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  • 激光原理及其應(yīng)用

    作者:佚名 來源:網(wǎng)絡(luò)文檔 時間:2020-11-17 11:08 閱讀:4535 [投稿]
    激光指通過受激輻射放大和必要的反饋,產(chǎn)生準(zhǔn)直、單色、相干的光束的過程及儀器。而基本上,產(chǎn)生激光需要"共振腔"(resonator)、"增益介質(zhì)"(gain medium)以及"激發(fā)來源"(pumping source)這三個要素。

    激光通信先進在哪里?激光通信的優(yōu)點首先是容量大。它的容量有多大呢?當(dāng)我們平時打電話時,講著講著有時會串進來不相干的說話聲。這種打架現(xiàn)象是由于一對電話線上只能通過一路電話,如果另外串進來一路電話,正常的通話雙方就會受到干擾。假如有10對人同時用一對電話線通話,就等于20個人同時講話,那就根本無法通話了。為了解決這個問題,就必須采用載波等方法,使各路電話分別處在各個頻段上。由于普通電話的頻率范圍為300~400赫,而在一對電話線上最高頻率只有1500千赫,所以在一對電話線上只能同時通過十幾路電話。顯然,這樣的電信容量是遠遠不能滿足當(dāng)今信息社會的要求的。

    如果我們把普通電話的傳輸信息量比作是小推車的話,那么激光通信則是汽車。由于激光的頻率要比無線電波高得多,所以激光通信的信息容量要比電氣通信大10億倍。一根比頭發(fā)絲還細的光纖就可以傳輸幾萬路電話或幾千路電視節(jié)目。由20根光纖組成的光纜只有一支鉛筆那樣粗細,每天可以通話76200人次。相比之下,由1800根銅線組成的電纜,直徑約7.6厘米,但每天卻只能通話900人次。

    尤其令人驚訝的是,光纖通信特別適合于電視、圖像和數(shù)字的傳遞。據(jù)報道,一對光纖可在一分種內(nèi)傳遞全套《大英百科全書》。

    此外,制造光導(dǎo)纖維的材料是地球上到處都有的砂子——石英,只要幾克石英就能制造出1千米長的光纖。這樣,不僅原材料取之不盡、用之不竭,還可以大大節(jié)約銅和鋁材。正因為如此,目前世界上發(fā)達國家都在競相研究激光通信。于是激光通信成了爭相發(fā)展的寵兒。

    在通信技術(shù)史上,光纖通信技術(shù)的發(fā)展之快是前所未有的。拿通信技術(shù)史上的幾個里程碑來看,電話從發(fā)明到應(yīng)用,花費了60年左右的時間,并且電話通信至今仍大量、普遍使用。無線電技術(shù)(例如電報)從發(fā)明到應(yīng)用也花了30年左右時間。電視技術(shù)雖然發(fā)展較快,但仍然孕育了約14年。而激光通信,從第一根低損耗光導(dǎo)纖維的誕生到應(yīng)用,總共只有5年時間。現(xiàn)在激光通信不僅應(yīng)用廣泛,而且形成了巨大的光纖市場。

    1977年5月,美國有一家大公司叫電報電話公司,它在芝加哥市內(nèi)的兩個電話局之間,敷設(shè)了世界上第一條短距離的光導(dǎo)纖維通信線路,此后在全美國近百個地方建立了總長幾百千米的短距離激光通信線路。這就意味著在短距離內(nèi),激光通信已開始取代普通的電氣通信。到了1983年,美國紐約到波士頓之間長達600千米的光導(dǎo)纖維通信已投入使用。

    緊跟在美國后面的是日本。1984年,日本完成了從北海道的札幌至九州福岡的長距離光導(dǎo)纖維通信干線,全長達2800千米,中間聯(lián)結(jié)著30多個城市。1993年12月,中國和日本之間橫跨東海的光纖電纜已鋪設(shè)成功。日本和美國之間橫跨太平洋的長達1萬千米的海底光纜也在設(shè)計中。

    由于光導(dǎo)纖維通信的蓬勃發(fā)展,美、日、英、法等工業(yè)發(fā)達國家相繼成立了光導(dǎo)纖維、光纜生產(chǎn)企業(yè)。世界上三大著名的光纖光纜公司——美國的西電公司、康寧公司和日本的住友公司,光導(dǎo)纖維產(chǎn)量每年都在12萬千米以上。

    總之,工業(yè)發(fā)達國家都已建立了全國性的光纖通信網(wǎng)絡(luò),以便徹底替代目前的銅質(zhì)電線電纜,這項浩大的技術(shù)工程估計到2000年可告完成。到那時候,激光通信將給我們這個地球帶來巨大變化。例如,足不出戶就可以利用光纖網(wǎng)絡(luò)在家中處理文件或參加一個會議;或者將家中的光纖網(wǎng)絡(luò)與購物中心相連,如同置身在超級市場一樣,坐在家中選購需要的商品,貨款只須與電子金融購物系統(tǒng)結(jié)算。各地的醫(yī)療中心也可以從屏幕上查看病人的病情和化驗報告,并據(jù)此開出處方單,從而真正做到“秀才不出門,可知天下事”,“運籌于帷幄之中,決勝于千里之外”。

    激光和光纖還可以傳送圖像。首先,要將直徑比人頭發(fā)絲還要細的單根光導(dǎo)纖維組合成纖維束。在傳送信息過程中,常用的纖維束有兩種:一種叫傳光束,另一種叫傳像束。傳光束的任務(wù)是將光從一頭傳到另一頭。傳光束結(jié)構(gòu)比較簡單,它是由多根單絲膠合在一起,再將其端面拋光、研磨,以便減少光進入光纖時的反射和散射損失,然后在傳光束外面套上塑料護套。

    由于一根光纖只能傳送一個光點,要傳送整幅圖像就必須將光導(dǎo)纖維一根一根整齊地排列起來,這樣組成的光纖束就叫傳像束。

    在傳像束中,全部光纖都排列得整整齊齊,兩個端頭所處的位置都一一嚴(yán)格對應(yīng),一點也不混亂,就像一把整齊的筷子那樣。比如,某根光纖的一頭在傳像束中處于第八排第八列的位置上,那么它的另一頭也同樣是處于八、八位置上。

    傳像束在傳送圖像時,首先將圖像分割成網(wǎng)眼狀,即一幅圖像被無數(shù)根光纖分解成無數(shù)個像元,然后再傳送出去。一根光纖負責(zé)傳送一個像元,無數(shù)根光纖便能將整幅圖像傳送到另一端。如果要使圖像傳送得清晰,就要盡可能選用直徑較細的光纖,因為光纖越細,在一定的傳像束上就能容納進更多的光束,這樣就能傳送更多的像元。顯然,像元越多,圖像就越清晰。

    現(xiàn)在應(yīng)用的傳像束由上萬根光纖組成,要把這么多光纖整齊地排列起來可不是一件容易的事。排列好后,再用一種叫作環(huán)氧樹脂的有機粘合劑將兩端膠合,使光纖粘結(jié)固定,保證兩端光纖一一對應(yīng)。對兩個端面還要磨平和拋光。至于中間部分則不必粘牢,而是像二胡的弦那樣松散,只須在外面加上保護的塑料套管,這樣的傳像束既柔軟,又可以任意彎曲。

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