第10章_光學(xué)材料

1、第第1010章章 光學(xué)材料光學(xué)材料光學(xué)材料是傳輸光線的材料，這些材料以光學(xué)材料是傳輸光線的材料，這些材料以折射、反射和透射的方式，改變光線的方折射、反射和透射的方式，改變光線的方向、強度和位相，使光線按預(yù)定要求和路向、強度和位相，使光線按預(yù)定要求和路徑傳輸，也可吸收或透過一定波長范圍的徑傳輸，也可吸收或透過一定波長范圍的光線而改變光線的光譜成分。光線而改變光線的光譜成分。10.1 激光材料激光材料10.1.1 激光的產(chǎn)生激光的產(chǎn)生 英文名：英文名：LASER(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) “鐳射鐳射”、“萊塞萊

2、塞” 中文名：中文名：1964年按照我國著名科學(xué)家錢學(xué)森建議將年按照我國著名科學(xué)家錢學(xué)森建議將“光受激光受激發(fā)射發(fā)射”改稱改稱“激光激光”。 世界上第一臺激光器的誕生，使激光技術(shù)成為一門新興科學(xué)世界上第一臺激光器的誕生，使激光技術(shù)成為一門新興科學(xué)發(fā)展起來，在光學(xué)發(fā)展史上翻開了嶄新的一頁。激光的出現(xiàn)發(fā)展起來，在光學(xué)發(fā)展史上翻開了嶄新的一頁。激光的出現(xiàn)極大地促進了光學(xué)材料的發(fā)展，目前已有數(shù)百種新型激光工極大地促進了光學(xué)材料的發(fā)展，目前已有數(shù)百種新型激光工作物質(zhì)。作物質(zhì)。 1.自發(fā)輻射與受激輻射自發(fā)輻射與受激輻射 材料中原子處于不同能量狀態(tài)，一個原子吸收外界能量后由低能材料中原子處于不同能量狀態(tài)，一

3、個原子吸收外界能量后由低能態(tài)躍遷到高能態(tài)的過程稱為態(tài)躍遷到高能態(tài)的過程稱為“激發(fā)激發(fā)”。 處于高能態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，它可自發(fā)恢復(fù)到低能態(tài)，并伴處于高能態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，它可自發(fā)恢復(fù)到低能態(tài)，并伴隨有光的發(fā)射，稱為隨有光的發(fā)射，稱為自發(fā)輻射自發(fā)輻射。 高能原子發(fā)生自發(fā)輻射前，受外來光子高能原子發(fā)生自發(fā)輻射前，受外來光子( (能量為能量為E E2 2-E-E1 1) )的刺激，的刺激，可從可從E E2 2躍遷到躍遷到E E1 1，同時輻射一個與外來光子，同時輻射一個與外來光子同頻率、同位相、同頻率、同位相、同方向、同偏振態(tài)同方向、同偏振態(tài)的光子，稱為的光子，稱為受激輻射受激輻射。受激輻射受激輻

4、射4(a)：自發(fā)輻射：自發(fā)輻射處于高能級態(tài)的原子自發(fā)躍遷到低能級態(tài)，并同時向外輻射處于高能級態(tài)的原子自發(fā)躍遷到低能級態(tài)，并同時向外輻射出一個光子；出一個光子；光子能量：光子能量：宏觀表現(xiàn)：發(fā)光宏觀表現(xiàn)：發(fā)光2.材料發(fā)光與電子躍遷方式材料發(fā)光與電子躍遷方式1221EEh5(b)：受激：受激(自發(fā)自發(fā))吸收吸收處于低能級態(tài)的原子在一定條件下的輻射場作用下，吸收一處于低能級態(tài)的原子在一定條件下的輻射場作用下，吸收一個光子，個光子， 躍遷到高能級態(tài)；躍遷到高能級態(tài)；宏觀表現(xiàn)：光被吸收宏觀表現(xiàn)：光被吸收6(c)：受激輻射：受激輻射處于高能級態(tài)的原子在一定條件下的輻射場作用下，躍遷到低處于高能級態(tài)的原子在

5、一定條件下的輻射場作用下，躍遷到低能級態(tài)，并同時輻射出一個與入射光子完全一樣的光子。能級態(tài)，并同時輻射出一個與入射光子完全一樣的光子。宏觀表現(xiàn)：光被放大宏觀表現(xiàn)：光被放大7 普通光源普通光源 普通光源是光的自發(fā)輻射。 特點：多波長、任意方向、不相干。 普通光源向四面八方輻射,光線分散到4p球面度的立體角內(nèi)。 用一個光子去激發(fā)位于高能級的電子或離子，使之放出光用一個光子去激發(fā)位于高能級的電子或離子，使之放出光子，受激發(fā)射產(chǎn)生的光就是子，受激發(fā)射產(chǎn)生的光就是激光激光。 如果使材料中多數(shù)能發(fā)生受激輻射的原子或離子都處于激如果使材料中多數(shù)能發(fā)生受激輻射的原子或離子都處于激發(fā)狀態(tài)，再用外界光感應(yīng)，發(fā)狀態(tài)

6、，再用外界光感應(yīng)，使所有處于激發(fā)狀態(tài)的原子和使所有處于激發(fā)狀態(tài)的原子和離子幾乎同時產(chǎn)生受激輻射而回到低能態(tài)離子幾乎同時產(chǎn)生受激輻射而回到低能態(tài)，將發(fā)出具有，將發(fā)出具有強強大能量密度大能量密度的光束。的光束。高能激光束高能激光束3. 電子能態(tài)分布電子能態(tài)分布（1）波爾茲曼分布率波爾茲曼分布率根據(jù)統(tǒng)計力學(xué)原理，大量相同粒子根據(jù)統(tǒng)計力學(xué)原理，大量相同粒子(原子、離子、分子原子、離子、分子)集合處于熱集合處于熱平衡溫度下，粒子數(shù)按能級的分布服從平衡溫度下，粒子數(shù)按能級的分布服從波耳茲曼分布規(guī)律波耳茲曼分布規(guī)律。形式：形式：在熱平衡條件下絕大部分粒子處于基態(tài)，即處于低能級上的粒子數(shù)在熱平衡條件下絕大部分

7、粒子處于基態(tài)，即處于低能級上的粒子數(shù)總多于高能級上的粒子數(shù)，因而受激吸收總占優(yōu)勢。這叫總多于高能級上的粒子數(shù)，因而受激吸收總占優(yōu)勢。這叫粒子數(shù)正粒子數(shù)正常分布常分布。（2）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)要想使受激輻射占優(yōu)勢或者說占主導(dǎo)地位，就必須使要想使受激輻射占優(yōu)勢或者說占主導(dǎo)地位，就必須使N2N1。如果。如果借助于外界的激勵，破壞粒子的熱平衡分布，就可能使高能級借助于外界的激勵，破壞粒子的熱平衡分布，就可能使高能級E2的的粒子數(shù)粒子數(shù)N2大于低能級大于低能級E1的粒子數(shù)的粒子數(shù)N1。由于它同正常分布相反，所以。由于它同正常分布相反，所以叫叫粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的作用在于當(dāng)外

8、來光輻射時，受激輻射總是大于受粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的作用在于當(dāng)外來光輻射時，受激輻射總是大于受激吸收，因而產(chǎn)生了光的放大信號。實驗證明，許多物質(zhì)給予一定激吸收，因而產(chǎn)生了光的放大信號。實驗證明，許多物質(zhì)給予一定激勵后，能實現(xiàn)這種反轉(zhuǎn)分布，它為激光的產(chǎn)生提供了基礎(chǔ)。激勵后，能實現(xiàn)這種反轉(zhuǎn)分布，它為激光的產(chǎn)生提供了基礎(chǔ)。 kTEeiieNN/10.1.2 激光特點及應(yīng)用激光特點及應(yīng)用1. 方向性好：方向性好： 亮度高：亮度高：由于激光的發(fā)射能力強和能量的高度集中，所以亮度由于激光的發(fā)射能力強和能量的高度集中，所以亮度很高，它比普通光源高億萬倍，比太陽表面的亮度高幾百億倍。很高，它比普通光源高億萬倍，比太

9、陽表面的亮度高幾百億倍。亮度是衡量一個光源質(zhì)量的重要指標(biāo)，若將中等強度的激光束亮度是衡量一個光源質(zhì)量的重要指標(biāo)，若將中等強度的激光束經(jīng)過會聚，可在焦點出產(chǎn)生幾千到幾萬度的高溫。經(jīng)過會聚，可在焦點出產(chǎn)生幾千到幾萬度的高溫。 發(fā)散角?。喊l(fā)散角?。杭す馄靼l(fā)射的激光，天生就是朝一個方向射出，光激光器發(fā)射的激光，天生就是朝一個方向射出，光束的發(fā)散角極小，大約為束的發(fā)散角極小，大約為0.001rad，接近平行。，接近平行。1962年，人類年，人類第一次用激光照射月球，地球距離月球的距離大約為第一次用激光照射月球，地球距離月球的距離大約為310萬公萬公里，但激光在月球表面的光斑不到兩公里。里，但激光在月球表

10、面的光斑不到兩公里。11激光能量在時間和空間上高度集中，能在極小區(qū)域產(chǎn)生幾百激光能量在時間和空間上高度集中，能在極小區(qū)域產(chǎn)生幾百萬度的高溫。激光加工、激光手術(shù)、激光武器等就利用了高亮萬度的高溫。激光加工、激光手術(shù)、激光武器等就利用了高亮度的特點。度的特點。激光測距激光測距 激光切割激光切割激光打孔激光打孔132. 單色性好：單色性好：光的顏色由光的不同波長決定，不同的顏色，是不同波長光的顏色由光的不同波長決定，不同的顏色，是不同波長的光作用于人的視覺的不同而反映出來。激光的波長基本一的光作用于人的視覺的不同而反映出來。激光的波長基本一致，譜線寬度很窄，顏色很純，單色性很好。由于這個特性，致，譜

11、線寬度很窄，顏色很純，單色性很好。由于這個特性，激光傳遞信息的容量大，實現(xiàn)光通信。激光傳遞信息的容量大，實現(xiàn)光通信。 計量工作的標(biāo)準(zhǔn)光源、激光通訊等利用了單色性好的特點。計量工作的標(biāo)準(zhǔn)光源、激光通訊等利用了單色性好的特點。光纜光纜舞臺效果舞臺效果143. 相干性好：相干性好：相干性是所有波的共性，但由于各種光波的品質(zhì)不同，導(dǎo)相干性是所有波的共性，但由于各種光波的品質(zhì)不同，導(dǎo)致它們的相干性也有高低之分。普通光是自發(fā)輻射光，不會致它們的相干性也有高低之分。普通光是自發(fā)輻射光，不會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。激光不同于普通光源，它是受激輻射光，具產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。激光不同于普通光源，它是受激輻射光，具有極強的相干性，

12、所以稱為相干光。有極強的相干性，所以稱為相干光。激光具有很好的相干性。普通光源的相干長度約為激光具有很好的相干性。普通光源的相干長度約為1 1毫米毫米至幾十厘米，激光可達幾十公里。全息照相、全息存儲等就至幾十厘米，激光可達幾十公里。全息照相、全息存儲等就利用了相干性好的特點。利用了相干性好的特點。 全息攝影亦稱：全息攝影亦稱：“全息照相全息照相”，一種利用波的干涉記錄被攝物體反，一種利用波的干涉記錄被攝物體反射（或透射）光波中信息（振幅、相位）的照相技術(shù)。全息攝影是射（或透射）光波中信息（振幅、相位）的照相技術(shù)。全息攝影是通過一束參考光和被攝物體上反射的光疊加在感光片上產(chǎn)生干涉條通過一束參考光

13、和被攝物體上反射的光疊加在感光片上產(chǎn)生干涉條紋而成。全息攝影不僅記錄被攝物體反射光波的振幅（強度），而紋而成。全息攝影不僅記錄被攝物體反射光波的振幅（強度），而且還記錄反射光波的相對相位，因此得到的照片顯得更加立體。且還記錄反射光波的相對相位，因此得到的照片顯得更加立體。16其它應(yīng)用其它應(yīng)用激光醫(yī)療、美容整形激光醫(yī)療、美容整形激光打印機激光打印機10.1.3 固體激光材料固體激光材料激光系統(tǒng)激光系統(tǒng)最重要的是激光工作物質(zhì)，最重要的是激光工作物質(zhì)，分為固體、液體和氣體激光分為固體、液體和氣體激光工作物質(zhì)。工作物質(zhì)。固體激光器是最重要的一種固體激光器是最重要的一種，不但激活離子密度大，振蕩頻帶寬，

14、不但激活離子密度大，振蕩頻帶寬，能產(chǎn)生譜線窄的光脈沖，而且具有良好的機械性能和穩(wěn)定的化學(xué)能產(chǎn)生譜線窄的光脈沖，而且具有良好的機械性能和穩(wěn)定的化學(xué)性能。性能。固體激光器固體激光器 絕大部分激光晶體是含激活離子的熒光晶體，按照晶體組成可分絕大部分激光晶體是含激活離子的熒光晶體，按照晶體組成可分為為摻雜型摻雜型激光晶體和激光晶體和自激活自激活激光晶體兩類，前者占現(xiàn)有激光晶體激光晶體兩類，前者占現(xiàn)有激光晶體的絕大部分。的絕大部分。摻雜型激光晶體摻雜型激光晶體由由激活離子激活離子和和基質(zhì)晶體基質(zhì)晶體組成。組成。 1. 1. 激活離子激活離子：過渡族金屬離子、三價稀土離子、二價稀土離子等過渡族金屬離子、三

15、價稀土離子、二價稀土離子等。NdNd3+3+激光閾值極低，可實現(xiàn)連續(xù)運轉(zhuǎn)，激光閾值極低，可實現(xiàn)連續(xù)運轉(zhuǎn)，已成為晶體激光器中最重已成為晶體激光器中最重要、應(yīng)用最廣的激活離子。要、應(yīng)用最廣的激活離子。摻雜激光晶體發(fā)射的激光束摻雜激光晶體發(fā)射的激光束金屬激活離子金屬激活離子離子離子Ti4+V2+Cr3+Mn2+Fe3+Co2+Ni2+Cu2+3d殼層殼層電子數(shù)電子數(shù)1335671010離子半離子半徑徑/nm0.0670.0790.0620.0650.0640.0650.0690.096離子離子Pr3+Nd3+Sm4+Eu3+Dy4+Ho3+Er3+Tm4+Yb3+4f殼層殼層電子數(shù)電子數(shù)235691

16、0111213離子半離子半徑徑/nm0.1140.1120.1090.1070.1030.1020.1000.0990.09102. 基質(zhì)晶體：氧化物和復(fù)合氧化物晶體基質(zhì)晶體：氧化物和復(fù)合氧化物晶體具有熔點高、硬度大，物具有熔點高、硬度大，物理化學(xué)性能穩(wěn)定，摻入三價激活離子不需電荷補償?shù)忍攸c，是應(yīng)理化學(xué)性能穩(wěn)定，摻入三價激活離子不需電荷補償?shù)忍攸c，是應(yīng)用最廣的一類基質(zhì)晶體，如用最廣的一類基質(zhì)晶體，如Al2O3、Y2O3、La2O3、Gd2O3、Y3Al5O12(YAG)、Gd3Al5O12(GAG)、Y3Ga5O12(YGG)等。等。Al2O3、YAG等氧化物晶體已獲得廣泛的應(yīng)用等氧化物晶體已

17、獲得廣泛的應(yīng)用。 還有一些氟化物晶體、含氧金屬酸化物晶體。還有一些氟化物晶體、含氧金屬酸化物晶體。 3. 3. 典型的激光材料：典型的激光材料：摻雜型激光晶體摻雜型激光晶體有有稀土激活離子和過渡族激活離子兩大類，稀土激活離子和過渡族激活離子兩大類，前者以前者以摻摻Nd釔鋁石榴石釔鋁石榴石 (Nd3+：YAG)為為代表代表，后者以，后者以紅寶石紅寶石(Cr3+：Al2O3)為為代表。代表。 紅寶石紅寶石是在晶體氧化鋁是在晶體氧化鋁(Al(Al2 2O O3 3) )中摻入少中摻入少量的量的CrCr2 2O O3 3，由，由CrCr3+3+部分取代部分取代AlAl3+3+而成，激而成，激活離子活離

18、子CrCr3+3+。晶體顏色為淡紅色，它是剛。晶體顏色為淡紅色，它是剛玉的一種。玉的一種。 能級結(jié)構(gòu)：鉻失去的三個電子躍遷形成高能級結(jié)構(gòu)：鉻失去的三個電子躍遷形成高能級電子，在光的激發(fā)下可受激發(fā)射而發(fā)能級電子，在光的激發(fā)下可受激發(fā)射而發(fā)光。光。 紅寶石激光器紅寶石激光器發(fā)射的波長為可見紅光，很發(fā)射的波長為可見紅光，很容易進行探測和定量測量，在激光器的基容易進行探測和定量測量，在激光器的基礎(chǔ)研究、強光光學(xué)研究、激光光譜研究、礎(chǔ)研究、強光光學(xué)研究、激光光譜研究、激光全息技術(shù)、激光雷達與測距方面有廣激光全息技術(shù)、激光雷達與測距方面有廣泛應(yīng)用。泛應(yīng)用。紅寶石激光器紅寶石激光器 NdNd：YAGYAG激

19、光器激光器閾值比紅寶石低，增益系數(shù)大，重復(fù)率可達每秒幾閾值比紅寶石低，增益系數(shù)大，重復(fù)率可達每秒幾百次，每次輸出功率可達百兆瓦以上，用于軍用激光測距和制導(dǎo)用百次，每次輸出功率可達百兆瓦以上，用于軍用激光測距和制導(dǎo)用激光照明等領(lǐng)域。激光照明等領(lǐng)域。 這種激光器是唯一能在常溫下連續(xù)工作，且具有這種激光器是唯一能在常溫下連續(xù)工作，且具有較大功率較大功率的激光器。的激光器。Nd：YAG激光器激光器4. 4. 半導(dǎo)體激光材料半導(dǎo)體激光材料受激輻射的激發(fā)方式主要有三種：受激輻射的激發(fā)方式主要有三種：光輻照、電子轟擊和向光輻照、電子轟擊和向p-n結(jié)注入電子結(jié)注入電子，其中其中p-n結(jié)注入電子是半導(dǎo)體產(chǎn)生激光

20、的重要方式結(jié)注入電子是半導(dǎo)體產(chǎn)生激光的重要方式。半導(dǎo)體激光器是固體激光器中重要的一類，又稱激光二級管，它是利用少半導(dǎo)體激光器是固體激光器中重要的一類，又稱激光二級管，它是利用少數(shù)載流子注入產(chǎn)生受激發(fā)射的器件。數(shù)載流子注入產(chǎn)生受激發(fā)射的器件。原理：半導(dǎo)體器件原理：半導(dǎo)體器件p-n結(jié)二極管，在電流正向流動時會引起激光振蕩結(jié)二極管，在電流正向流動時會引起激光振蕩二極管引起激光振蕩的三個條件二極管引起激光振蕩的三個條件: 具有合適的能級分布的激光物質(zhì)，光轉(zhuǎn)換效率高，要求直接帶隙；具有合適的能級分布的激光物質(zhì)，光轉(zhuǎn)換效率高，要求直接帶隙； 閾值電流：足夠濃度的載流子；閾值電流：足夠濃度的載流子； 諧振器

21、：二極管的兩個側(cè)面作為反射鏡。諧振器：二極管的兩個側(cè)面作為反射鏡。半導(dǎo)體激光器的常用結(jié)構(gòu)：雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的常用結(jié)構(gòu)：雙異質(zhì)結(jié) 優(yōu)點：減小閾值電流，在室溫下連續(xù)工作。優(yōu)點：減小閾值電流，在室溫下連續(xù)工作。 制備方法：用帶隙和折射率不同的兩種材料在適當(dāng)?shù)幕贤庋由L制備方法：用帶隙和折射率不同的兩種材料在適當(dāng)?shù)幕贤庋由L而成。而成。 常用材料常用材料GaAs、AlAs，晶格常數(shù)相差僅，晶格常數(shù)相差僅0.14%，消除結(jié)面缺陷。，消除結(jié)面缺陷。 三明治夾層結(jié)構(gòu)：三明治夾層結(jié)構(gòu)：p p型的型的GaAsGaAs夾在夾在GaAlAsGaAlAs之間，之間，GaAlAsGaAlAs一個一個p p型

22、，一型，一個個n n型。型。 GaAlAsGaAlAs比比GaAsGaAs有高的帶隙，可借助高帶隙界面位壘把電子限制在激有高的帶隙，可借助高帶隙界面位壘把電子限制在激活區(qū)內(nèi)。活區(qū)內(nèi)。 電子及其產(chǎn)生的光被限制在激活區(qū)內(nèi)，大大減少器件中的電流密度電子及其產(chǎn)生的光被限制在激活區(qū)內(nèi)，大大減少器件中的電流密度，可允許器件在較高的溫度下工作，體積小、效率高、運行簡單、價可允許器件在較高的溫度下工作，體積小、效率高、運行簡單、價廉。廉。GaAlAsGaAs半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)10.2 光纖材料光纖材料 10.2.1 光纖材料發(fā)展歷程簡介光纖材料發(fā)展歷程簡介 從從17761776年發(fā)明

23、電話到年發(fā)明電話到2020世紀(jì)的世紀(jì)的6060年年代末，通信線路是銅制導(dǎo)線。我國代末，通信線路是銅制導(dǎo)線。我國采用的采用的1010管同軸電纜加上金屬護套，管同軸電纜加上金屬護套，質(zhì)量達質(zhì)量達4 4噸噸/ /公里，有色金屬的消耗公里，有色金屬的消耗實在是太大。實在是太大。 19291929年和年和19301930年，美國的哈納爾和年，美國的哈納爾和德國的拉姆先后拉制出石英光纖且德國的拉姆先后拉制出石英光纖且用于光線和圖像的短距離傳輸。用于光線和圖像的短距離傳輸。 此時的光纖波導(dǎo)的理論和應(yīng)用技術(shù)此時的光纖波導(dǎo)的理論和應(yīng)用技術(shù)進展相當(dāng)緩慢，主要原因是當(dāng)時光進展相當(dāng)緩慢，主要原因是當(dāng)時光纖損耗太大，達

24、到幾百甚至一千多纖損耗太大，達到幾百甚至一千多分貝分貝/ /公里，這種光纖對通信是毫公里，這種光纖對通信是毫無用處的。無用處的。世界光纖之父：高錕世界光纖之父：高錕 19661966年，高錕博士發(fā)表了著名的論文年，高錕博士發(fā)表了著名的論文“光頻介質(zhì)纖維表面波光頻介質(zhì)纖維表面波導(dǎo)導(dǎo)”，明確提出通過改進制備工藝，減少原材料雜質(zhì)，可使，明確提出通過改進制備工藝，減少原材料雜質(zhì)，可使石英光纖的損耗大大下降，并有可能拉制出損耗低于石英光纖的損耗大大下降，并有可能拉制出損耗低于20dB/km20dB/km的光纖。的光纖。261970年，美國的康寧玻璃公司（年，美國的康寧玻璃公司（Corning Glass

25、 Co.）率先將）率先將高錕博士的科學(xué)預(yù)言變?yōu)楝F(xiàn)實，研制出在高錕博士的科學(xué)預(yù)言變?yōu)楝F(xiàn)實，研制出在0.63210m波長下波長下?lián)p耗為損耗為20dB/km的石英光纖，取得了重要的技術(shù)突破。的石英光纖，取得了重要的技術(shù)突破。在短短幾十年時間里，光纖的損耗已由在短短幾十年時間里，光纖的損耗已由1000dB/km下降到下降到0.16dB/km，致使光纖通信在世界范圍內(nèi)形成一個充滿活力，致使光纖通信在世界范圍內(nèi)形成一個充滿活力的新興產(chǎn)業(yè)。的新興產(chǎn)業(yè)。2720世紀(jì)世紀(jì)100年代中期，全世界范圍內(nèi)的光纖通信開始走向?qū)嵱媚甏衅?，全世界范圍?nèi)的光纖通信開始走向?qū)嵱没??；?。石英玻璃光纖的質(zhì)量為石英玻璃光纖的質(zhì)量為

26、27克克/公里。原料廉價，傳輸損耗公里。原料廉價，傳輸損耗小，不受外界電磁干擾，保密性強。小，不受外界電磁干擾，保密性強。1993年后，全球范圍信息高速公路的建設(shè)。年后，全球范圍信息高速公路的建設(shè)。到到2000年，世界光纖的年產(chǎn)量達到年，世界光纖的年產(chǎn)量達到6000萬公里以上，而已經(jīng)萬公里以上，而已經(jīng)鋪設(shè)的光纖總長度到達鋪設(shè)的光纖總長度到達2億公里以上。正好印證了電子到光電億公里以上。正好印證了電子到光電子的跨越。子的跨越。光纖的出現(xiàn)帶動了集成光學(xué)的發(fā)展。光纖的出現(xiàn)帶動了集成光學(xué)的發(fā)展。28 目前，用戶對帶寬的理解和要求已經(jīng)不同于以往。以前寬帶目前，用戶對帶寬的理解和要求已經(jīng)不同于以往。以前寬

27、帶服務(wù)提供商提供服務(wù)提供商提供ADSL接入時向用戶承諾最高可以達到接入時向用戶承諾最高可以達到2M、1M或者或者 512Kbit/s的帶寬，實際上遠遠達不到這個要求。電的帶寬，實際上遠遠達不到這個要求。電信服務(wù)承諾的概念被扭曲了，現(xiàn)在寬帶用戶逐漸成熟了，他信服務(wù)承諾的概念被扭曲了，現(xiàn)在寬帶用戶逐漸成熟了，他們對這種承諾已經(jīng)不接受，要求有們對這種承諾已經(jīng)不接受，要求有光纖接入光纖接入等新的技術(shù)來保等新的技術(shù)來保證帶寬。國內(nèi)房地產(chǎn)建設(shè)市場的旺盛也給光纖接入注入了活證帶寬。國內(nèi)房地產(chǎn)建設(shè)市場的旺盛也給光纖接入注入了活力。我國每年新建房產(chǎn)上億平方米，在新樓盤的建設(shè)中必然力。我國每年新建房產(chǎn)上億平方米，

28、在新樓盤的建設(shè)中必然有接入網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)問題，而光接入顯然是首選的接入技術(shù)。有接入網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)問題，而光接入顯然是首選的接入技術(shù)。 目前，我國光通信網(wǎng)絡(luò)無論是網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，還是設(shè)備先進程度目前，我國光通信網(wǎng)絡(luò)無論是網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，還是設(shè)備先進程度或技術(shù)應(yīng)用水平，均達到了與世界先進水平同步的程度。從或技術(shù)應(yīng)用水平，均達到了與世界先進水平同步的程度。從產(chǎn)業(yè)整體看，光通信領(lǐng)域已是我國高科技與世界一流水平距產(chǎn)業(yè)整體看，光通信領(lǐng)域已是我國高科技與世界一流水平距離最近的領(lǐng)域，完全達到與世界潮流同步離最近的領(lǐng)域，完全達到與世界潮流同步。10.2.2 光纖的基本概念及原理光纖的基本概念及原理 光纖是光導(dǎo)纖維的簡稱。光纖是光導(dǎo)

29、纖維的簡稱。光纖是以光脈沖的形式來傳輸信光纖是以光脈沖的形式來傳輸信號，材質(zhì)以玻璃或有機玻璃為主的網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)。號，材質(zhì)以玻璃或有機玻璃為主的網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)。 當(dāng)光由光密介質(zhì)出射至光疏介質(zhì)時（當(dāng)光由光密介質(zhì)出射至光疏介質(zhì)時（n1n2，12）（a a）折射角大于入射角：）折射角大于入射角：（b b）臨界狀態(tài)：）臨界狀態(tài)： （c c）全反射）全反射 ：入射角大于臨界時，：入射角大于臨界時，rinnsinsin21)/arcsin(,90120nnior臨界角0ii30光通信正是利用了全反射原理，當(dāng)光的注入角滿足一定條件光通信正是利用了全反射原理，當(dāng)光的注入角滿足一定條件時，光便能在光纖時，光便能在光

30、纖(光波導(dǎo)光波導(dǎo))內(nèi)形成全反射，從而達到長距離內(nèi)形成全反射，從而達到長距離傳輸?shù)哪康摹鬏數(shù)哪康?。包層包?n2纖芯纖芯 n1光纖光纖中心中心軸線軸線 090- 0 包層包層 n2空氣空氣 n0 1結(jié)論：結(jié)論：光纖傳光的原理是光的全反射；光纖傳光的原理是光的全反射；只有當(dāng)入射進光纖芯子中的光與光纖軸線交角小于一定值時只有當(dāng)入射進光纖芯子中的光與光纖軸線交角小于一定值時，光線才能被耦合進入光纖傳播光線才能被耦合進入光纖傳播；1. 無論光源發(fā)射功率有多大，只有無論光源發(fā)射功率有多大，只有2i0張角之內(nèi)的光功率能被光張角之內(nèi)的光功率能被光纖接受傳播。纖接受傳播。10.2.3 光纖的結(jié)構(gòu)光纖的結(jié)構(gòu)涂涂

31、 層層包包 層層纖芯纖芯高石英玻璃高石英玻璃有損耗石英玻璃有損耗石英玻璃一次被覆層（變性硅）一次被覆層（變性硅）硅樹脂硅樹脂二次被覆層（尼龍）二次被覆層（尼龍）10.2.4 光纖通信的主要特性光纖通信的主要特性1. 光纖通信的優(yōu)點：光纖通信的優(yōu)點：（1）光纖的容量大）光纖的容量大光纖通信是以光纖為傳輸媒介，光波為載波的通信系統(tǒng)，其載光纖通信是以光纖為傳輸媒介，光波為載波的通信系統(tǒng)，其載波波光波具有很高的頻率光波具有很高的頻率(約約1014Hz)，因此光纖具有很大的通信容，因此光纖具有很大的通信容量。量。（2）損耗低、中繼距離長）損耗低、中繼距離長目前，實用的光纖通信系統(tǒng)使用的光纖多為石英光纖，

32、此類光纖目前，實用的光纖通信系統(tǒng)使用的光纖多為石英光纖，此類光纖在在1.55m波長區(qū)的損耗可低到波長區(qū)的損耗可低到0.110dB/km，比已知的其他通信線，比已知的其他通信線路的損耗都低得多，因此，由其組成的光纖通信系統(tǒng)的中繼距離路的損耗都低得多，因此，由其組成的光纖通信系統(tǒng)的中繼距離也較其它介質(zhì)構(gòu)成的系統(tǒng)長得多。也較其它介質(zhì)構(gòu)成的系統(tǒng)長得多。如果今后采用非石英光纖，并工作在超長波長如果今后采用非石英光纖，并工作在超長波長(2m)，光纖的理，光纖的理論損耗系數(shù)可以下降到論損耗系數(shù)可以下降到10-310-5dB/km，此時光纖通信的中繼距離，此時光纖通信的中繼距離可達數(shù)千、甚至數(shù)萬公里?？蛇_數(shù)千

33、、甚至數(shù)萬公里。（3） 抗電磁干擾能力強抗電磁干擾能力強我們知道，電話線和電纜一般是不能跟高壓電線平行架設(shè)的，也不我們知道，電話線和電纜一般是不能跟高壓電線平行架設(shè)的，也不能在電氣化鐵路附近鋪設(shè)。能在電氣化鐵路附近鋪設(shè)。（4）保密性能好）保密性能好對通信系統(tǒng)的重要要求之一是保密性好。然而，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)對通信系統(tǒng)的重要要求之一是保密性好。然而，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電通信方式很容易被人竊聽：只要在明線或電纜附近展，電通信方式很容易被人竊聽：只要在明線或電纜附近(甚至幾公甚至幾公里以外里以外)設(shè)置一個特別的接收裝置，就可以獲取明線或電纜中傳送的設(shè)置一個特別的接收裝置，就可以獲取明線或電纜中傳送的

34、信息。更不用去說無線通信方式。信息。更不用去說無線通信方式。（5） 體積小，重量輕。體積小，重量輕。（6） 化學(xué)性能穩(wěn)定?；瘜W(xué)性能穩(wěn)定。（7） 節(jié)省有色金屬和原材料。節(jié)省有色金屬和原材料。2. 光纖通信的缺點：光纖通信的缺點：事物都是一分為二的，光纖通信有許多優(yōu)點，因而發(fā)展很快，但事物都是一分為二的，光纖通信有許多優(yōu)點，因而發(fā)展很快，但光纖通信也有以下缺點。光纖通信也有以下缺點。（1）不可過分彎曲；）不可過分彎曲；（2）光纖連接困難；）光纖連接困難；（3）分路、耦合困難；）分路、耦合困難；（4）抗拉強度低、光纖怕水。）抗拉強度低、光纖怕水。3. 光纖損耗光纖損耗（1）光纖材料的吸收與散射損耗；

35、）光纖材料的吸收與散射損耗；（2）光纖的彎曲輻射損耗；）光纖的彎曲輻射損耗；（3）光纖的連接；）光纖的連接；（4）耦合損耗。）耦合損耗。10.2.5 光纖分類光纖分類1. 按纖芯折射率分布不同：n2n1n2n1n2n12a2arr = ar = 0單模階躍折射率光纖單模階躍折射率光纖多模階躍折射率光纖多模階躍折射率光纖多模梯度折射率光纖多模梯度折射率光纖剖面折射率分布剖面折射率分布可傳播?？蓚鞑ツＪ绞嚼w芯尺寸纖芯尺寸光耦合難度光耦合難度相對折射率差相對折射率差損耗損耗單模光纖單模光纖只可傳輸只可傳輸一種模式，一種模式，最低價模最低價模式式較小，約較小，約212m難難小：?。?(n1-n2)/n

36、1 0.00050.01小小多模光纖多模光纖可傳輸多可傳輸多種模式種模式較粗，典型較粗，典型尺寸為尺寸為50m易易大：大： 0.010.02大大按制造材料分類：按制造材料分類：石英光纖（高石英玻璃光纖、多組分玻璃光纖）、晶體光纖、塑石英光纖（高石英玻璃光纖、多組分玻璃光纖）、晶體光纖、塑料光纖等。料光纖等。按用途分：按用途分： 用于通信，如：光纜；用于傳感器，如：光纖陀螺；用于傳輸圖用于通信，如：光纜；用于傳感器，如：光纖陀螺；用于傳輸圖像，如：內(nèi)窺鏡；其它用途，如用于傳輸能量。像，如：內(nèi)窺鏡；其它用途，如用于傳輸能量。光纜光纜塑料光纖塑料光纖10.2.6 光纖材料及制造光纖材料及制造1. 石

37、英玻璃光纖石英玻璃光纖石英玻璃光纖以二氧化硅石英玻璃光纖以二氧化硅(SiO2)為主要原料，并按不同的摻雜量來為主要原料，并按不同的摻雜量來控制纖芯和多組分玻璃光纖的折射率。包層中摻加控制纖芯和多組分玻璃光纖的折射率。包層中摻加F元素來降低折元素來降低折射率，纖芯中摻加二氧化鍺（射率，纖芯中摻加二氧化鍺（GeO2）提高折射率。）提高折射率。為降低石英光纖的內(nèi)部損耗，現(xiàn)都采用化學(xué)氣相反應(yīng)淀積法制取高為降低石英光纖的內(nèi)部損耗，現(xiàn)都采用化學(xué)氣相反應(yīng)淀積法制取高純度的石英預(yù)制棒，再拉絲，制成低損耗石英光纖。純度的石英預(yù)制棒，再拉絲，制成低損耗石英光纖。CVD法是根據(jù)法是根據(jù)半導(dǎo)體氣相生長法發(fā)展起來的，這

38、種方法用超純氧氣作載氣，把超半導(dǎo)體氣相生長法發(fā)展起來的，這種方法用超純氧氣作載氣，把超純原料氣體四氯化硅和摻雜劑四氯化鍺（純原料氣體四氯化硅和摻雜劑四氯化鍺（GeCl4）、三溴化硼）、三溴化硼(BBr3)、三氯氧磷、三氯氧磷(POCl3)等氣體輸送到以氫氧焰作熱源的加熱區(qū)。等氣體輸送到以氫氧焰作熱源的加熱區(qū)。混合氣體在加熱區(qū)發(fā)生氣相反應(yīng)，生成粉末狀二氧化硅及添加氧化混合氣體在加熱區(qū)發(fā)生氣相反應(yīng)，生成粉末狀二氧化硅及添加氧化物。繼續(xù)升溫加熱，使混合粉料熔融成玻璃態(tài)，制成超純玻璃預(yù)制物。繼續(xù)升溫加熱，使混合粉料熔融成玻璃態(tài)，制成超純玻璃預(yù)制棒，然后經(jīng)加熱棒，然后經(jīng)加熱(高頻感應(yīng)加熱、電阻加熱、氫氧

39、焰加熱高頻感應(yīng)加熱、電阻加熱、氫氧焰加熱)使料棒融使料棒融化、拉絲。折射率通過添加氧化物的濃度加以調(diào)節(jié)?；⒗z。折射率通過添加氧化物的濃度加以調(diào)節(jié)。石英光纖與其它原料的光纖相比，還具有從紫外線光到近紅外線光石英光纖與其它原料的光纖相比，還具有從紫外線光到近紅外線光的透光廣譜，除通信用途之外，還可用于導(dǎo)光和傳導(dǎo)圖像等領(lǐng)域。的透光廣譜，除通信用途之外，還可用于導(dǎo)光和傳導(dǎo)圖像等領(lǐng)域。2. 多組分玻璃光纖多組分玻璃光纖多組分玻璃光纖的成分除石英外還含有氧化鈉多組分玻璃光纖的成分除石英外還含有氧化鈉(Na2O)、氧化鉀、氧化鉀(K2O)、氧化鈣、氧化鈣(CaO)、氧化硼、氧化硼(B2O3)等其他氧化物

40、。特點是多成等其他氧化物。特點是多成分玻璃比石英的軟化點低且纖芯與包層的折射率差很大。分玻璃比石英的軟化點低且纖芯與包層的折射率差很大。主要用在醫(yī)療業(yè)務(wù)的光纖內(nèi)窺鏡。主要用在醫(yī)療業(yè)務(wù)的光纖內(nèi)窺鏡。多組分玻璃光纖采用雙坩堝法制造。坩堝由尾部帶漏管的內(nèi)外兩多組分玻璃光纖采用雙坩堝法制造。坩堝由尾部帶漏管的內(nèi)外兩層鉑坩堝同軸套在一起所組成。多組分玻璃料經(jīng)過仔細提純，芯層鉑坩堝同軸套在一起所組成。多組分玻璃料經(jīng)過仔細提純，芯料玻璃放在內(nèi)層坩堝里，包層玻璃放在外層坩堝里。玻璃料經(jīng)加料玻璃放在內(nèi)層坩堝里，包層玻璃放在外層坩堝里。玻璃料經(jīng)加熱熔化后從漏管中流出。在坩堝下方有一個高速旋轉(zhuǎn)的鼓輪，將熱熔化后從漏

41、管中流出。在坩堝下方有一個高速旋轉(zhuǎn)的鼓輪，將熔融狀態(tài)的玻璃拉成一定直徑的細紗。漏孔的直徑大小和漏管的熔融狀態(tài)的玻璃拉成一定直徑的細紗。漏孔的直徑大小和漏管的長度決定芯子的直徑與包層厚度的比值。長度決定芯子的直徑與包層厚度的比值。3. 紅外光纖紅外光纖紅外光纖主要用于光能傳送，例如：溫度計量、熱圖像傳輸、激紅外光纖主要用于光能傳送，例如：溫度計量、熱圖像傳輸、激光手術(shù)刀醫(yī)療、熱能加工等，普及率尚低。光手術(shù)刀醫(yī)療、熱能加工等，普及率尚低。目前正在研究的有重金屬氧化物玻璃、鹵化物玻璃、硫系玻璃和目前正在研究的有重金屬氧化物玻璃、鹵化物玻璃、硫系玻璃和鹵化物晶體等。重金屬氧化物玻璃主要是指比重較石英玻

42、璃大的鹵化物晶體等。重金屬氧化物玻璃主要是指比重較石英玻璃大的氧化物玻璃，如氧化物玻璃，如GeO2、GeO2-SbO3、CaO-AI2O3；鹵化物玻璃有；鹵化物玻璃有BeF2、BaF2-CaF2-YF3-Al F3、GdF3-BaF2-ZrF4等；硫系玻璃主要等；硫系玻璃主要指以指以S、Se、Te等元素為主體的單元或多元玻璃化合物。等元素為主體的單元或多元玻璃化合物。4. 塑料光纖塑料光纖它是纖芯和包層都用塑料（聚合物）作成的光纖。早期產(chǎn)品主要它是纖芯和包層都用塑料（聚合物）作成的光纖。早期產(chǎn)品主要用于裝飾和導(dǎo)光照明及近距離光線路的光通信中，原料主要是有用于裝飾和導(dǎo)光照明及近距離光線路的光通信

43、中，原料主要是有機玻璃（機玻璃（PMMA）、聚苯乙烯（）、聚苯乙烯（PS）和聚碳酸酯（）和聚碳酸酯（PC）。損耗）。損耗受到塑料固有的受到塑料固有的C-H 結(jié)合結(jié)構(gòu)制約，一般每千米可達幾十分貝。結(jié)合結(jié)構(gòu)制約，一般每千米可達幾十分貝。為了降低損耗，目前正在開發(fā)應(yīng)用氟素系列塑料。為了降低損耗，目前正在開發(fā)應(yīng)用氟素系列塑料。5. 其他光纖其他光纖金屬涂層光纖金屬涂層光纖是在光纖的表面涂布是在光纖的表面涂布Ni、Cu、Al等金屬層的光纖。等金屬層的光纖。目的在于提高抗熱性和可供通電及焊接。它是抗惡環(huán)境性光纖之目的在于提高抗熱性和可供通電及焊接。它是抗惡環(huán)境性光纖之一，也可作為電子電路的部件用。一，也可

44、作為電子電路的部件用。在光纖的纖芯中，摻雜餌在光纖的纖芯中，摻雜餌(Er)、釹、釹(Nd)、鐠、鐠(Pr)等稀土族元素的光等稀土族元素的光纖為纖為摻稀土光纖摻稀土光纖。用。用1.47 pm的激光進行激勵可得到的激光進行激勵可得到1.55 pm 的光的光信號。另外，摻鐠的氟化物光纖放大器信號。另外，摻鐠的氟化物光纖放大器(PDFA)正在開發(fā)中。正在開發(fā)中。發(fā)光光纖發(fā)光光纖是采用含有熒光物質(zhì)制造的光纖。它是在受到輻射線、是采用含有熒光物質(zhì)制造的光纖。它是在受到輻射線、紫外線等光波照射時，產(chǎn)生的一部分熒光，可以用于檢測輻射線紫外線等光波照射時，產(chǎn)生的一部分熒光，可以用于檢測輻射線和紫外線，以及進行波

45、長變換，或用作溫度敏感器、化學(xué)敏感器。和紫外線，以及進行波長變換，或用作溫度敏感器、化學(xué)敏感器。從熒光材料和摻雜的角度上，目前正在開發(fā)塑料發(fā)光光纖。從熒光材料和摻雜的角度上，目前正在開發(fā)塑料發(fā)光光纖。10.3 紅外材料紅外材料紅外材料是指與紅外線的輻射、吸收、透射和探測等相關(guān)的一些材紅外材料是指與紅外線的輻射、吸收、透射和探測等相關(guān)的一些材料。料。10.3.1 紅外線的基本性質(zhì)紅外線的基本性質(zhì)紅外線是英國赫舍爾在紅外線是英國赫舍爾在11000年發(fā)現(xiàn)的。它本質(zhì)上和可見光一樣是一年發(fā)現(xiàn)的。它本質(zhì)上和可見光一樣是一種電磁波，波長在種電磁波，波長在0.71000m之間。之間。紅外線可分為三部分，即近紅

46、紅外線可分為三部分，即近紅外，波長為外，波長為0.751.50m之間；中紅外，波長為之間；中紅外，波長為1.506.0m之間；遠之間；遠紅外，波長為紅外，波長為6.0l000m 之間（也有之間（也有15.01000m 之間稱為極遠紅之間稱為極遠紅外）。外）。紅外線的輻射起源于紅外線的輻射起源于分子的振動和轉(zhuǎn)動分子的振動和轉(zhuǎn)動，而分子振動和轉(zhuǎn)動起源于，而分子振動和轉(zhuǎn)動起源于溫溫度度。所以在。所以在0K以上的溫度下，一切物體均可輻射紅外線，故紅外線以上的溫度下，一切物體均可輻射紅外線，故紅外線是一種熱輻射，有時也叫它熱紅外。也就是說，我們周圍所有溫度在是一種熱輻射，有時也叫它熱紅外。也就是說，我們

47、周圍所有溫度在絕對零度（絕對零度（-273）以上的物體，都會不停地發(fā)出熱紅外線（熱輻）以上的物體，都會不停地發(fā)出熱紅外線（熱輻射）。射）。 紅外線的特性紅外線的特性 （1）“大氣窗口大氣窗口”現(xiàn)象現(xiàn)象 大氣、煙云等吸收可見光和近紅外線，但是對大氣、煙云等吸收可見光和近紅外線，但是對35m和和1014m的熱紅外線卻透過率很高。因此，這兩個波段被稱的熱紅外線卻透過率很高。因此，這兩個波段被稱為熱紅外線的為熱紅外線的“大氣窗口大氣窗口” 。利用這兩個窗口，可以使人們。利用這兩個窗口，可以使人們在完全無光的夜晚，或是在煙云密布的戰(zhàn)場，清晰地觀察到在完全無光的夜晚，或是在煙云密布的戰(zhàn)場，清晰地觀察到前方

48、的情況。前方的情況。 （2）物體的熱輻射能量的大小，直接和物體表面的溫度相）物體的熱輻射能量的大小，直接和物體表面的溫度相關(guān)。關(guān)。 10.3.2 紅外輻射材料紅外輻射材料 常用的發(fā)射率較高的紅外輻射材料有常用的發(fā)射率較高的紅外輻射材料有碳、石墨、氧化物、碳、石墨、氧化物、碳化物、氮化物以及硅化物碳化物、氮化物以及硅化物等。等。 紅外輻射搪瓷、紅外輻射陶瓷以及紅外輻射涂料等紅外輻射搪瓷、紅外輻射陶瓷以及紅外輻射涂料等是一般是一般紅外輻射材料通常使用形式。紅外輻射材料通常使用形式。 紅外輻射涂料通常涂敷在熱物體表面構(gòu)成紅外輻射體。紅紅外輻射涂料通常涂敷在熱物體表面構(gòu)成紅外輻射體。紅外輻射涂料中一般

49、都選用在工作溫度范圍內(nèi)發(fā)射率高的材外輻射涂料中一般都選用在工作溫度范圍內(nèi)發(fā)射率高的材料。紅外輻射涂料由輻射材料的粉末與粘接劑（無機）等料。紅外輻射涂料由輻射材料的粉末與粘接劑（無機）等按適當(dāng)比例混合配制而成。按適當(dāng)比例混合配制而成。 部分紅外輻射涂料的性能及規(guī)格部分紅外輻射涂料的性能及規(guī)格名稱名稱型號型號法向發(fā)射率法向發(fā)射率使用溫度使用溫度適用基體適用基體氧化鐵氧化鐵HS-1-10.101060600陶瓷陶瓷氧化鉻氧化鉻HS-2-10.101鋯質(zhì)陶瓷鋯質(zhì)陶瓷HS-3-1-特質(zhì)氧化鐵特質(zhì)氧化鐵HS-1-20.10560600陶瓷、金屬陶瓷、金屬特質(zhì)氧化鉻特質(zhì)氧化鉻HS-2-20.106鋯質(zhì)陶瓷鋯

50、質(zhì)陶瓷HS-3-20.104特質(zhì)碳化硅特質(zhì)碳化硅HS-4-20.107碳化硼碳化硼HK-B-60600陶瓷、金屬陶瓷、金屬氧化鐵氧化鐵HY-10.10260600陶瓷陶瓷氧化鉻氧化鉻HY-20.103鋯英粉鋯英粉HY-30.109碳化硅碳化硅HY-40.105 紅外輻射材料的應(yīng)用紅外輻射材料的應(yīng)用1用于熱能利用方面用于熱能利用方面 （1）紅外加熱：）紅外加熱：利用熱輻射體（如紅外加熱器）所發(fā)射出來利用熱輻射體（如紅外加熱器）所發(fā)射出來的紅外線，照射到物體上并被吸收后轉(zhuǎn)換成熱（或同時伴隨其的紅外線，照射到物體上并被吸收后轉(zhuǎn)換成熱（或同時伴隨其他非熱效應(yīng)），從而達到加熱、干燥的目的。如在機械和金屬

51、他非熱效應(yīng)），從而達到加熱、干燥的目的。如在機械和金屬領(lǐng)域用于機械設(shè)備的金屬部件、車架、船舶的噴漆烘干，鑄型領(lǐng)域用于機械設(shè)備的金屬部件、車架、船舶的噴漆烘干，鑄型的干燥等；在化工領(lǐng)域用于熱塑性樹脂的干燥、紙漿和藥品的的干燥等；在化工領(lǐng)域用于熱塑性樹脂的干燥、紙漿和藥品的干燥、玻璃和陶瓷的預(yù)熱和燒結(jié)等；在醫(yī)療領(lǐng)域用于促進血液干燥、玻璃和陶瓷的預(yù)熱和燒結(jié)等；在醫(yī)療領(lǐng)域用于促進血液循環(huán)和汗腺的分泌、外傷的治療等；在食品工業(yè)領(lǐng)域用干冷凍循環(huán)和汗腺的分泌、外傷的治療等；在食品工業(yè)領(lǐng)域用干冷凍谷類捆包前的脫水、冷凍食品的解凍、稻谷水果的烘干等等。谷類捆包前的脫水、冷凍食品的解凍、稻谷水果的烘干等等。 （2

52、）作為耐火材料：）作為耐火材料：高發(fā)射率紅外輻射涂層屬于不定形耐火高發(fā)射率紅外輻射涂層屬于不定形耐火材料中的一種，一般被涂于加熱爐的爐襯耐火磚或耐火纖維氈材料中的一種，一般被涂于加熱爐的爐襯耐火磚或耐火纖維氈表面，也可涂于測溫套管、燒嘴磚等表面，將十分有利于熱能表面，也可涂于測溫套管、燒嘴磚等表面，將十分有利于熱能的利用。的利用。 2用于航天領(lǐng)域用于航天領(lǐng)域航天器用紅外輻射涂層是一種高溫高發(fā)射率涂層、涂在航天器蒙皮航天器用紅外輻射涂層是一種高溫高發(fā)射率涂層、涂在航天器蒙皮表面上，作為輻射防熱結(jié)構(gòu)。表面上，作為輻射防熱結(jié)構(gòu)。3用于軍事目的用于軍事目的（1）防紅外偽裝涂層：）防紅外偽裝涂層：紅外偽

53、裝的最基本原理是降低和消除目標(biāo)紅外偽裝的最基本原理是降低和消除目標(biāo)和背景的輻射差別，以降低目標(biāo)被發(fā)現(xiàn)和識別的可能性。近紅外偽和背景的輻射差別，以降低目標(biāo)被發(fā)現(xiàn)和識別的可能性。近紅外偽裝涂層要求目標(biāo)與背景的光譜反射率盡可能接近；中、遠紅外偽裝裝涂層要求目標(biāo)與背景的光譜反射率盡可能接近；中、遠紅外偽裝涂層則一般采用低發(fā)射率涂層材料，以彌補二者的溫度差異。據(jù)稱涂層則一般采用低發(fā)射率涂層材料，以彌補二者的溫度差異。據(jù)稱美國隱形戰(zhàn)斗機美國隱形戰(zhàn)斗機F-19的機身表面就涂有減少雷達波及紅外線的偽裝的機身表面就涂有減少雷達波及紅外線的偽裝涂層。涂層。（2）紅外誘餌器：）紅外誘餌器：紅外誘餌器作為對付紅外制導(dǎo)

54、導(dǎo)彈的一種對抗紅外誘餌器作為對付紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈的一種對抗手段，正受到重視。若采用固體熱紅外假目標(biāo)手段，正受到重視。若采用固體熱紅外假目標(biāo)(誘餌誘餌)，在表面涂上，在表面涂上高發(fā)射率涂層，則能提高誘餌的紅外輻射強度，從而提高假目標(biāo)的高發(fā)射率涂層，則能提高誘餌的紅外輻射強度，從而提高假目標(biāo)的有效性。選擇不同輻射頻率的材料作成的紅外誘餌器可以模擬各種有效性。選擇不同輻射頻率的材料作成的紅外誘餌器可以模擬各種武器裝備的紅外輻射特征，更好地發(fā)揮紅外誘餌假目標(biāo)的作用。武器裝備的紅外輻射特征，更好地發(fā)揮紅外誘餌假目標(biāo)的作用。 10.3.3 透紅外材料透紅外材料透紅外材料指的是對紅外線透過率高的材料。透紅外材料

55、指的是對紅外線透過率高的材料。1. 常用紅外材料常用紅外材料透紅外晶體材料包括離子晶體和半導(dǎo)體晶體兩種。離子晶體主要透紅外晶體材料包括離子晶體和半導(dǎo)體晶體兩種。離子晶體主要包括堿鹵化合物晶體，堿土包括堿鹵化合物晶體，堿土-鹵族化合物晶體，某些氧化物晶體和鹵族化合物晶體，某些氧化物晶體和無機鹽晶體。半導(dǎo)體晶體主要包括無機鹽晶體。半導(dǎo)體晶體主要包括IVA族單元素晶體，族單元素晶體，IIIA-VA族族化合物和化合物和IIB-VIA族化合物晶體等。族化合物晶體等。 堿鹵化合物晶體有堿鹵化合物晶體有LiF、NaF、NaCl、KCl、KBr、KI、RbCl、RbBr、RbI、CsBr、CsI 等。一般說來

56、，這類材料的熔點不高、等。一般說來，這類材料的熔點不高、比較容易培養(yǎng)成大單晶，其退火工藝也不十分復(fù)雜，同時也較容比較容易培養(yǎng)成大單晶，其退火工藝也不十分復(fù)雜，同時也較容易實現(xiàn)光學(xué)均勻性。易實現(xiàn)光學(xué)均勻性。金屬鉈和鹵族元素化合物的單晶，例如金屬鉈和鹵族元素化合物的單晶，例如TlBr、TlC1以及混合晶體以及混合晶體KRS-5(TlBr-TlI)與與KRS-6(TlBr-TlCl)等也是一類常用的透紅外材等也是一類常用的透紅外材料。它們具有相當(dāng)寬的透射波段，同時僅微溶于水。料。它們具有相當(dāng)寬的透射波段，同時僅微溶于水。堿土堿土鹵族化合物晶體主要包括鹵族化合物晶體主要包括CaF2、BaF2、SrF2

57、、MgF2。這類材料。這類材料的近紅外透過率一般都較高。折射率較低，反射損失小，不需鍍抗反的近紅外透過率一般都較高。折射率較低，反射損失小，不需鍍抗反射膜。和堿鹵化合物品體相比，硬度要高得多，機械強度也好得多，射膜。和堿鹵化合物品體相比，硬度要高得多，機械強度也好得多，幾乎不溶于水幾乎不溶于水(如如MgF2)或微溶于水?；蛭⑷苡谒Ｑ趸锞w是火箭、導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星、宇宙飛行器以及通訊、遙測等氧化物晶體是火箭、導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星、宇宙飛行器以及通訊、遙測等用的紅外裝置中廣泛使用的一類晶體。用的紅外裝置中廣泛使用的一類晶體。材料材料透射透射波段波段/m折射率折射率（4.3 m 處）處）硬度硬度（克氏（

58、克氏硬度）硬度）熔點熔點密度密度（gcm-3）彈性模量彈性模量/GPa熱膨脹系熱膨脹系數(shù)（數(shù)（10-6K-1）在水中在水中的溶解的溶解度（度（10-2gmL-1）備注備注氧化鋁氧化鋁5.51.610137020303.9103726.70 cc5.00cc0.00雙折射雙折射晶體，晶體，其折射其折射率值是率值是對尋常對尋常光線而光線而言言晶態(tài)石英晶態(tài)石英4.51.46（尋（尋常光線）常光線）74114702.65C11:103C44:567.100.00融熔石英融熔石英4.51.3747016672.20640.550.00氧化鎂氧化鎂6.101.66690210003.5925513.000

59、.00氧化鈦氧化鈦6.02.4510100110254.26C11:351C44:1239.000.00用作透紅外光學(xué)材料的半導(dǎo)體晶體主要有用作透紅外光學(xué)材料的半導(dǎo)體晶體主要有Ce、Si、CdTe、CaAs等，等，這類材料在紅外波段大多具有較大的折射率，一般需用涂膜來減少反這類材料在紅外波段大多具有較大的折射率，一般需用涂膜來減少反射損失。射損失。材料材料透射波段透射波段/m折射率折射率（4.3 m 處）處）硬度硬度（克氏（克氏硬度）硬度）熔點熔點密度密度（gcm-3）彈性模量彈性模量/GPa熱膨脹系熱膨脹系數(shù)（數(shù)（10-6K-1）在水中的在水中的溶解度溶解度（10-2gmL-1）鍺鍺254.

60、0210009405.33C11:127C44:666.100.00硅硅153.42115014202.33C11:163C44:7104.200.00金剛石金剛石302.4010102035003.51C11:932C44:5100.1070.00銻化銦銻化銦163.992235235.710C11:64C44:304.900.00砷化鎵砷化鎵1103.34（10 m 處）處）750123105.31C11:12C44:55.740.00銻化鎵銻化鎵243.7044107055.62C11:107C44:426.900.00硫化鎘硫化鎘162.261211500(100大氣壓大氣壓)4.10