nm567nm) )。 以后日本電信電話公司又研制了損耗為以后日本電信電話公司又研制了損耗為55dB/km 55dB

52、/km (567nm)(567nm)，而氧化而氧化PMMAPMMA系光纖損耗可達系光纖損耗可達2020dB/km(68Onm)dB/km(68Onm)。 8.2 光纖材料 第八章第八章 透光和導光材料透光和導光材料 三、光纖材料的種類三、光纖材料的種類 （4）高聚物光纖高聚物光纖 高聚物光纖和石英光纖相比，損耗大，頻帶窄，但口徑高聚物光纖和石英光纖相比，損耗大，頻帶窄，但口徑 大，數(shù)值孔徑大，可撓性好，加工方便，價格低，易連接。大，數(shù)值孔徑大，可撓性好，加工方便，價格低，易連接。 在短距離傳輸時，有一定的優(yōu)勢。對于短距離傳輸如在短距離傳輸時，有一定的優(yōu)勢。對于短距離傳輸如 200m以下，目前高

53、聚物光纖損耗可滿足要求，但傳輸距離以下，目前高聚物光纖損耗可滿足要求，但傳輸距離 大于大于500m時，要求損耗要小于時，要求損耗要小于50dB/km，工業(yè)化生產(chǎn)的工業(yè)化生產(chǎn)的 PMMA光纖不易達到光纖不易達到，氘，氘化化PMMA光纖的傳輸距離可超過光纖的傳輸距離可超過 1km，但價格較貴。但價格較貴。 另外，另外，高聚物光纖的耐熱性和容量也必須提高。高聚物光纖的耐熱性和容量也必須提高。 8.2 光纖材料 第八章第八章 透光和導光材料透光和導光材料 三、光纖材料的種類三、光纖材料的種類 （4）高聚物光纖高聚物光纖 采用梯度折射率內(nèi)芯是提高其容量的一個主要方向采用梯度折射率內(nèi)芯是提高其容量的一個主要方向。 日本研制的梯度型高聚物光纖傳輸容量大，損耗為日本研制的梯度型高聚物光纖傳輸容量大，損耗為300 300 dB/kmdB/km。 PMMA PMMA光纖細化成光纖細化成5 51010m m粗粗，再集合幾百至幾萬根光再集合幾百至幾萬根光 纖組成光纖束纖組成光纖束，數(shù)值孔徑，數(shù)值孔徑NANA為為0.50.5，損耗為損耗為500500dB/kmdB/km，而而 傳輸容量可增大很多。傳輸容量可增大很多。 為適應不同用途的需要