高中化學(xué)必修二的知識(shí)點(diǎn)歸納(2)
高中化學(xué)必修二的知識(shí)點(diǎn)歸納
高中化學(xué)光導(dǎo)纖維學(xué)習(xí)方法
光導(dǎo)纖維
直到1960年，美國(guó)科學(xué)家Maiman發(fā)明了世界上第一臺(tái)激光器后，為光通訊提供了良好的光源。隨后二十多年，人們對(duì)光傳輸介質(zhì)進(jìn)行了攻關(guān)，終于制成了低損耗光纖，從而奠定了光通訊的基石。從此，光通訊進(jìn)入了飛速發(fā)展的階段。
前香港中文大學(xué)校長(zhǎng)高錕于1965年在一篇論文中提出以石英基玻璃纖維作長(zhǎng)程信息傳遞，將帶來(lái)一場(chǎng)通訊業(yè)的革命，并提出當(dāng)玻璃纖維損耗率下降到20分貝/公里時(shí)，光導(dǎo)纖維通訊(即現(xiàn)在所謂的光纖通訊)就會(huì)成功。引發(fā)了光導(dǎo)纖維的研發(fā)熱潮，1970年康寧公司最先發(fā)明并制造出世界第一根可用于光通信的光纖，使光纖通信得以廣泛應(yīng)用。被視為光纖通信的里程碑之一，高錕也因此被國(guó)際公認(rèn)為“光纖之父”，高錕也因此獲得2009年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
概述
光通訊是人類最早應(yīng)用的通訊方式之一。
從烽火傳遞信號(hào)，到信號(hào)燈﹑旗語(yǔ)等通訊方式，都是光通訊的范疇。但由于受到視距﹑大氣衰減﹑地形阻擋等諸多因素的限制，光通訊的發(fā)展緩慢。1870年的一天，英國(guó)物理學(xué)家丁達(dá)爾到皇家學(xué)會(huì)的演講廳講光的全反射原理，他做了一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)：在裝滿水的木桶上鉆個(gè)孔，然后用燈從桶上邊把水照亮。結(jié)果使觀眾們大吃一驚。
人們看到，放光的水從水桶的小孔里流了出來(lái)，水流彎曲，光線也跟著彎曲，光居然被彎彎曲曲的水俘獲了(圖4-11)。人們?cè)?jīng)發(fā)現(xiàn)，光能沿著從酒桶中噴出的細(xì)酒流傳輸;人們還發(fā)現(xiàn)，光能順著彎曲的玻璃棒前進(jìn)。這是為什么呢?難道光線不再直進(jìn)了嗎?這些現(xiàn)象引起了丁達(dá)爾的注意，經(jīng)過(guò)他的研究，發(fā)現(xiàn)這是全反射的作用，即光從水中射向空氣，當(dāng)入射角大于某一角度時(shí)，折射光線消失，全部光線都反射回水中。表面上看，光好像在水流中彎曲前進(jìn)。
實(shí)際上，在彎曲的水流里，光仍沿直線傳播，只不過(guò)在內(nèi)表面上發(fā)生了多次全反射，光線經(jīng)過(guò)多次全反射向前傳播。光導(dǎo)纖維是一種透明的玻璃纖維絲，直徑只有1~100μm左右。它是由內(nèi)芯和外套兩層組成，內(nèi)芯的折射率大于外套的折射率，光由一端進(jìn)入，在內(nèi)芯和外套的界面上經(jīng)多次全反射，從另一端射出。光導(dǎo)纖維為混合物，屬于非晶體。
光纖傳輸
通信用的激光一般在特殊的管道-------光導(dǎo)纖維里傳播。目前，光導(dǎo)纖維的主要成分是二氧化硅。
光纖傳輸有許多突出的優(yōu)點(diǎn)：
頻帶寬頻帶的寬窄代表傳輸容量的大小。光導(dǎo)纖維載波的頻率越高，可以傳輸信號(hào)的頻帶寬度就越大。在VHF頻段，載波頻率為48.5MHz～300Mhz。帶寬約250MHz，只能傳輸27套電視和幾十套調(diào)頻廣播。
可見(jiàn)光的頻率達(dá)100000GHz，比VHF頻段高出一百多萬(wàn)倍。盡管由于光纖對(duì)不同頻率的光有不同的損耗，使頻帶寬度受到影響，但在最低損耗區(qū)的頻帶寬度也可達(dá)30000GHz。目前單個(gè)光源的帶寬只占了其中很小的一部分(多模光纖的頻帶約幾百兆赫，好的單模光纖可達(dá)10GHz以上)，采用先進(jìn)的相干光通信可以在30000GHz范圍內(nèi)安排2000個(gè)光載波，進(jìn)行波分復(fù)用，可以容納上百萬(wàn)個(gè)頻道。損耗低光導(dǎo)纖維的燒制在同軸電纜組成的系統(tǒng)中，最好的電纜在傳輸800MHz信號(hào)時(shí)，每公里的損耗都在40dB以上。
相比之下，光導(dǎo)纖維的損耗則要小得多，傳輸1.31um的光，每公里損耗在0.35dB以下若傳輸1.55um的光，每公里損耗更小，可達(dá)0.2dB以下。這就比同軸電纜的功率損耗要小一億倍，使其能傳輸?shù)木嚯x要遠(yuǎn)得多。
此外，光纖傳輸損耗還有兩個(gè)特點(diǎn)，一是在全部有線電視頻道內(nèi)具有相同的損耗，不需要像電纜干線那樣必須引人均衡器進(jìn)行均衡;二是其損耗幾乎不隨溫度而變，不用擔(dān)心因環(huán)境溫度變化而造成干線電平的波動(dòng)。
重量輕因?yàn)楣饫w非常細(xì)，單模光纖芯線直徑一般為4um～10um，外徑也只有125um，加上防水層、加強(qiáng)筋、護(hù)套等，用4～48根光纖組成的光纜直徑還不到13mm，比標(biāo)準(zhǔn)同軸電纜的直徑47mm要小得多，加上光纖是玻璃纖維，比重小，使它具有直徑小、重量輕的特點(diǎn)，安裝十分方便。
抗干擾能力強(qiáng)因?yàn)楣饫w的基本成分是石英，只傳光，不導(dǎo)電，不受電磁場(chǎng)的作用，在其中傳輸?shù)墓庑盘?hào)不受電磁場(chǎng)的影響，故光纖傳輸對(duì)電磁干擾、工業(yè)干擾有很強(qiáng)的抵御能力。也正因?yàn)槿绱?，在光纖中傳輸?shù)男盘?hào)不易被竊聽(tīng)，因而利于保密。
保真度高因?yàn)楣饫w傳輸一般不需要中繼放大，不會(huì)因?yàn)榉糯笠齺?lái)新的非線性失真。只要激光器的線性好，就可高保真地傳輸電視信號(hào)。實(shí)際測(cè)試表明，好的調(diào)幅光纖系統(tǒng)的載波組合三次差拍比C/CTB在70dB以上，交調(diào)指標(biāo)cM也在60dB以上，遠(yuǎn)高于一般電纜干線系統(tǒng)的非線性失真指標(biāo)。
工作性能可靠我們知道，一個(gè)系統(tǒng)的可靠性與組成該系統(tǒng)的設(shè)備數(shù)量有關(guān)。設(shè)備越多，發(fā)生故障的機(jī)會(huì)越大。因?yàn)楣饫w系統(tǒng)包含的設(shè)備數(shù)量少(不像電纜系統(tǒng)那樣需要幾十個(gè)放大器)，可靠性自然也就高，加上光纖設(shè)備的壽命都很長(zhǎng)，無(wú)故障工作時(shí)間達(dá)50萬(wàn)～75萬(wàn)小時(shí)，其中壽命最短的是光發(fā)射機(jī)中的激光器，最低壽命也在10萬(wàn)小時(shí)以上。故一個(gè)設(shè)計(jì)良好、正確安裝調(diào)試的光纖系統(tǒng)的工作性能是非?？煽康?。
成本不斷下降目前，有人提出了新摩爾定律，也叫做光學(xué)定律(Optical Law)。該定律指出，光纖傳輸信息的帶寬，每6個(gè)月增加1倍，而價(jià)格降低1倍。光通信技術(shù)的發(fā)展，為Internet寬帶技術(shù)的發(fā)展奠定了非常好的基礎(chǔ)。這就為大型有線電視系統(tǒng)采用光纖傳輸方式掃清了最后一個(gè)障礙。
由于制作光纖的材料(石英)來(lái)源十分豐富，隨著技術(shù)的進(jìn)步，成本還會(huì)進(jìn)一步降低;而電纜所需的銅原料有限，價(jià)格會(huì)越來(lái)越高。顯然，今后光纖傳輸將占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，成為建立全省、以至全國(guó)有線電視網(wǎng)的最主要傳輸手段。
噪聲小光導(dǎo)纖維傳播信息時(shí)發(fā)出的噪聲很小。在傳輸信息容量非常大時(shí)，光導(dǎo)纖維也不會(huì)發(fā)出大的噪音。
高中化學(xué)光導(dǎo)纖維學(xué)習(xí)方法(二)
激光和激光器
激光是光通訊的最理想光源?，F(xiàn)在，可以生產(chǎn)多種激光器，可產(chǎn)生多種功率和波長(zhǎng)的激光。由于激光是以受激輻射的光放大為基礎(chǔ)的發(fā)光現(xiàn)象，同以自發(fā)輻射為基礎(chǔ)的普通光源相比，具有許多鮮明的特點(diǎn)。
單色性好
我們知道，不同顏色的光具有不同的波長(zhǎng)。所謂單色光，實(shí)際是波長(zhǎng)范圍很小的一段輻射。譜線寬度越窄(即波長(zhǎng)范圍越小)，光的單色性就越好。需要說(shuō)明的是，這里的譜線寬度是未調(diào)制前激光所包含的波長(zhǎng)范圍，它與激光調(diào)制后的頻帶寬度是兩個(gè)不同的概念。調(diào)制前的譜線寬度越窄，調(diào)制后可以有效利用的頻帶寬度就越寬。
因?yàn)榧す馐窃谔囟芗?jí)之間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)后產(chǎn)生的受激輻射，又經(jīng)過(guò)諧振腔的選頻作用，使其輸出光的譜線寬度很小，即具有很好的單色性。利用激光的單色性好，譜線分辨率高，可用來(lái)研究物質(zhì)的能級(jí)和光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)，制成一年內(nèi)誤差不超過(guò)一微秒的標(biāo)準(zhǔn)鐘。
方向性好我們通常用光的發(fā)散角來(lái)描述其方向性，發(fā)散角越小，方向性越好。普通光源中最好的探照燈，其發(fā)散角為0.1rad(弧度)。如果把它照射到離地球40萬(wàn)公里的月球上(這實(shí)際是不可能的)，其光斑直徑有幾萬(wàn)公里。
在激光器中，由于受激原子發(fā)光的方向與外來(lái)光相同，再加上諧振腔只允許沿軸線傳播的光得到放大，使輸出激光的方向性很好，發(fā)散角可達(dá)10 rad，把它照射到月球上，光斑直徑不到2km。利用激光的方向性好，可用于測(cè)距、定位、導(dǎo)航等。
亮度高由于激光器可以做到斷續(xù)發(fā)光，使其能量積累到一定程度再突發(fā)出來(lái)，因而具有很高的功率，最大可達(dá)10 W，再加上激光的方向性好，使其亮度極高，比太陽(yáng)的亮度還高出上千億倍，只有氫彈爆炸瞬間的強(qiáng)烈閃光才能與之相比。利用激光的高亮度，可以在局部范圍產(chǎn)生10萬(wàn)度以上的高溫，進(jìn)行打孔、焊接、手術(shù)以及可控?zé)岷朔磻?yīng)等等。
相干性好
所謂相干性是指兩束光能夠發(fā)生干涉，形成穩(wěn)定的明暗相間干涉圖像的特性。由于受激輻射原子發(fā)出的光在頻率、位相、振動(dòng)方向等方面都同外來(lái)光子一樣，使激光具有很好的相干性比較接近于理想的、完全相干的電磁波。
一般單色光源發(fā)出光的相干長(zhǎng)度不超過(guò)O.1m，但激光的相干長(zhǎng)度可達(dá)幾十公里。這里的相干長(zhǎng)度是指把一束光分成兩束，讓它們經(jīng)過(guò)不同的路程，能夠產(chǎn)生干涉的最大光程差。利用激光的相干性好，可以進(jìn)行全息攝影，進(jìn)行精密測(cè)量?，F(xiàn)代光纖網(wǎng)干線長(zhǎng)度一般較長(zhǎng)(幾十公里以上)，且傳輸頻道較多，從系統(tǒng)質(zhì)量、可靠性，以及經(jīng)濟(jì)上各方面考慮，都應(yīng)該選擇調(diào)幅光纖系統(tǒng)。
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