基于飞秒掺钛蓝宝石激光器和光子晶体光纤的超高分辨光学相干CT.
2008年第53卷第12期: 1379 ~ 1382
https://www.360docs.net/doc/9a5987689.html, https://www.360docs.net/doc/9a5987689.html,
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《中国科学》杂志社
SCIENCE IN CHINA PRESS
专题
基于飞秒掺钛蓝宝石激光器和光子晶体光纤的超高分辨光学相干CT
葛惠民①②, 薛平①*, 茅卫红①
①清华大学物理系, 原子分子纳米科学教育部重点实验室, 北京 100084; ②浙江机电职业技术学院, 杭州 310053 * 联系人, E-mail: xuep@https://www.360docs.net/doc/9a5987689.html, 2007-12-07收稿, 2008-01-30接受
国家重点基础研究发展计划(编号: 001CB510307、国家高技术研究发展计划(编号: 2006AA02Z472、国家自然科学基金(批准号: 90508001, 10574081 和教育部重点实验室项目(编号: 306020资助
摘要通过将飞秒激光脉冲耦合到空气石英微结构光纤, 获得了超高纵向分辨率的光学相干CT 成像. 利用中心在540 nm、可见光谱范围450~700 nm的超连续光谱, 可以获得高达0.64 μm的自由空间纵向分辨率. 光学相干CT 系统灵敏度在样品光功率3 mW时, 可达到108 dB, 仅仅低于理论极限7 dB. 同时展示了亚细胞分辨的光学相干CT 的图像, 该高分辨光学相干CT 在生物医学应用中有很好的前景.
关键词光学相干CT 飞秒激光器超连续谱产生光子晶体光纤
光学相干层析成像(optical co-herence tomography, 简称OCT 或光学相干CT 是一项新兴的光学断层扫描成像技术, 具有微米数量级的高分辨, 可应用于生物医学材料的成像. 光学相干CT 类似于超声成像, 只不过它利用低相干光而不是声波
[1]
, 通过低相干光的干涉仪方式, 对
反射或背向散射光进行探测, 得到高分辨图像. 相比于传统的X 光CT 、核磁
共振成像和超声成像, 光学相干CT 具有非侵入损伤、安全、便携和高分辨等优点.
事实上, 目前时域光学相干CT 系统主要基于一种分振幅的干涉仪, 例如迈克尔逊干涉仪或马赫-曾特尔干涉仪. 在分振幅的干涉仪中, 利用50/50的分束器, 将光源光束分为两部分, 它们的波前和光源是一致的, 但振幅只有一半. 在传统光学相干
CT 系统中, 所分出的两束光分别为
样品光和参考光. 这两束光分别被样品和参考镜反射到探测器, 当二者到达探测器的光程差小于光源的相干长度时, 就会发生干涉现象. 对相干信号进行调制和解调, 利用 A/D模数转换卡对信号进行数字化, 就可以得到样品图像的一线数据. 沿着样
品进行扫描, 就可以获得一幅二维的样品断层图像.
近来, 光学相干CT 技术有了快速的发展. 通过结合多普勒原理、快速光学延迟线技术以及内窥导管技术
, 光学相干CT 的应用有了大
大的扩展. 光谱或傅里叶域光学相干CT(FD-OCT, 由于具有快速轴向扫描速度和高灵敏度, 也引起广泛的关注.
近年来, 生物医学研究对光学成像方法的应用有越来越多的需求. 两个最基本的要求是: 其一是要适于长期观察、安全地快速成像, 另外
是要可以获取详细信息的高分辨成像. 由于超快激光技术的发展和高非线性光子晶体光纤, 如空气-石英微结构光纤
[6]
和拉锥光纤
[7]
的出现,
人们可以通过将低脉冲能量的飞秒激光注入光子晶体光纤, 获得390~ 1600 nm 的超宽连续光谱. 根据光学相干CT 深度分辨率正比于λ2/ Δλ关系, 这个带宽就可以使得光学相干CT 达到超高分辨率.
本文我们介绍了通过利用商用掺钛蓝宝石飞秒激光器, 将激光脉冲耦合进空气-石英微结构光纤, 获得了中心波长为540 nm, 波长从450 到700 nm的宽带宽的可见光. 所获得的光谱, 之所以无法进一步扩展, 在短波长一侧, 是由于受到显微物镜透过率的限制; 而在长波长一侧, 是由于光谱分析仪探测范围所限制. 由于光学相干CT 深度分辨率正比于
λ2/Δλ, 目前所获得的带宽也许是最
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适于获得高分辨率的, 因为波长越短或带宽越宽, 则分辨率越高. 利用此连续频谱的可见光波段, 我们的实验表明, 光学相干CT 的纵向分辨率可以高达0.64 μm. 实验中, 由于通常的光学材料在此工作波段高色散, 以及缺少宽带的光纤分束耦合器, 我们于是搭建了自由空间的光学装置, 演示实现了在可见光波段的超高分辨率的光学相干CT 系统, 如图1所示. 实验中采用双平衡探测, 以降低来自光源的噪声, 利用半波片优化激光束到晶体光纤的耦合, 探测器前光阑的作用是挡住背向散射光, 而法拉第隔离器则是去除激光自光纤耦合的反射光, 保证激光系统的稳定运行.
在样品端, 将镀银反射镜作为样品, 通过前后移动扫描此反射镜, 测量它的反射光, 与参考镜的光进行干涉, 由此可以得出相关的曲线参数, 从而说明在空气中光学
相干CT 以亚微米纵向分辨率进行成像的可行性. 图2(a是通过光谱分析仪所测量到的准直后的超连续光谱的频
谱, 所测量到的频谱中心为540 nm, 半高全宽(FWHM带宽为26 nm. 探测器所测量得到的光的干涉信号及其包络线如图2(b所示. 将此干涉信号进行傅里叶变换, 就可以计算出探测器实际探测响应的光频谱范围, 如图2(c所示. 通过计算图2(b的干涉信号包络的半高全宽, 可得到自由空间的光学相干CT 分辨率. 实验数据表明, 我们的系统达到了0.64 μm的分辨率, 这是目前在此波段范围内的光学相干CT 的最高分辨率
[8,9]
.
图2(c是通过干涉信号的傅里叶变换, 计算得到的光探测器所实际探测响应的光频谱. 所探测到的光谱带宽达到170 nm. 带宽展宽的原因可能来自两个因素: 一是光源的短波区域衰减得多, 另外是探测器在长波波段的光谱响应低. 具体而言, 就是因为实验装置中, 光学器件和探测器前的窗口, 在短波长区域由于吸收等因素, 透过率相对较低. 进一步, 在光谱突变处, 由于探测器的电子对光谱的敏感和区分性不高, 会导致类似的平滑效应. 所以某种程度上, 光干涉信号变为电子
学信号后, 对于光谱中所不想要的
两个峰, 起到了抑制作用. 在图2(a和(c中, 可以看到经过光谱变换整形后, 它们间还有很明显的光谱结构特征, 图上用间隔线特别标示出来. 样品臂和参考臂的光的群速度延迟或色散的失配, 也可以通过干涉信号的傅里叶变换的相位信息获得, 如图2(d所示. 可以看到, 色散失配在480~700 nm区间相对较低, 其原因是由于实验中采取了对称的结构, 保证了参考臂和样品臂的一致性. 在两个探测器前, 放置了直径15 μm的小孔光阑, 其作用是消除由于样品的多次散射导致的干扰背景. 为进一步提高信躁比, 实验中采用了双平衡探测方法. 在光电探测器上的光强均衡, 可以通过调节放置在探测器D2和显微物镜MO 前的光阑A 来获得.
我们在样品臂放置了一块光学密度为3.5 O.D.的中性衰减片, 并将一片反射镜作为样品, 当入射光强在样品处为
3 mW时, 干涉信号仍然具有38 dB的信躁比, 因此系统总的信躁比为(38+35×2 dB=108 dB, 比理论极限值只低了7 dB. 理论信躁比
图1 以空气-石英微结构晶体光纤得到的超连续光谱为光源的高分辨光学相干CT 系统
MO, 显微物镜; BS, 分束镜; D1, D2, 光电探测器; λ/2, 半波片; A, 光阑
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快讯
图2
(a 光谱整形前晶体光纤出射的典型光谱; (b 用反射镜为样品扫描得到的干涉信号, 包络的半高全宽为0.64 μm; (c 通过干涉信号(b的傅里叶变换得到的实际探测响应的光谱; (d 通过干涉信号(b的傅里叶变换得到的相位失配曲线. 竖直虚线标示出相关的明显的光谱特征
是基于闪粒噪声极限, 由公式SNR = 10 ln[(ηP /(?ωB 计算而来的, 其中η为探测器的量子效率、?ω为光子的能量、P 为自样品到探测器的光强、B 为噪声等价的探测带宽. 电子学的探测带宽应该和光源带宽相匹配, 高分辨率要求光谱带宽大, 也意味着电子学探测带宽大, 因此, 如果要求具有相同的信躁比, 则光源的功率就要更高. 实验所得到的108 dB信躁比或灵敏度, 对于获得高质量的生物样品图像是非常好的.
目前, 大部分光学相干CT 系统都是用超辐射二极管(SLED作为光源. 但是, 因为SLED 带宽和功率都较小, 因此导致光学相干CT 系统的分辨率和灵敏度都不高
[10]
. 飞秒激
光器和空心石英微结构光子晶体光纤, 可以产生所谓的超连续宽带光谱, 为光学相干CT 系统提供了一种新型光源, 具有极宽的带宽和足够的光功率, 因此大大改善了光学相干CT 系统的成像性能. 为了显示这种明显的性能改善, 图3给出了分别用SLED 和超连续宽带的光学相干CT 成像的对照结果(样品都是植物洋葱. 以SLED 作为光源的光学相干CT 的成像结果示于图3(a, 因为其分辨率只有约15 μm, 图中所能显示的只是一些粗的结构图像; 而利用超连续光谱作为光源的光学相干CT 则可以给出生物组织亚细胞的高分辨率成像(图3(b, 它在组织中的实际空间分辨率是空气中的分辨率
除以组织的折射率(约等于1.35, 即0.64 μm/1.35=0.47 μm, 分辨率提高了20多倍. 这样更多的细节信息, 如细胞的大小和膜厚等就可以定量测量, 这些无损实时活
体测量的信息, 对于生物研究和临床诊断是非常有帮助的, 例如癌症的早期诊断, 从形态上正常组织细胞和癌症肿瘤细胞就有明显差异.
总之, 本文我们展示了利用掺钛蓝宝石飞秒激光器, 通过空气-石英微结构晶体光纤, 获得可见光区的超连续谱带, 进而可以得到超高分辨率的光学相干CT. 超高分辨的光学相干CT 可以得到微米量级分辨的亚细胞断层结构组织图像, 为生物医学应用提供了强有力的新手段.
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图3 光学相干CT 对洋葱成像对比
(a 以SLED 为光源, 具体纵向分辨率约15 μm, 横向分辨率25 μm, 图像大小10 mm×4 mm, 在这种分辨率下, 细胞在图中只有一个小亮点大小, 很难分辨; (b 以飞秒激光耦合空气-石英微结构光纤所产生超连续谱带作为光源, 可以实现高分辨成像,
图中纵向分辨率约0.64 μm, 横向分辨率4 μm, 图像大小0.27 mm× 0.125 mm, 显微物镜倍数20×, 标识线条长度10 μm, 图像中细胞结构清晰可辨, 相关
的细胞大小和细胞壁厚度等详细信息也可测量得到
致谢作者感谢MIT 相关研究人员的帮助.
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激光器的分类
激光器的分类 自从上世纪60年代以来，激光器已经发展出了众多类型，主要包括不同的工作介质、不同的脉宽，因此我们按照激光器的工作介质和输出脉冲两个思路对目前主要的激光器进行分类，并且介绍相关的激光术语。 按激光工作介质，激光器可以分为固体激光器、气体激光器、半导体激光器、光纤激光器、染料激光器和自由电子激光器。 固体激光器(晶体，玻璃)：在基质材料中掺入激活离子而制成，都是采用光泵浦的方式激励。 1）钕玻璃激光器：在玻璃中掺入稀土元素钕做工作物质， 输出波长：λ=1.053μm 2）红宝石激光器： 输出波长：λ=694.3nm， 输出线宽：?λ=0.01～0.1nm 工作方式：连续，脉冲 3）掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)：YAG晶体内掺进稀土元素钕，
输出波长：λ=1064nm,914nm,1319nm 工作方式：连续，高重复率脉冲 连续波可调谐钛蓝宝石激光器： 输出波长：λ=675～1100nm 气体激光器：在单色性/光束稳定性方面比固体/半导体/液体激光器优越，频率稳定性好，是很好的相干光源，可实现最大功率连续输出，结构简单，造价低，转换效率高。谱线丰富，多达数千种(160nm--4mm)。 工作方式：连续运转(大多数) 1）氦-氖激光器： 常用的为λ=632.8nm 根据选择的工作条件激光器可以输出近红外，红光，黄光，绿光 (λ=3.39μm,1.15μm) 2）CO2激光器：λ=10.6μm 3）氩离子气体激光器：λ=488nm,514.5nm 4）氦-镉激光器：波长为325nm的紫外辐射和441.6nm的蓝光 5）铜蒸汽激光器：波长510.5nm的绿光和578.2nm的黄光 6）氮分子激光器：紫外光，常见波长：337.1nm，357.7nm 半导体激光器：由不同组分的半导体材料做成激光有源区和约束区的激光器；体积最小，重量最轻，使用寿命长，有效使用时间超过10万小时。工作物质包括GaAS(砷化镓)，InAS(砷化铟)，Insb(锑化铟)，CdS(硫化镉)。 输出波长范围：紫外，可见，红外 DFB半导体激光器，
光子晶体光纤设计与分析
光子晶体光纤设计与分析 摘要：光学物理学家探索的光子晶体材料应用中，光纤无疑是最具有前景的一项应用。光子晶体光纤（以下简称PCF）是一种新型光波导，具有与普通光纤截然不同的特性。这种新型光纤可以分为两个基本类型——折射率波导和带隙波导。由于横向折射率分布有很大的自由度，所以折射率波导型PCF可以设计成具有高度反常色散、非线性以及双折射等特性的光纤。关键词：PCF原理结构分析制备特性应用 正文： 一.PCF的导光原理 按导光机理来说，PCF可以分为两类：折射率导光机理和光子能隙导光机理。 1.1折射率导光机理 周期性缺陷的纤芯折射率(石英玻璃)和周期性包层折射率(空气)之间有一定差别，从而使光能够在纤芯中传播，这种 同，由于包层包含空气，所以这种机理称为改进的全内反射，这是因为空芯PCF中的小孔尺寸比传导光的波长还小的缘故[3]。 1.2光子能隙导光机理 理论上求解光波在光子晶体中的本征方程即可导出实芯和空芯PCF的传导条件，即光子能隙导光理论。如图2所示，光纤中心为空芯，虽然空芯折射率比包层石英玻璃低，但仍能保证光不折射出去，这是因为包层中的小孔点阵构成光子晶体。当小孔间距和小孔直径满足一定条件时，其光子能隙范围内就能阻止相应光传播，光被限制在中心空芯之内传输。最近有研究表明，这种PCF可传输99%以上的光能，而空间光衰减极低，光纤衰减只有标准光纤的1/2～1/4[4]。 空芯PCF光子能隙传光机理具体解释为：在空芯PCF中形成周期性的缺陷是空气，传光机理是利用包层对一定波长的光形成光子能隙，光波只能在空气芯形成的缺陷中存在和传播。虽然在空芯PCF中不能发生全内反射，包层中的小孔点阵结构起到反射镜的作用，使光在许多小孔的空气和石英玻璃界面多次发生反射。 二．PCF的结构与制作 PCF的结构一般是在石英光纤中沿径向有规律地排列着许多空气孔道，这些微小的孔道沿光纤轴线平行排列。根据其结构类型可以分为实心光纤和空心光纤。实心光纤是纤芯为石英玻璃、包层为石英玻璃中分布许多空气孔道和石英玻璃壁的组合体。空心光纤的纤芯为一条直径较大的空气孔道，包层与实心光纤类似。通过设计这些空气孔的位置、大小、间距及占空比等波长量级的特征参数，对某以波段形成带隙，从而对这一波段的光传播是实现控制。 光子晶体的制作都要经过拉伸、堆积和熔合等过程,如Knight J C等的制作方法: (1)取一根直径为30mm的石英棒,沿其轴线方向上钻一条直径为16mm的孔,随后将石英棒研磨成一个正六棱柱; (2)把该石英棒放在2000℃的光纤拉丝塔中,将它拉成直径为0.8mm的细长正六棱柱丝; (3)把正六棱柱丝切成适当长度的若干段,然后堆积成需要的晶体结构,再把它们放到拉丝塔中熔合、拉伸,使内部空气孔的间距减小到50Λm左右,形成更细的石英丝; (4)在以上工作的基础上,把上述石英丝高温拉伸,形成最后的PCF。在以上3个阶段的拉伸过程中,晶胞减少了104数量级以上,最后形成的光子晶体的孔间距在2Λm左右。PCF 沿着石英丝的轴向均匀排列着空气孔,从PCF 的横切面看,存在着周期性的二维结构。如果核心处引入一个多余的空气孔,或者在应该出现空气孔的地方由均匀硅代替,从而在光子晶体中引入一
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光纤通信系统 ?光纤通信系统是以光为载波，利用纯度极高的玻璃拉制成极细的光导纤维作为传输媒介，通过光电变换，用光来传输信息的通信系统。光纤通信作为信息化的主要技术支柱之一，必将成为21世纪最重要的战略性产业。光纤通信技术和计算机技术是信息化的两大核心支柱，计算机负责把信息数字化，输入网络中去；光纤则是担负着信息传输的重任。当代社会和经济发展中，信息容量日益剧增，为提高信息的传输速度和容量，光纤通信被广泛的应用于信息化的发展，成为继微电子技术之后信息领域中的重要技术。 目录 ?光纤通信系统的概述 ?光纤通信系统的组成 ?光纤通信系统的分类 ?光纤通信系统的发展 光纤通信系统的概述 ?1977年，美国西屋电气公司在亚特兰大成功地进行了世界上第一个光纤通信的现场实验，系统采用GaAlAs（镓铝砷）半导体激光器作光源，多模光纤作传输介质，速率为
44.736Mbit/s，传输110km。使光纤通信向实用化迈出了一 步。 光纤通信作为现代通信的主要支柱之一，在现代电信网中，起着举足轻重的作用，本章将概述国内外光纤通信技术的历史，现状和前景。光纤即光导纤维的简称。光纤通信是以光为载频，以光导纤维为传输媒质的一种通信方式。光纤与以往的铜导线相比，具有损耗低，频带宽，无电磁感应等传输特点。因此，人们希望将光纤作为灵活性强，经济的优质传输介质，广泛地应用于数字传输方式和图像通信方式中，这种通信方式在今后非话业务的发展中是不可缺少的。 由于光纤通信具有一系列优异的特点，因此，光纤通信技术近几年来发展速度之快，应用面之广是通信史上罕见的。可以说，这种新兴技术，是世界新技术革命的重要标志。又是未来信息社会中各种信息网的主要传输工具。光纤与以往的铜导线相比，有本质的区别，因此，在传输理论，制造技术，连接方法，测试方法等方面，基本上都不能采用铜质电缆的理论与方法。 光纤通信系统的组成 （1）光发信机：光发信机是实现电/光转换的光端机。它由光源、驱动器和调制器组成。其功能是将来自于电端机的电信号对光源发出的光波进行调制，成为已调光波，然后再将已调的光
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连续单频可调谐钛宝石激光器及其强度噪声特性的研究
连续单频可调谐钛宝石激光器及其强度噪声特性的研究 【摘要】：紧凑稳定高效的全固态连续单频可调谐钛宝石激光器,以其较宽的输出光谱、较高的输出功率、较低的强度噪声等优点,可广泛应用于高灵敏度的干涉仪、高分辨率激光光谱、引力波探测、量子通讯、原子冷却等领域。一方面,我们可以通过对钛宝石晶体本身特性进行分析,设计并优化光学谐振腔,以及在谐振腔内插入激光器必须的光学元件等手段,获得高效稳定的连续单频可调谐钛宝石激光器。另一方面,随着科学技术的发展,人们对激光器的强度噪声更加关注,因为激光器强度噪声的存在对许多实验结果产生不利的影响,进而阻碍了钛宝石激光器在科研领域中的应用。因此,提高全固态连续单频可调谐钛宝石激光器的相关指标和降低钛宝石激光器的强度噪声就成为了发展全固态连续单频可调谐钛宝石激光器的主要内容。为此,我们主要从设计和优化激光器谐振腔,降低激光器强度噪声等方面对全固态连续单频可调谐钛宝石激光器进行了研究,其主要工作如下：1.通过对具有宽带吸收光谱和宽带发射光谱的增益介质钛宝石晶体的分析,设计了消除像散的四镜环行谐振腔。利用传输矩阵,分析了四镜环行谐振腔的稳区和腰斑的变化特性,合理选择谐振腔参数,使激光器工作在最佳状态。在谐振腔内插入了由外加磁场的TGG晶体和消色差半波片组成的宽带该光学单向器后,激光器在可调谐的波长范围内均实现了单向运转。2.理论上分析了最大输出功率与腔内损耗以及输出耦合镜透射率之间的关系,得到了不同泵浦功率下的输出耦合镜最
佳透射率。实验上利用腔内插入薄熔融石英片和更换输出耦合镜透射率的方法,测量了腔内损耗,在此基础上得到不同泵浦功率下的输出耦合镜最佳透射率,进而优化了激光器。最后,将激光器锁定在高稳定度的光学参考腔上,提高了激光器的输出稳定性。3.分析了双折射滤波片和标准具以及压电陶瓷在钛宝石激光器中的调谐特性。在钛宝石激光器中,钛宝石晶体的发射谱决定了最大调谐范围；双折射滤波片在激光器中起粗调作用,其最薄一片决定其最大调谐的范围,而最厚一片决定其调谐的精度；标准具是一种选模调谐,尽管其调谐精度很高,但其仍是非连续的调谐；而要想获得真正的连续调谐,还需要改变谐振腔上的压电陶瓷的电压,通过改变压电陶瓷的电压,进而改变谐振腔腔长,最后达到连续调谐的目的。4.在获得高稳定性的全固态连续单频可调谐钛宝石激光器后,我们研究了钛宝石激光器的强度噪声特性。首先,我们研究了泵浦源的纵模结构对钛宝石激光器的影响,发现以单频绿光激光器取代单横模绿光激光器作为钛宝石激光器的泵浦源时,钛宝石激光器的强度噪声明显降低。在此基础上,我们还研究了泵浦源的泵浦速率等因素对钛宝石激光器的影响。随着泵浦速率的增大,激光器的弛豫振荡频率向高频方向移动,而弛豫振荡的幅度减小。最后,我们用一种理论模型拟合了钛宝石激光器的强度噪声,该模型适用于泵浦源有一定分布特点的激光器。5.尽管采用单频绿光激光器作为钛宝石激光器的泵浦源,钛宝石激光器的强度噪声在 2.5MHz处已达到量子噪声极限,然而在低频段,钛宝石激光器的强度噪声仍然高于量子噪声极限。为了获得低噪声的钛宝石激光器,我们采用光电负反馈来抑
40G-100G相干光通信原理与关键技术
40G/100G相干光通信原理与关键技术 引言 随着40Gb/s的大规模部署的开始，业界又涌现出多种新型的100G/s调制编码格式。面对众多特征各异的传输码型，在综合考虑其他系统设计参数的基础上，业界主要从传输距离、通路间隔、与40Gb/s和10Gb/s系统的兼容性、模块成本与传输性能的平衡等方面进行综合选择。 随着高速数字信号处理技术（DSP）和模数转换技术（ADC）的进步，相干光通信成为研究的热点。相干检测与DSP技术相结合，可以在电域进行载波相位同步和偏振跟踪，清除了传统相干接收的两大障碍。基于DSP的相干接收机结构简单，具有硬件透明性；可在电域补偿各种传输损伤，简化传输链路，降低传输成本；支持多进制调制格式和偏振复用，实现高频谱效率的传输。通过业界一两年来对于100Gb/s模块的研究和开发，100G/s 的偏振复用四相相移键控相干模块（Coherent PM-QPSK）正在变成业界的主要选择。 相干光通信的基本原理 相干光通信系统可以把光频段划分为许多频道，从而使光频段得到充分利用，即多信道光纤通信。相干光通信技术具有接收灵敏度高的优点，采用相干检测技术的接收灵敏度可比直接检测技术高18dB。 图1为发射机采用偏振复用，作为载体的激光信号通过PBS（偏振分光器）分为X/Y两路，每路信号在通过2个MZ调制器组成的I/Q调制器（I路和Q路相位差90）分别将10.7/27.5Gb/s的信号调制到载波，然后再通过偏振复用器把X轴和Y轴光信号按偏振复用合并在一起通过光纤发送出去，从而实现了40/100Gb/s 在单光纤上的传输。 在接收端，与强度调制一一直接检测系统不同，相干光纤通信系统在光接收机中增加了外差或零差接收所需的本地振荡光源（LO），该光源输出的光波与接收到的已调光波在满足波前匹配和偏振匹配的条件下，进行光电混频。稍微改变本振激光器的光频，就可改变所选择的信道，因此对本振激光器的线宽要求很高。混频后输出的信号光波场强和本振光波
《光电子技术》章节练习题及答案
第一章 一、填空题 1、色温是指在规定两波长处具有与热辐射光源的辐射比率相同的黑体的温度。其并非热辐射光源本身的温度。 2、自发跃迁是指处于高能级的一个原子自发地向低能级跃迁，并发出一个光子的过程。受激跃迁是指处于高能级态的一个原子在一定的辐射场作用下跃迁至低能级态，并辐射出一个与入射光子全同的光子的过程。 3、受激辐射下光谱线展宽的类型分为均匀展宽和非均匀展宽，其中均匀展宽主要自然展宽、碰撞展宽、热振动展宽，非均匀展宽主要有多普勒展宽与残余应力展宽。 4、常见的固体激光器有红宝石激光器、钕激光器或钛宝石激光器（写出两种），常见的气体激光器有 He-Ne激光器、CO 激光器或Ar+激光器（写 2 出两种）。 5、光是一种以光速运动的光子流，光子和其它基本粒子一样，具有能量、动量和质量；其静止质量为 0 。 6、激光与普通光源相比具有如下明显的特点：方向性好、单色性好、相干性好，强度大。 7、设一个功率100W的灯泡向各个方向辐射的能量是均匀的，则其辐射强度为100/4π W/sr。 8、设一个功率100W的灯泡向各个方向辐射的能量是均匀的，则其在1m远处形成的辐射照度为100/4π W/m2。 9、设一个功率100W的灯泡向各个方向辐射的能量是均匀的，则其在2m远处形成的辐射照度为100/16π W/m2。 二、解答题 1、简述光子的基本特性（10分） [答]：光是一种以光速运动的光子流，光子和其它基本粒子一样，具有能量、动量和质量。它的粒子属性（能量、动量、质量等）和波动属性（频率、波矢、
偏振等）之间的关系满足：（1）ωνη==h E ；（2）2 2c h c E m ν== ，光子具有运动质量，但静止质量为零；（3） k P ?η?=；（4）、光子具有两种可能的独立偏振态，对应于光波场的两个独立偏振方向；（5）、光子具有自旋，并且自旋量子数为整数，是玻色子。 2、简述激光产生的条件、激光器的组成及各组成部分的作用。（10分） [答]：必要条件：粒子数反转分布和减少振荡模式数。 充分条件：起振——阈值条件：激光在谐振腔内的增益要大于损耗。稳定振荡条件——增益饱和效应（形成稳定激光）。组成：工作物质、泵浦源、谐振腔。 作用：工作物质：在这种介质中可以实现粒子数反转。 泵浦源（激励源）：将粒子从低能级抽运到高能级态的装置。谐振腔：(1) 使激光具有极好的方向性( 沿轴线) ；(2) 增强光放大作用( 延长了工作物质 )；(3) 使激光具有极好的单色性( 选频 )。 三、计算题 1、设一对激光能级为E 2和E 1（g 2=g 1），相应的频率为ν（波长为λ），各 能级上的粒子数为n 2和n 1。求 （1）当ν=3000MHz，T =300K 时，n 2/n 1=？ （2）当λ=1μm，T =300K 时，n 2/n 1=？ （2）当λ=1μm， n 2/n 1=时，温度T =？ 解：(1) 999 .03001038.110300010626.6exp exp exp 23634121212=??? ? ???????-=??? ? ??-=???? ??--=--T k h T k E E g g n n B B ν (2)
光纤通信系统实验指导书
光纤通信系统实验指导书 光纤通信系统实验指导书 桂林电子科技大学信息科技学院 二零零九年三月 目录 实验一数字光纤传输测试系统实验 (2) 实验二SDH点对点组网2M配置实验 (9)
实验三SDH 链型组网配置实验 (17) 实验四SDH 环形组网配置实验 (27) 实验一数字光纤传输测试系统实验 概述 光纤通信是利用光波作为载波，以光纤作为传输媒质实现信息传输，是一种最新的通信技术。 光纤是光导纤维的简称。光纤通信是以光波为载频，以光导纤维为传输媒质
的一种通信方式。光纤通信使用的波长在近红外区，即波长800～1800nm，可分为短波长波段（850nm）和长波长波段（1310nm和1550nm），这是目前所采用的三个通信窗口。 通信发展过程是以不断提高载频频率来扩大通信容量，光是一种频率极高的电磁波（3×1014HZ），因此用光作载波进行通信容量极大，是过去通信方式的千百倍，具有极大的吸引力，是通信发展的必然方向。 光纤通信有许多优点：首先它有极宽的频带。目前我国已完成了10Gbps的光纤通信系统，这意味着在125um的光纤中可以传输大约11万路电话。其次，光纤的传输损耗很小，传统的同轴电缆损耗约在5dB/Km以上，站间距离不足10Km；而工作在1.55um的光纤最低已达到0.2dB/Km的损耗，站间无中继传输可达100Km以上。另外，光纤通信还具有抗电磁干扰、抗腐蚀、抗辐射等特点，它 。 在地球上有取之不尽，用之不竭的光纤原材料—SiO 2 光纤通信可用于市话中继线，长途干线通信，高质量彩色电视传输，交通监控指挥，光纤局域网，有线电视网和共用天线（CATV）系统。 波分复用技术（WDM）的出现，使光纤传输技术向更高的领域发展，实现信息宽带、高速传输。 光纤通信将会在光同步数字体系（SDH）、相干光通信、光纤宽带综合业务数字网（B—ISDN）、用户光纤网、ATM及全光通信有进一步发展。 光纤通信系统主要由三部分组成：光发射机、传输光纤和光接收机。其电/光和光/电变换的基本方式是直接强度调制和直接检波。实现过程如下：输入电信号既可以是模拟信号（如视频信号、电话语音信号、正弦波或三角波信号），也可以是数字信号（如计算机数据、PCM编码信号、数字信号源信号）；调制器将输入的电信号转换成适合驱动光源器件的电流信号并用来驱动光源器件，对光源器件进行直接强度调制，完成电/光变换的功能；光源 输出的光信号直接耦合到传输光纤中，经一定长度的光纤传输后送达接收端；在接收端，光电检测器对输入的光信号进行直接检波，将光信号转换成相应的电信号，再经过放大恢复等电信号处理过程，以弥补线路传输过程中带来的信号损伤（如损耗、波形畸变），最后输出和原始输入信号相一致的电信号，从而完成整个传送过程。 根据所使用的光波长、传输信号形式、传输光纤类型和光接收方式的不同，光纤通信系统可分成：
光纤激光器工作原理及发展
光纤激光器的工作原理及其发展前景 1 引言 光纤激光器于1963年发明，到20世纪80年代末第一批商用光纤激光器面市，经历了20多年的发展历程。光纤激光器被人们视为一种超高速光通信用放大器。光纤激光器技术在高速率大容量波分复用光纤通信系统、高精度光纤传感技术和大功率激光等方面呈现出广阔的应用前景和巨大的技术优势。光纤激光器有很多独特优点，比如：激光阈值低、高增益、良好的散热、可调谐参数多、宽的吸收和辐射以及与其他光纤设备兼容、体积小等。近年来光纤激光器的输出功率得到迅速提高。已达到10—100 kW。作为工业用激光器,现已成为输出功率最高的激光器。光纤激光器的技术研究受到世界各国的普遍重视，已成为国际学术界的热门前沿研究课题。其应用领域也已从目前最为成熟的光纤通讯网络方面迅速地向其他更为广阔的激光应用领域扩展。本文简要介绍了光纤激光器的结构、工作原理、分类、特点及其研究进展，最后对光纤激光器的发展前景进行了展望。 2 光纤激光器的结构及工作原理 2.1光纤激光器的结构 和传统的固体、气体激光器一样。光纤激光器基本也是由泵浦源、增益介质、谐振腔三个基本的要素组成。泵浦源一般采用高功率半导体激光器(LD)，增益介质为稀土掺杂光纤或普通非线性光纤，谐振腔可以由光纤光栅等光学反馈元件构成各种直线型谐振腔，也可以用耦合器构成各种环形谐振腔泵浦光经适当的光学系统耦合进入增益光纤，增益光纤在吸收泵浦光后形成粒子数反转或非线性增益并产生自发辐射所产生的自发辐射光经受激放大和谐振腔的选模作用后．最终形成稳定激光输出。图1为典型的光纤激光器的基本构型。 增益介质为掺稀土离子的光纤芯，掺杂光纤夹在2个仔细选择的反射镜之间．从而构成F—P谐振器。泵浦光束从第1个反射镜入射到稀土掺杂光纤中．激射输出光从第2个反射镜输出来。 2.2 光纤激光器的工作原理 掺稀土元素的光纤放大器促进了光纤激光器的发展，因为光纤放大器可以通过适当的反馈机理形成光纤激光器。当泵浦光通过光纤中的稀土离子时．就会被稀土离子所吸收。这时吸收光子能量的稀土原子电子就会激励到较高激射能级，从而实现离子数反转，反转后的离子数就会以辐射形式从高能级转移到基态，并且释放出能量，完成受激辐射。从激发态到基态的辐射方式有2种：自发辐射和受激辐射。其中，受激辐射是一种同频率、同相位的辐射，可
半导体激光器
半导体激光器 摘要：由于三五族化合物工艺的发展与半导体激光器的多种优点，近几十年来，半导体激光器发展十分迅速，而且在各个领域发挥着越来越重要的作用。本文将介绍半导体激光器的基本理论原理、相关发展历程、研究现状以及其广泛的应用。 1.引言 自1962 年世界上第一台半导体激光器发明问世以来, 半导体激光器发生了巨大的变化, 极大地推动了其他科学技术的发展, 被认为是二十世纪人类最伟大的发明之一[1], 近十几年来, 半导体激光器的发展更为迅速, 已成为世界上发展最快的一门激光技术[2]。激光器的结构从同质结发展成单异质结、双异质结、量子阱（单、多量子阱）等多种形式，制作方法从扩散法发展到液相外延(LPE)、气相外延(VPE)、分子束外延(MBE)、金属有机化合物气相淀积(MOCVD)、化学束外延(CBE) 以及它们的各种结合型等多种工艺[3]。由于半导体激光器的体积小、结构简单、输入能量低、寿命较长、易于调制及价格低廉等优点, 使得它目前在各个领域中应用非常广泛。 2.半导体激光器的基本理论原理 半导体激光器又称激光二极管(LD)。它的实现并不是只是一个研究工作者的或小组的功劳，事实上，半导体激光器的基本理论也是一大批科研人员共同智慧的结晶。 早在1953年，美国的冯·纽曼（John Von Neumann）在一篇未发表的手稿中第一个论述了在半导体中产生受激发射的可能性；认为可以通过向PN结中注入少数载流子来实现受激发射；计算了在两个布里渊区之间的跃迁速率。巴丁在总结了这个理论后认为，通过各种方法扰动导带电子和价带空穴的平衡浓度，致使非平衡少数载流子复合而产生光子，其辐射复合的速率可以像放大器那样，以同样频率的电磁辐射作用来提高。这应该说是激光器的最早概念。 苏联的巴索夫等对半导体激光器做出了杰出贡献，他在1958年提出了在半导体中实现粒子数反转的理论研究，并在1961年提出将载流子注入半导体PN结中实现“注入激光器”，并论证了在高度简并的PN结中实现粒子数反转的可能性，而且认为有源区周围高密度的多数载流子造成有源区边界两边的折射率有一差值，因而产生光波导效应。1961年，伯纳德和杜拉福格利用准费米能级的概念推导出了半导体有源介质中实现粒子数反转的条件，这一条件为次年半导体激光器的研制成功提供了重要理论指导。 1960年，贝尔实验室的布莱和汤姆逊提出了用半导体的平行解理面作为产生光反馈的谐振腔，为激发光提供反馈。 回顾这些理论发展历程，可以总结半导体激光器的基本理论原理：在直接带隙半导体PN结中，用注入载流子的方法实现伯纳德—杜拉福格条件所控制的粒子数反转；由高度简并的电子和空位复合所产生的受激光辐射在光学谐振腔内震荡并得到放大，最后产生相干激光输出[4]。 3.半导体激光器发展历程 在上述理论的影响下，以及1960年产生的红宝石激光器的刺激下，美国和苏
《光子晶体光纤在光纤通信中的应用与展望》
调研报告 课程：光纤通信 学院：电气工程学院 班级： 14级电子专业02班 学号： 20144470220 姓名：郑浩
光子晶体光纤(PCF)在光纤通信中的应用与展望 郑浩 （南华大学电气工程学院，湖南衡阳） 摘要：光纤是光纤通信系统中的传光媒质，开发性能优异、独特的新型光纤是实现更远距离光通信的重要发展方向。本文将侧重三个方面，先着重介绍光子晶体光纤的导光原理及传输特性，再介绍光子晶体光纤的各个发展节点中的重要成果和突破，最后是对光子晶体光纤的发展前景做出的总结和评价。 关键词：光纤通信; 光子晶体;光子晶体光纤;传输特性 1 引言 光子晶体光纤(PCF)因为其灵活的色散裁剪、完美的抗弯曲特性、良好的非线性等新颖特性，一经提出便广受关注。1960年，华人科学家高锟对于光纤的低损耗的可实现性所做的论述，是开启以光纤通信为主的光通信时代的一把钥匙，所以可以说光通信的广泛使用正是有赖于光纤技术的不断进步，而研发出新型光纤或提高现有光纤的品质一直以来都是光通信领域的重点。光子晶体光纤正是传统光纤的替换选择之一。 光子晶体这一概念最早由E.Yablonovitch与S. John分别提出，光子晶体就是将不同介电常数的介质材料在一维、二维或三维空间组成具有光波长量级的折射率周期性变化的结构材料[1]。1991 年，Russell首次提出了光子晶体光纤的概念。光子晶体光纤是一种由单一介质(石英玻璃、塑料等)构成，并且在二维的方向上呈现周期性紧密排列(如周期性六角形等)、而在三维空间(光纤轴向)基本保持不变的波长量级空气孔所构成的微结构包层的新型光纤[2]。光子晶体光纤(PCF)根据光纤的结构不同，又称为多孔光纤(HF)或微结构光纤(MOF)。根据导光的机制的不同，可以将光子晶体光纤分为折射率引导型光子晶体光纤和光子带隙型光子晶体光纤，本文将主要介绍后者。尽管光子晶体光纤具有传统光纤无可比拟的新特性，但受限于理论模型的精确度，尤其是生产工艺与单位价格。本综述中所引用的所有文献截止时间为2017年9月。 2 原理与特点分析 2.1 PCF的结构 按光纤结构的不同，光子晶体光纤可分为空心光纤和实心光纤。其中空心光纤是将石英玻璃毛细管以周期性规律排列在石英玻璃管周围的光纤；而实心光纤则是将石英玻璃毛细管以周期性规律排列在石英玻璃棒周围的光纤。PCF 也是使用传统光纤的熔融拉丝方法拉制而成。光子晶体光纤的剖面是按照周期性点阵排列的。这种与波长大小相当的周期性点阵就是PCF的“晶格”。 2.2 PCF的导光机理[3] 普通光纤是利用掺杂方式来获得光波导结构, 从而实现光纤的光传输性能的要求。而光子晶体光纤的导光机理可分为两类：折射率导光机理和光子能隙导光机制。 折射率导光机理是指，周期性缺陷的纤芯折射率(石英玻璃)和周期性包层折射率之间有一定的差别, 从而使光能够在纤芯中传播, 所以这种结构的
光纤激光器的分类
光纤激光器的分类 光纤激光器种类很多，根据其激射机理、器件结构和输出激光特性的不同可以有多种不同的分类方式。根据目前光纤激光器技术的发展情况，其分类方式和相应的激光器类型主要有以下几种： （1）按增益介质分类为： a）晶体光纤激光器。工作物质是激光晶体光纤，主要有红宝石单晶光纤激光器和Nd3+:YAG单晶光纤激光器等。 b）非线性光学型光纤激光器。主要有受激喇曼散射光纤激光器和受激布里渊散射光纤激光器。 c）稀土类掺杂光纤激光器。向光纤中掺杂稀土类元素离子使之激活，（Nd3+、Er3+、Yb3+、Tm3+等，基质可以是石英玻璃、氟化锆玻璃、单晶）而制成光纤激光器。 d）塑料光纤激光器。向塑料光纤芯部或包层内掺入激光染料而制成光纤激光器。 （2）按谐振腔结构分类为F-P腔、环形腔、环路反射器光纤谐振腔以及“8”字形腔、DBR光纤激光器、DFB光纤激光器等。 （3）按光纤结构分类为单包层光纤激光器、双包层光纤激光器、光子晶体光纤激光器、特种光纤激光器。 （4）按输出激光特性分类为连续光纤激光器和脉冲光纤激光器，其中脉冲光纤激光器根据其脉冲形成原理又可分为调Q光纤激光器（脉冲宽度为ns量级）和锁模光纤激光器（脉冲宽度为ps或fs量级）。 （5）根据激光输出波长数目可分为单波长光纤激光器和多波长光纤激光器。 （6）根据激光输出波长的可调谐特性分为可调谐单波长激光器，可调谐多波长激光器。 （7）按激光输出波长的波段分类为S-波段（1460~1530 nm）、C-波段（1530~1565 nm）、L-波段（1565~1610 nm）。 （8）按照是否锁模，可以分为：连续光激光器和锁模激光器。通常的多波长激光器属于连续光激光器。 按照锁模器件而言，可以分为被动锁模激光器和主动锁模激光器。 其中被动锁模激光器又有: 等效/假饱和吸收体：非线性旋转锁模激光器（8字型，NOLM和NPR） 真饱和吸收体： SESAM或者纳米材料（碳纳米管或者石墨烯）。
激光器
激光基础知识2——激光器 中文名称：激光器 英文名称：laser 定义：产生激光的装置。 应用学科：机械工程（一级学科）；光学仪器（二级学科）；激光器件和激光设备-激光器名称（三级学科） 一、原理 除自由电子激光器外，各种激光器的基本工作原理均相同，产生激光的必不可少的条件是粒子数反转和增益大过损耗，所以装置中必不可少的组成部分有激励（或抽运）源、具有亚稳态能级的工作介质两个部分。 激励是工作介质吸收外来能量后激发到激发态，为实现并维持粒子数反转创造条件。激励方式有光学激励、电激励、化学激励和核能激励等。 工作介质具有亚稳能级是使受激辐射占主导地位，从而实现光放大。 激光器中常见的组成部分还有谐振腔，但谐振腔（见光学谐振腔）并非必不可少的组成部分，谐振腔可使腔内的光子有一致的频率、相位和运行方向，从而使激光具有良好的方向性和相干性。而且，它可以很好地缩短工作物质的长度，还能通过改变谐振腔长度来调节所产生激光的模式（即选模），所以一般激光器都具有谐振腔。 二、激光工作物质 是指用来实现粒子数反转并产生光的受激辐射放大作用的物质体系，有时也称为激光增益媒质，它们可以是固体（晶体、玻璃）、气体（原子气体、离子气体、分子气体）、半导体和液体等媒质。对激光工作物质的主要要求，是尽可能在其工作粒子的特定能级间实现较大程度的粒子数反转，并使这种反转在整个激光发射作用过程中尽可能有效地保持下去；为此，要求工作物质具有合适的能级结构和跃迁特性。
三、激励抽运系统 是指为使激光工作物质实现并维持粒子数反转而提供能量来源的机构或装置。根据工作物质和激光器运转条件的不同，可以采取不同的激励方式和激励装置，常见的有以下四种。 ①光学激励(光泵)。是利用外界光源发出的光来辐照工作物质以实现粒子数反转的，整个激励装置，通常是由气体放电光源（如氙灯、氪灯）和聚光器组成，这种激励方式也称作灯泵浦。 ②气体放电激励。是利用在气体工作物质内发生的气体放电过程来实现粒子数反转的，整个激励装置通常由放电电极和放电电源组成。 ③化学激励。是利用在工作物质内部发生的化学反应过程来实现粒子数反转的，通常要求有适当的化学反应物和相应的引发措施。 ④核能激励。是利用小型核裂变反应所产生的裂变碎片、高能粒子或放射线来激励工作物质并实现粒子数反转的。 四、光学共振腔 通常是由具有一定几何形状和光学反射特性的两块反射镜按特定的方式组合而成。作用为： ①提供光学反馈能力，使受激辐射光子在腔内多次往返以形成相干的持续振荡。 ②对腔内往返振荡光束的方向和频率进行限制，以保证输出激光具有一定的定向性和单色性。 共振腔作用①，是由通常组成腔的两个反射镜的几何形状（反射面曲率半径）和相对组合方式所决定；而作用②，则是由给定共振腔型对腔内不同行进方向和不同频率的光，具有不同的选择性损耗特性所决定的。 五、激光器分类 分别从激光工作物质、激励方式、运转方式、输出波长范围等几个方面进行分类。 5.1按工作物质分类 根据工作物质物态的不同可把所有的激光器分为以下几大类：
论光子晶体光纤技术的现状和发展
论光子晶体光纤技术的现状和发展 摘要: 光子晶体光纤，又称多孔光纤或微结构光纤，以其独特的光学特性和灵活的设计成为近年来的热门研究课题。光子晶体光纤在外观上和传统的普通单模光纤非常相似，但微观上光子晶体光纤的横截面完全不同。近年来，国内外的很多大学和科研单位都在积极开展光子晶体光纤的研究工作。本文阐述了PCF的一些独特光学性质、制作技术及其一些重要应用，介绍了PCF的发展以及最新成果。关键词:光子晶体,光子晶体光纤,非线性 1 引言 1987年Yabnolovitch 在讨论如何抑制自发辐射时提出了光子晶体这一新概念。几乎同时，John 在讨论光子局域时也独立提出。如果将不同介电常数的介电材料构成周期结构，电磁波在其中传播时由于布拉格散射，电磁波会受到调制而形成能带结构，这种能带结构叫做光子能带。光子能带之间可能出现带隙，即光子带隙。具有光子带隙的周期性介电结构就是光子晶体，或叫做光子带隙材料，也有人把它叫做电磁晶体。 光子晶体光纤（photonic crystal fiber，PCF），又称多孔光纤或微结构光纤，以其独特的光学特性和灵活的设计成为近年来的热门研究课题。这类光纤是由在纤芯周围沿着轴向规则排列微小空气孔构成，通过这些微小空气孔对光的约束，实现光的传导。独特的波导结构，灵活的制作方法，使得PCF与常规光纤相比具
有许多奇异的特性，有效地扩展和增加了光纤的应用领域[1]。在光纤激光器这一领域内，PCF经专门设计可具有大模面积且保持无限单模的特性，有效地克服了常规光纤的设计缺陷。以这种具有新颖波导结构和特性的光纤作为有源掺杂的载体，并把双包层概念引入到光子晶体光纤中，将使光纤激光器的某些性能有显著改善。近年来，国内外的很多大学和科研单位都在积极开展光子晶体光纤激光器的研究工作[2]。目前，国外输出功率达到几百瓦的光子晶体光纤激光器已有报道。本文阐述了PCF的一些独特光学性质、制作技术及其理论研究方法，介绍了PCF 的发展以及最新成果。 2 光子晶体光纤概述 2.1 光子晶体光纤导光原理 光子晶体光纤的概念基于光子晶体，按其传导机制可分为带隙型光子晶体光纤（PBG-PCF）和折射率引导型光子晶体光纤（TIR-PCF）两类[3]。 带隙型光子晶体光纤是一种具有石英-空气光子晶体包层的空芯石英光纤，其包层横截面的折射率具有规则的周期分布，通过包层光子晶体的布拉格衍射来限制光在纤芯中传播的在满足布拉格条件时出现光子带隙，对应波长的光不能在包层中传播，而只能限制在纤芯中传播，见图2-1（a）。 折射率引导型光子晶体光纤的导光机制与传统光纤类似，包层由石英-空气周期介质构成，中心为SiO2构成的实芯缺陷。由于纤芯折射率高于包层平均折射率，光波在纤芯中依靠全内反射传播。由于包层含有气孔，与传统光纤的实芯熔融硅包层不同，因而这种导光机制叫做改进的全内反射，见图2-1（b）
激光原理第一次习题20110329
习题I 1. 热平衡时，原子能级E2的数密度为n2，下能级E1的数密度为n1，设21g g =，求：(1)当 原子跃迁时相应频率为ν＝3000MHz ，T ＝300K 时n2/n1为若干。(2)若原子跃迁时发光波长λ＝1μ，n2/n1＝0.1时，则温度T 为多高？？ 2. 如果我们没有考虑原子能级E 2、E 1具有一定的宽度，而假设能级是无限窄的，可以认为自 发辐射是单色的，但实际上该辐射都是有一定的宽度（光谱线宽），请画图来表示光谱线宽；什么叫谱线加宽以及谱线加宽的因素和类型。 3. 光的相干的含义。什么叫时间相干性和空间相干性。 4. 为什么在紫外区乃至X 光区段的激光发射条件，比在可见、红外区实现受激发射要困难得 多。 5. 激光光束的质量以M 2来表示，请给出M 2的表达式，并说明表达式中参数的含义。 6. 谐振腔有哪几个作用?谐振腔驻波条件是什么? 7. 什么叫激光器的横模和纵模？并用图来举例表示。 8. He-Ne 激光器m μλ63.0≈，其谱线半宽度m μλ1210-≈?，问λλ/?为多少？要 使其相干长度达到1000m ，它的单色性 λλ/?应是多少？ 9. He-Ne 激光器腔长L=250mm ，两个反射镜的反射率约为98%，其折射率η=1，已知Ne 原子 m μλ6328.0=处谱线的MHz F 1500=?ν，问腔内有多少个纵模振荡？
光在腔内往返一次其光子寿命约为多少？光谱线的自然加宽ν?约为多少？ 10. 设平行平面腔的长度L=1m ，一端为全反镜，另一端反射镜的反射率90.0=γ，求 在1500MHz 频率范围内所包含的纵模数目和每个纵模的频带宽度？ 11. 已知CO 2激光器的波长m μλ60.10=处光谱线宽度MHz F 150=?ν，问腔 长L 为多少时，腔内为单纵模振荡（其中折射率 η=1）。 12. Nd 3—YAG 激光器的m μ06.1波长处光谱线宽度MHz F 51095.1?=?ν，当腔长为10cm 时，腔中有多少个纵模？每个纵模的频带宽度为多少？ 13. 某激光器波长m μλ7.0=，其高斯光束束腰光斑半径mm 5.00=ω。 ①求距束腰10cm 、20cm 、100cm 时，光斑半径 )(z ω和波阵面曲率半径)(z R 各为多少？ ②根据题意，画出高斯光束参数分布图。 14. He-Ne 激光器波长m μλ6328.0=，采用平凹腔，其中凹面反射镜R=100m 时： ①分别计算当腔长为10cm 、30cm 、50cm 、70cm 、100cm 时两个反射镜上光斑尺寸W 平和W 凹。 ②根据题意，画出光斑尺寸W 平和W 凹随腔长L 变化曲线。 15. 比较激光振荡器和放大器的异同点。 16. 试说明红宝石激光器的谱线竞争。 17. 说明选单模（横、纵）的意义和方法。
浅论相干光通信
浅论相干光通信 一、研究背景 尽管波分复用（WDM）技术和掺铒光纤放大器（EDFA）的应用已经极大的提高了光通信系统的带宽和传输距离，伴随着视频会议等通信技术的应用和互联网的普及产生的信息爆炸式增长，对作为整个通信系统基础的物理层提出了更高的传输性能要求。光通信系统采用强度调制/直接检测(IM/DD)，即发送端调制光载波强度，接收机对光载波进行包络检测。尽管这种结构具有简单、容易集成等优点，但是由于只能采用ASK调制格式，其单路信道带宽很有限。因此这种传统光通信技术势必会被更先进的技术所代替。 然而在通信泡沫破灭的今天，新的光通信技术的应用不可避免的会带来对新型通信设备的需求，面对居高不下的光器件价格，大规模通信设备更换所需要的高额成本，是运营商所不能接受的，因此对设备制造商而言，光纤通信新技术的研发也面临着很大的风险。 如何在现有的设备基础上提高光通信系统的性能成为了切实的问题。在这样的背景下，二十多年前曾被寄予厚望的相干光通信技术，再一次被放到了桌面上。 相干光通信的理论和实验始于80年代。由于相干光通信系统被公认为具有灵敏度高的优势，各国在相干光传输技术上做了大量研究工作。经过十年的研究，相干光通信进入实用阶段。英美日等国相继进行了一系列相干光通信实验。直到20世纪80年代末，EDFA和WDM技术的发展，使得相干光通信技术的发展缓慢下来。在这段时期，灵敏度和每个通道的信息容量已经不再备受关注。然而，直接检测的WDM系统经过二十年的发展和广泛应用后，新的征兆开始出现，标志着相干光传输技术的应用将再次受到重视。 在数字通信方面，扩大C波段放大器的容量，克服光纤色散效应的恶化，以及增加自由空间传输的容量和范围已成为重要的考虑因素。在模拟通信方面，灵敏度和动态范围成为系统的关键参数，而他们都能通过相关光通信技术得到很大改善。 二、相干光通信系统的组成及基本原理 强度调制-直接检波系统，虽然可以通过高码速来实现大容量传输，而且具有调制、解调较容易的优点，但是，从理论上来讲，这种调制系统所采用的光源不是理论上单一频率的相干光源，而有相当的频宽、对这种由一个频带组成的光源进行强度调制（调整个信号的光强），显然，已调信号就具有相当宽的带宽（当然，相对于光纤本身的传输带宽来讲，仍然是个窄频带）。另外，在强度调制中，仅仅利用了光的振幅参量，相当于早期无线电通信中采用火花发射机那样，是一种噪声通信系统。它的传输容量和中断距离都受到限制。 相干光通信系统则采用单一频率的相干光做光源（载波），沿用无线电技术中早已实现的相干通信方式，再配合幅移键控（ASK）,频移键控（FSK）、相移键控（PSK）等调制方式，实现一种新型的光纤通信方式----这就是理论上具有先进性的外差光纤通信系统。 相干光通信系统的基本结构如图1所示。图中的光载波经调制器受数字信号调制后形成已调信号光波。调制方式有很多种，将光信号通过调幅、调频或调相的方式被调制（设调制频率为ωs）到光载波上的，当该信号传输到接收端时，首先与频率为ωL本振光信号进行相干混合，然后由光电检测器进行检测，这样获得了中频频率为ωIF=ωs-ωL的输出电信号，因为ωIF≠0，故称该检测为外差检测，那么当输出信号的频率ωIF=0（即ωs=ωL）时，则称之为零差检测，此时在接收端可以直接产生基带信号。