第六章光學(xué)材料

第六章光學(xué)材料

夜明珠螢石的基本性質(zhì)

（一）礦物名稱(chēng)

螢石（Fluorite）。

（二）化學(xué)成分

CaF2，含雜質(zhì)較多，Ca常被Y和Ce等稀土元素替代，此外還含有少量的Fe2O3，SiO2和微量Cl，O3，He等。

（三）晶系及結(jié)晶習(xí)性

螢石為等軸晶系。單晶主要為立方體，少數(shù)為菱形十二面體、八面體。立方體晶面上常出現(xiàn)與棱平行的網(wǎng)格狀條紋，集合體為粒狀、晶簇狀、條帶狀、塊狀等。

（四）光學(xué)性質(zhì)

1．顏色

純凈的螢石為無(wú)色，但因含有較多Y、Ce、Ca等元素，造成螢石結(jié)構(gòu)空位，產(chǎn)生色心而致色，常見(jiàn)的顏色有淺綠色至深綠色，藍(lán)、綠藍(lán)、黃、酒黃、紫、紫羅蘭色、灰、褐、玫瑰紅、深紅等

Nd:GlassNd:YAGNd:YVO4Nd:LSBNd:YLFRuby激光晶體激光原理

受激吸收、自發(fā)輻射和受激輻射

發(fā)明了被譽(yù)為“中國(guó)牌晶體”的非線性光學(xué)晶體BBO、LBO。其中BBO晶體獲1986年度中科院科技進(jìn)步特等獎(jiǎng)，LBO晶體獲1990年度中科院發(fā)明壹等獎(jiǎng)，1991年度國(guó)家發(fā)明壹等獎(jiǎng)。BBO偏硼酸鋇、LBO四硼酸鋰晶體晶體還分別于1987、1989年獲美國(guó)光電子產(chǎn)業(yè)界頒發(fā)的十大光電子產(chǎn)品獎(jiǎng)。陳創(chuàng)天本人也先后獲得1987年度第3世界科學(xué)院化學(xué)獎(jiǎng)，1990年激光集錦（LaserFocusWorld）雜志頒發(fā)的工業(yè)技術(shù)成就獎(jiǎng)人工晶體陳創(chuàng)天人工晶體偏硼酸鋇BBO晶體BBO晶片

光學(xué)材料:主要是光介質(zhì)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，改變光線的方向、強(qiáng)度和位相，使光線按預(yù)定的要求傳輸，也可以吸收或透過(guò)一定波長(zhǎng)范圍的光線而改變光線的光譜成分。光學(xué)材料主要包括光纖材料、發(fā)光材料、光色材料以及紅外材料等。光學(xué)功能材料:近代光學(xué)的發(fā)展，特別是激光的出現(xiàn)，使另一類(lèi)光學(xué)材料，即光學(xué)功能材料得到了發(fā)展。這種材料在外場(chǎng)（力、聲、熱、電、磁和光）的作用下，其光學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)展變化，因此可作為探測(cè)和能量轉(zhuǎn)換的材料，成為光學(xué)材料中一個(gè)新的重要分支。光學(xué)功能材料電光材料聲光材料磁光材料光發(fā)射材料（外光電效應(yīng)）光電效應(yīng)光導(dǎo)材料（內(nèi)光電效應(yīng)）光導(dǎo)效應(yīng)6.1光纖材料

20世紀(jì)60年代發(fā)現(xiàn)了激光，這是人們期待已久的信號(hào)載體。要實(shí)現(xiàn)光通訊，還必須有光元件、組件及信號(hào)加工技術(shù)和光信號(hào)的傳輸介質(zhì)。1966年英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)電信實(shí)驗(yàn)室(STL)的中國(guó)科學(xué)家高錕(K．C．Kao)發(fā)表論文，論證了把光纖的光學(xué)損耗降低到20dB／km以下的可能性（當(dāng)時(shí)光纖的傳輸損耗約為1000dB／km），預(yù)測(cè)光纖通訊的未來(lái)，被譽(yù)為光纖通訊的先驅(qū)。1970年，美國(guó)康寧玻璃公司拉制出世界第一根低損耗光纖，這是一根高二氧化硅玻璃光纖，長(zhǎng)數(shù)百米，損耗低于20dB／km(降低為1966年光纖損耗的1/50)。十多年后，高二氧化硅玻璃光纖的損耗又降低了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，約為0.2dB／km，幾乎達(dá)到了材料的本征光學(xué)損耗。圖6-1光纖通訊過(guò)程示意圖·光源是光波產(chǎn)生的根源。

·光纖是傳輸光波的導(dǎo)體。

·光發(fā)送機(jī)的功能是產(chǎn)生光束,將電信號(hào)轉(zhuǎn)變成光信號(hào),再把光信號(hào)導(dǎo)入光纖。

·光接收機(jī)的功能負(fù)責(zé)接收從光纖上傳輸?shù)墓庑盘?hào),并將它轉(zhuǎn)變成電信號(hào),經(jīng)解碼后再作相應(yīng)處理。

然而，多組分玻璃光纖因其材料難以提純，以及此類(lèi)玻璃的均勻性差，而使光纖的最低損耗仍相當(dāng)大，約為4dB／km。近20年，各種各樣的光纖層出不窮，除了通信用多模、單模光纖外，近年來(lái)又出現(xiàn)各種結(jié)構(gòu)不同高雙折射偏振保持光纖、單偏振光纖，以及各種光纖傳感器用的功能光纖、塑料光纖等。光纖的最初應(yīng)用是制作醫(yī)用內(nèi)窺鏡，但其大量地應(yīng)用仍在通信方面，現(xiàn)在已成為通訊的重要網(wǎng)絡(luò)。許多國(guó)家建造了光纖通信系統(tǒng)，橫跨大西洋、太平洋的海底光纜已投入使用，使全世界進(jìn)入信息時(shí)代。

圖6-1為為光纖通訊過(guò)程示意圖。

圖6-1光纖通訊過(guò)程示意圖

光纖通訊發(fā)展如此之快的原因是由于它具有一些優(yōu)點(diǎn)，如傳輸損耗低，頻帶寬；小的尺寸和彎曲半徑及重量輕等，使它在飛機(jī)、輪船、擁擠的城市地下管道的應(yīng)用都具有優(yōu)越性。由于是介電波導(dǎo)，可以避免許多問(wèn)題，如輻射干涉等。因?yàn)楣饫w損耗恒定，所以可以很容易滿(mǎn)足系統(tǒng)高參量傳輸?shù)男枰?，特別是對(duì)傳送聲、數(shù)據(jù)和圖象信號(hào)。另外，光纖不只是作為通訊載體介質(zhì)，還可以作為傳感器材料，在各學(xué)科領(lǐng)域都得到應(yīng)用。有人估計(jì)飛機(jī)上的測(cè)試設(shè)備及自動(dòng)駕駛系統(tǒng)都可實(shí)現(xiàn)光控過(guò)程，以減輕重量、小型化，并使信息傳遞保密性更好，比電控更具優(yōu)越性。

6.1.1光纖構(gòu)成及分類(lèi)

光纖是用高透明電介質(zhì)材料制成的非常細(xì)(外徑約為125~200μm)的低損耗導(dǎo)光纖維，它不僅具有束縛和傳輸從紅外到可見(jiàn)光區(qū)域內(nèi)的光的功能，而且也具有傳感功能。一般通信用光纖的橫截面的結(jié)構(gòu)如圖6-2所示。

圖6-2光纖橫截面結(jié)構(gòu)示意圖（a）光纖

（b）三層結(jié)構(gòu)心線

光纖構(gòu)成光纖本身

（纖芯、包層）包覆層

（一次被覆層、緩沖層、二次被覆層）圖6-2光纖橫截面結(jié)構(gòu)示意圖（a）光纖

（b）三層結(jié)構(gòu)芯線

光纖本身由纖芯和包層構(gòu)成，見(jiàn)圖6-2(a)，纖芯是由高透明固體材料(如高二氧化硅玻璃，多組分玻璃、塑料等)制成，纖芯的外面是包層，用折射率較低(相對(duì)于纖芯材料而言)的有損耗(每公里幾百分貝)的石英玻璃、多組分玻璃或塑料制成。這樣就構(gòu)成了能導(dǎo)光的玻璃纖維—光纖，光纖的導(dǎo)光能力取決于纖芯和包層的性質(zhì)。

上述光纖是很脆的，還不能付諸實(shí)際應(yīng)用。要使它具有實(shí)用性，還必須使它具有一定的強(qiáng)度和柔性，采用圖6-2(b)所示的三層芯線結(jié)構(gòu)。在光纖的外面是一次被覆層，主要目的是防止玻璃光纖的玻璃表面受損傷，井保持光纖的強(qiáng)度。因此，在選用材料和制造技術(shù)上，必須防止光纖產(chǎn)生微彎或受損傷。

通常采用連續(xù)擠壓法把熱可塑硅樹(shù)脂被覆在光纖外而制成，此層的厚度約為100~150μm，在一次被覆層之外是緩沖層，外徑為400μm，目的在于防止光纖因一次被覆層不均勻或受側(cè)壓力作用而產(chǎn)生微彎，帶來(lái)額外損耗。因此，必須用緩沖效果良好的低楊氏系數(shù)材料作緩沖層，為了保護(hù)一次被覆層和緩沖層，在緩沖層之外加上二次被覆層。二次被覆層材料的楊氏系數(shù)應(yīng)比一次被覆層的大，而且要求具有小的溫度系數(shù)，常采用尼龍，這一層外徑常為0.9mm。光纖芯部的材料一般是非晶態(tài)的SiO2、摻雜GeO2、P2O5等。根據(jù)設(shè)計(jì)變化成分取得必要的折射率。包覆層的折射率要與芯部材料匹配，以改善強(qiáng)度，降低污染，減少光的散射損失。

光纖按芯部折射率變化來(lái)分類(lèi)，有突變(階躍)光纖和漸變(梯度)光纖兩大類(lèi)，見(jiàn)圖6-3。圖6-3光纖的種類(lèi)和光的傳播（a）階躍型多模光纖（SI光纖）（b）梯度度型多模光纖（GI光纖）（c）單模光纖（SM光纖）

階躍型多模光纖和單模光纖的區(qū)別僅在于，后者的芯徑和折射率差都比前者小。設(shè)計(jì)時(shí)，適當(dāng)?shù)剡x取這兩個(gè)參數(shù)，以使得光纖中只能傳播最低模式的光，這就構(gòu)成了單模光纖。階躍型多模光纖和單模光纖的折射率分布都是突變的，纖芯折射率均勻分布具有恒定值nl，而包層折射率則為稍小于n1的常數(shù)n2，n(r)可表示為：

其中，r為離纖芯縱軸的徑向坐標(biāo)，a為纖芯半徑。

在梯度光纖中，纖芯折射率的分布是徑向坐標(biāo)的遞減函數(shù)，而包層折射率分布則是均勻的，可用下式表示：

其中g(shù)為冪指數(shù)，一般取2。

按光在光纖中傳播的模式來(lái)分有單模和多模光纖(見(jiàn)圖6-4)。圖6-4單模和多模光纖的幾何尺寸

按材料種類(lèi)分

玻璃光纖、塑料光纖和紅外光纖塑料光纖一般直徑較大(1mm)，傳輸距離較近，在幾十米以?xún)?nèi)，大孔徑，光耦合效率高遠(yuǎn)紅外區(qū)域石英光纖損耗較大，所以正在研究紅外用光纖。應(yīng)用前景較大的是氟化物光纖從傳感的角度來(lái)分，可以分為傳輸光纖和功能光纖6.1.2光在光纖中傳輸?shù)幕驹?/p>

如果有一束光投射到折射率分別為n1和n2的兩種媒質(zhì)界面上時(shí)，(設(shè)n1＞n2)，入射光將分為反射光和折射光。入射角θ1與折射角θ2之間服從光的折射定律：

當(dāng)θ1=sin-1n2/nl時(shí)，折射角θ2為直角，這時(shí)入射光線全部返回到原來(lái)的介質(zhì)中去，這種現(xiàn)象叫光的全反射。此時(shí)的入射角θ1=sin-1n2/nl叫做臨界角。在光纖中，光的傳送就是利用光的全反射原理，當(dāng)入射進(jìn)光纖芯子中的光與光纖軸線的交角小于一定值時(shí)，光線在界面上發(fā)生全反射。光在光纖中傳輸?shù)幕驹韓1n2θ1θ2

發(fā)生全反射時(shí)，光將在光纖的芯子中沿鋸齒狀路徑曲折前進(jìn)，但不會(huì)穿出包層，這樣就完全避免了光在傳輸過(guò)程中的折射損耗，如圖6-5所示。圖6-5光在光學(xué)纖維中的傳播途徑

傳輸模式是光學(xué)纖維最基本的傳輸特性之一。若一種光纖只允許傳輸一個(gè)模式的光波，則稱(chēng)它為單模光纖。如果一種光纖允許同時(shí)傳輸多個(gè)模式的光波，這種光纖為多模光纖。光學(xué)上把具有一定頻率，一定的偏振狀態(tài)和傳播方向的光波叫做光波的一種模式，或稱(chēng)光的一種波型。

多模光纖直徑為幾十至上百微米，與光波長(zhǎng)相比大得多，因此，許多模式的光波進(jìn)入光纖后都能滿(mǎn)足全反射條件，在光纖中得到正常的傳輸。在光纖的輸出端可以看到光強(qiáng)度分布的不同花樣，即在輸出端出現(xiàn)多個(gè)亮斑，一個(gè)亮斑代表多模光纖所傳輸?shù)囊环N模式的光波。

單模光纖的直徑只有3~10μm，同光波的波長(zhǎng)接近。在這樣細(xì)的光纖中，只有沿著光纖軸線方向傳播的一種模式的光波滿(mǎn)足全反射條件，在光纖中得到正常的傳輸。其余模式的光波由于不滿(mǎn)足全反射條件，在光纖中傳送一段距離后很快就被淘汰。

1多模光纖的傳輸頻率主要受到模式色散的限制，所以傳輸?shù)男畔⒘坎豢赡芎芨摺?/p>

2單模光纖不存在模式色散，所以傳輸頻帶比多模光纖寬，傳輸?shù)男畔⑷萘看?。在大容量、長(zhǎng)距離光纖通信中單模光纖具有美好的應(yīng)用前景。但單模光纖直徑太細(xì)，制造工藝要求高，所以目前使用還不普遍。多模光纖由于直徑較粗，制造工藝比單模光纖簡(jiǎn)單些，在使用中光纖的連接與耦合也比單模光纖容易得多。目前光通信所使用的光纖，大多是多模光纖。

光在光纖中傳播損耗光在光纖中傳播是有損耗的，這是光纖通信中最重要的問(wèn)題。這是由于在光纖中存在兩種損耗機(jī)制：1一種是吸收，這是光與光纖本身（在某些波長(zhǎng)情況下）和光纖中的雜質(zhì)相互作用的結(jié)果，引起電子躍遷。其后這些電子放出另一種波長(zhǎng)的光子或者把能量變成機(jī)械振動(dòng)（熱的形式）放出。2另一種能量損失是散射的方式，纖維的組織結(jié)構(gòu)的不完整性（尺寸上可能大于或小于所傳導(dǎo)的波長(zhǎng)）可以引起光更改傳播方向，逸出光導(dǎo)纖維。這些損耗都需要通過(guò)控制光纖的制備過(guò)程及選擇合適的工藝參數(shù)來(lái)降低。

6.1.3石英光纖制備方法

迄今為止，

大量付諸于實(shí)際應(yīng)用的光纖仍只有玻璃光纖和塑料光纖兩種，特別是二氧化硅石英光纖。當(dāng)今實(shí)用的石英光纖制造技術(shù)，是首先生產(chǎn)預(yù)制棒，預(yù)制棒由芯層和包層組成，它的截面的幾何尺寸和折射率分布與其控制的光纖一致，然后將預(yù)制棒加熱的一端拉制成光纖。為了提高生產(chǎn)效率和降低成本，預(yù)制棒向大棒的方向發(fā)展，目前一根預(yù)制棒可以拉制200Km光纖。特別是采用了高純度的合成管技術(shù)后，縮短了制棒時(shí)間，稀釋了雜質(zhì)，降低了光纖的光損耗，提高了光纖的機(jī)械性能，改善了光纖質(zhì)量。當(dāng)今加工技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用，幾乎可以使人們得到任意形狀和折射率分布的預(yù)制棒。

目前用于實(shí)際生產(chǎn)的制棒工藝主要有四種：即美國(guó)康寧公司發(fā)明的OVD法，美國(guó)前AT&T公司開(kāi)發(fā)的MCVD法，日本NTT公司研究出的AVD法及荷蘭前Philps公司發(fā)明的PCVD法。（1）管外氣相沉積——OVD法OVD法生產(chǎn)預(yù)制棒分兩步進(jìn)行。首先，將一根熔融石英玻璃母棒沿其縱軸在車(chē)床上轉(zhuǎn)動(dòng)，將氧氣和摻雜劑如SiCl4，GeCl4，BCl3，POCl3，送進(jìn)噴燈，噴出的氣體在高溫燃燒時(shí)，發(fā)生水解反應(yīng)生成氧化物粉塵沉積在均勻旋轉(zhuǎn)的母棒上，見(jiàn)圖6-6。如果噴燈也沿縱向來(lái)回運(yùn)動(dòng)，就一層層地生成一個(gè)多孔預(yù)制棒。

OVD法通過(guò)改變送進(jìn)噴燈的每路氣體的流量來(lái)控制沉積在母棒上每層的摻雜含量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)折射率分布的控制。對(duì)于梯度型折射率分布的多模光纖來(lái)說(shuō)，逐層減少GeCl4的流量，直到最后沉積純SiO2作為包層，這樣就可以實(shí)現(xiàn)其折射率分布。圖6-6OVD法工藝簡(jiǎn)圖

當(dāng)用作光纖纖芯和包層的沉積層達(dá)到一定的量后，停止沉積過(guò)程，從大的多孔預(yù)制棒中取出作為沉積基礎(chǔ)的母棒。第二步是對(duì)多孔預(yù)制棒在1400-1600℃之間進(jìn)行燒結(jié)，使疏松的氧化物粉末熔縮成一根透明的，無(wú)氣泡的固體玻璃棒，即所謂的玻璃化過(guò)程。在燒結(jié)期間，要不斷地用Cl2作為干燥劑噴吹預(yù)制棒，使殘留水從玻璃上除去，從而降低因?yàn)镺H離子吸收而帶來(lái)的光纖衰減的增加。（2）氣相軸向沉積法——AVD法AVD法與OVD法一樣，均屬管外沉積法。這兩種沉積方法的基本原理是一致的，區(qū)別在于沉積次序。OVD法沿縱向逐層沉積，并沿縱向逐漸變粗。AVD法逐層沉積預(yù)制棒橫截面并沿縱向逐漸增長(zhǎng)的過(guò)程，其工藝簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖6-7。圖6-7AVD法工藝簡(jiǎn)圖

預(yù)制棒的折射率分布是利用摻雜材料的混合比例隨反應(yīng)溫度而變化的性質(zhì)，通過(guò)控制氫氧噴燈的個(gè)數(shù)、位置、角度和火焰形成來(lái)加以實(shí)現(xiàn)的。

AVD法是利用火焰水解反應(yīng)生成多孔棒，不可避免地有OH離子殘存于多孔棒內(nèi)，因此在對(duì)多孔棒進(jìn)行玻璃化燒結(jié)的同時(shí)

，要進(jìn)行脫水處理，脫水處理的基本原理是把OH根與Cl，Br，F(xiàn)等鹵族元素進(jìn)行置換，經(jīng)加水分解反應(yīng)而合成玻璃煙塵。脫水燒結(jié)過(guò)程即玻璃化的過(guò)程，給制造低衰減光纖提供了良好的條件。

（3）改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積法——MCVD法美國(guó)Bell實(shí)驗(yàn)室首先利用MCVD法得到了摻Ge的熔融硅化學(xué)纖維。圖6-8是MCVD工藝的設(shè)備及工藝簡(jiǎn)圖。

圖6-8MCVD法工藝簡(jiǎn)圖

MCVD工藝的基本設(shè)備包括三大部分：車(chē)床、供氣系統(tǒng)和廢氣處理系統(tǒng)。車(chē)床具有很好的穩(wěn)定性，主要起夾持、穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)預(yù)制棒的功能，另外支持氫氧噴燈的來(lái)回移動(dòng)。供氣系統(tǒng)是將金屬鹵化物與高純O2一起送入石英管內(nèi)。反應(yīng)方程式如下：

SiCl4+O2→SiO2+2Cl2↑

GeCl4+O2→GeO2+2Cl2↑沉積過(guò)程中產(chǎn)生的氯氣為有害氣體，同時(shí)廢氣中還含有未附著在管壁的細(xì)小玻璃粒子。所以在排氣端有一凈化處理系統(tǒng)，讓尾氣被含有NaOH的堿溶液沖刷，發(fā)生酸堿中和反應(yīng)。（

4）等離子體化學(xué)氣相沉積法——PCVD法1976年，荷蘭Philips公司發(fā)明了等離子體化學(xué)沉積方法來(lái)制作光纖預(yù)制棒。PCVD和MCVD法均屬管內(nèi)法，兩者大同小異，主要區(qū)別在于提供反應(yīng)能量的方式不同，反應(yīng)機(jī)理有些不同。圖6-9為PCVD工藝簡(jiǎn)圖。圖6-9PCVD法工藝簡(jiǎn)圖

矩形波導(dǎo)將磁控管產(chǎn)生的微波傳至諧振腔內(nèi)再集中反射于石英襯管的管子中心，這一強(qiáng)電磁場(chǎng)將會(huì)使通過(guò)石英襯管的低壓氣體電離，而形成等離子態(tài)。在此狀態(tài)之下，粒子之間充分反應(yīng)，反應(yīng)效率遠(yuǎn)比其他工藝效率高。由于反應(yīng)所需的能量是由電磁波的方式直接耦合到石英襯管中央的，這就一方面避免了從外部過(guò)度加熱石英襯管而導(dǎo)致的變形，另一方面也使OH離子向芯部的擴(kuò)散速度減緩，保證了光纖的幾何性能和光學(xué)性能。

PCVD避免了反應(yīng)物的蒸發(fā)，提高了原材料的利用率。反應(yīng)后產(chǎn)生的尾氣和未沉積在管壁的反應(yīng)物經(jīng)由過(guò)濾器和NaOH清洗劑中和反應(yīng)后變?yōu)闊o(wú)害物質(zhì)。(5)光纖拉絲工藝石英光纖制作的第二階段是把預(yù)制棒拉絲成光纖，目前拉絲正朝著大長(zhǎng)度、高速率、在線改善光纖指標(biāo)、在線篩選和著色等綜合化的方向發(fā)展。圖6-10為拉絲工藝簡(jiǎn)圖。

圖6-10光纖拉絲工藝簡(jiǎn)圖

首先將預(yù)制棒夾持于預(yù)制棒饋送架上，該架可以自動(dòng)控制進(jìn)棒的速度和深度。石墨爐提供一個(gè)2000℃左右的高溫環(huán)境，為避免高溫氧化，爐中通以惰性氣體。預(yù)制棒被加熱熔化，其頂端的懸垂玻璃頭靠重力下落。絲徑降到一定值時(shí)開(kāi)始穿絲，拉絲速度達(dá)到一定值后開(kāi)始打開(kāi)涂覆器及固化裝置，對(duì)裸光纖涂上樹(shù)脂加以保護(hù)。

整個(gè)光纖拉絲塔是一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)。在未加樹(shù)脂之前的裸光纖由一激光測(cè)徑儀測(cè)控，若光纖直徑偏離設(shè)定值，如大于設(shè)定值，則可以通過(guò)加快拉絲速率，減緩進(jìn)棒速率或降低爐溫等方式加以調(diào)整。

經(jīng)兩次涂覆的光纖最終被盤(pán)在收線盤(pán)上，拉絲工序即告完成。拉絲工藝要解決三個(gè)方面的問(wèn)題：一是光纖的幾何尺寸。如裸光纖的直徑要控制在125±1μm范圍內(nèi)，除了有一個(gè)良好控制的負(fù)反饋系統(tǒng)外，同時(shí)也要求設(shè)備的狀態(tài)穩(wěn)定，另外兩層涂覆層均要與裸光纖同心。這就要求預(yù)制棒饋送路徑與光纖所經(jīng)歷的路徑完全在一條垂線上，即與垂線正交的平面為水平面。二是光纖的光學(xué)性能，如衰減。殘存應(yīng)力的存在會(huì)增大衰減，若是涂覆層和裸光纖之間存在內(nèi)應(yīng)力還會(huì)增加彎曲損耗。當(dāng)今高速率大容量的傳輸要求，對(duì)光纖的偏振模色散(PMD)指標(biāo)提出了很高的要求。由于PMD主要由光纖中的殘存應(yīng)力和其幾何不均勻性引起，所以在拉絲過(guò)程中要嚴(yán)格控制拉絲張力和爐溫。三是機(jī)械強(qiáng)度問(wèn)題。

光纖的機(jī)械強(qiáng)度在拉絲過(guò)程中主要受五個(gè)因素的影響：①預(yù)制棒表面本身存在缺陷，如劃傷、雜質(zhì)附著和清洗液殘留等；②爐內(nèi)保護(hù)氣體不純，爐體上下出口處漏氣和氣流不穩(wěn)帶進(jìn)O2等；③高溫下石墨爐中發(fā)熱體或其他配體游離出來(lái)的C離子會(huì)與SiO2中的Si4+生成非常堅(jiān)硬的SiC粒子，裸光纖也會(huì)在表面形成缺陷；④光纖在石墨爐和涂覆器之間氣體環(huán)境不純；⑤塔身準(zhǔn)直不好，或附件沒(méi)有與塔身保持平直，使光纖在拉絲過(guò)程中被損傷。

6.2光色材料

材料受光照射著色，停止光照時(shí)，又可逆地退色，這一特性稱(chēng)為材料的光色現(xiàn)象。這類(lèi)材料稱(chēng)為光色材料。

6.2.1光色玻璃根據(jù)照相化學(xué)原理制成的含鹵化銀的玻璃是一種光色材料。它是以普通的堿金屬硼硅酸鹽玻璃的成分為基礎(chǔ)，加入少量的鹵化銀如氯化銀（AgCl）、溴化銀（AgBr）、碘化銀（AgI）或它們的混合物作為感光劑，再加入極微量的敏化劑制成，加入敏化劑的目的是為了提高光色互變的靈敏度。敏化劑為砷、銻、錫、銅的氧化物，其中氧化銅特別有效。將配好的原料采用和制造普通玻璃相同的工藝，經(jīng)過(guò)熔制、退火和適當(dāng)?shù)臒崽幚砭涂芍频名u化銀光色玻璃。

著色和退色機(jī)理如下：鋁硅酸鹽玻璃中引入的銀鹽(0.2～0.7%)和鹵素(0.2%Ag化學(xué)計(jì)量)，經(jīng)過(guò)熔化、成型和熱處理后，會(huì)使鹵化銀亞微晶體聚集成一定大小(100~250?)，在紫外線或太陽(yáng)光等短波長(zhǎng)的光線輻照下，將引起光分解，產(chǎn)生膠態(tài)銀原子，當(dāng)銀原子集中到一定程度，就形成Ag膠體，產(chǎn)生著色。由于光分解后的鹵素不能從玻璃基體的晶格中逸出，因此，當(dāng)停止光輻照后，由于熱或長(zhǎng)波長(zhǎng)的光的作用，銀原子與鹵素再結(jié)合，又回到原有的鹵化銀狀態(tài)：

在式中，當(dāng)hν1>hν2時(shí)，反應(yīng)向左邊進(jìn)行，此為著色過(guò)程。而當(dāng)hν2＞hν1或被加熱時(shí)，反應(yīng)向右邊進(jìn)行，稱(chēng)為退色過(guò)程。在黑暗中及室溫下，由于分子熱運(yùn)動(dòng)，玻璃也會(huì)緩慢退色。

玻璃中加入微量氧化銅會(huì)引起敏化劑(即增感劑)作用，促使上述反應(yīng)向左進(jìn)行。Cu+在鹵化銀的微晶中，是作為空穴的俘獲中心，能提高Ag的著色靈敏度至若干數(shù)量級(jí)。

光色玻璃的性能可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。改變光色玻璃中感光劑的鹵素離子種類(lèi)和含量，就可調(diào)節(jié)使光色玻璃由透明變暗所需輻照光的波長(zhǎng)范圍。如僅含氯化銀晶體的光色玻璃的光譜靈敏范圍為紫外光到紫光；若含氯化銀和溴化銀晶體，則其靈敏范圍為紫外光到藍(lán)綠光區(qū)域。光色玻璃熔制后，要進(jìn)行熱處理。通過(guò)控制溫度與時(shí)間，可控制玻璃中析出的鹵化銀晶體顆粒大小，從而達(dá)到調(diào)節(jié)光色玻璃的光色性能的目的。

一些單晶體也具有光色互變特性，用白光照射摻稀土元素(Sm)和銪(Eu)的氟化鈣(CaF2)單晶體時(shí)，晶體呈綠色；如果這晶體用紫外光照射一下，綠色就退去，變成無(wú)色，如再用白光照射，又會(huì)變成綠色。

光色晶體對(duì)于光色晶體顏色的可逆變化，通常是由于材料中(含微量摻雜物)存在兩種不同能量的電子陷阱，它們之間發(fā)生光致可逆電荷轉(zhuǎn)移。在熱平衡時(shí)（光照處理前），捕獲的電子先占據(jù)能量低的A陷阱，吸收光譜為A帶。當(dāng)在A帶內(nèi)曝光時(shí)，電子被激發(fā)至導(dǎo)帶，并被另一陷阱B(能量高于A陷阱)捕獲，材料轉(zhuǎn)換成吸收光譜為B帶的狀態(tài)，即被著色了。如果把已著色的材料在B帶內(nèi)曝光（或用升高溫度的熱激發(fā)）時(shí)，處于B陷阱內(nèi)的電子被激發(fā)到導(dǎo)帶，最后又被A陷阱重新捕獲，顏色被消除。

CB

AeBVB對(duì)LiNbO3晶體而言A=Mn,B=Fe,e:A→B(光色）A=Cu,B=Fe,e:B→A(漂白）A=Cu,B=Ce,e:A—B(不敏感）光色材料一個(gè)重要用途是作為光存儲(chǔ)材料，由于光色材料的顏色在光照下可逆變化，所以產(chǎn)生兩種型式的光學(xué)存儲(chǔ)，即“寫(xiě)入”型與“消除”型，寫(xiě)入型是用適當(dāng)?shù)淖瞎饣蜃贤饩€輻射來(lái)“轉(zhuǎn)換”最初處于熱穩(wěn)定或非轉(zhuǎn)換態(tài)的材料；消除型是用適當(dāng)?shù)目梢?jiàn)“消除”光對(duì)預(yù)先在轉(zhuǎn)換輻射下均勻曝光而變黑的材料進(jìn)行有選擇的光學(xué)消除。

光色材料用于全息存儲(chǔ)具有如下特點(diǎn)：(1)存儲(chǔ)信息可方便地擦除，并能重復(fù)進(jìn)行信息的擦寫(xiě)；(2)具有體積存儲(chǔ)功能，利用參考光束的入射角度選擇性，可在一個(gè)晶體中存儲(chǔ)多個(gè)厚全息圖；(3)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)損讀出。

CPRCrystalZI1(0)I2(0)I2(L)I1(L)2θ6.3紅外材料

1800年，英國(guó)物理學(xué)家赫舍爾發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)光經(jīng)棱鏡分光后所得到光譜中還包含一種不可見(jiàn)光。它通過(guò)棱鏡后的偏折程度比紅光還小，位于紅光譜帶的外側(cè)，所以叫紅外線。紅外線同可見(jiàn)光一樣在本質(zhì)上都是電磁波。它的波長(zhǎng)范圍很寬，從0.7μm到1000μm。紅外線按波長(zhǎng)可分為三個(gè)光譜區(qū)：近紅外(0.7~15μm)，中紅外(15~50μm)和遠(yuǎn)紅外(50~1000μm)。紅外線與可見(jiàn)光一樣，具有波的性質(zhì)和粒子的性質(zhì)，遵守光的反射和折射定律；在一定條件下產(chǎn)生干涉和衍射效應(yīng)。

紅外線與可見(jiàn)光不同之處：（1）紅外線對(duì)人的肉眼是不可見(jiàn)的；