高中化學必修二的知識點歸納(2)
高中化學必修二的知識點歸納
高中化學光導纖維學習方法
光導纖維
直到1960年，美國科學家Maiman發(fā)明了世界上第一臺激光器后，為光通訊提供了良好的光源。隨后二十多年，人們對光傳輸介質(zhì)進行了攻關，終于制成了低損耗光纖，從而奠定了光通訊的基石。從此，光通訊進入了飛速發(fā)展的階段。
前香港中文大學校長高錕于1965年在一篇論文中提出以石英基玻璃纖維作長程信息傳遞，將帶來一場通訊業(yè)的革命，并提出當玻璃纖維損耗率下降到20分貝/公里時，光導纖維通訊(即現(xiàn)在所謂的光纖通訊)就會成功。引發(fā)了光導纖維的研發(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用。被視為光纖通信的里程碑之一，高錕也因此被國際公認為“光纖之父”，高錕也因此獲得2009年諾貝爾物理學獎。
概述
光通訊是人類最早應用的通訊方式之一。
從烽火傳遞信號，到信號燈﹑旗語等通訊方式，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，英國物理學家丁達爾到皇家學會的演講廳講光的全反射原理，他做了一個簡單的實驗：在裝滿水的木桶上鉆個孔，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，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)。人們曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)，光能沿著從酒桶中噴出的細酒流傳輸;人們還發(fā)現(xiàn)，光能順著彎曲的玻璃棒前進。這是為什么呢?難道光線不再直進了嗎?這些現(xiàn)象引起了丁達爾的注意，經(jīng)過他的研究，發(fā)現(xiàn)這是全反射的作用，即光從水中射向空氣，當入射角大于某一角度時，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。
實際上，在彎曲的水流里，光仍沿直線傳播，只不過在內(nèi)表面上發(fā)生了多次全反射，光線經(jīng)過多次全反射向前傳播。光導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-------光導纖維里傳播。目前，光導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：
頻帶寬頻帶的寬窄代表傳輸容量的大小。光導纖維載波的頻率越高，可以傳輸信號的頻帶寬度就越大。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。
可見光的頻率達100000GHz，比VHF頻段高出一百多萬倍。盡管由于光纖對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30000GHz。目前單個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10GHz以上)，采用先進的相干光通信可以在30000GHz范圍內(nèi)安排2000個光載波，進行波分復用，可以容納上百萬個頻道。損耗低光導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信號時，每公里的損耗都在40dB以上。
相比之下，光導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要遠得多。
此外，光纖傳輸損耗還有兩個特點，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行均衡;二是其損耗幾乎不隨溫度而變，不用擔心因環(huán)境溫度變化而造成干線電平的波動。
重量輕因為光纖非常細，單模光纖芯線直徑一般為4um～10um，外徑也只有125um，加上防水層、加強筋、護套等，用4～48根光纖組成的光纜直徑還不到13mm，比標準同軸電纜的直徑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，安裝十分方便。
抗干擾能力強因為光纖的基本成分是石英，只傳光，不導電，不受電磁場的作用，在其中傳輸?shù)墓庑盘柌皇茈姶艌龅挠绊?，故光纖傳輸對電磁干擾、工業(yè)干擾有很強的抵御能力。也正因為如此，在光纖中傳輸?shù)男盘柌灰妆桓`聽，因而利于保密。
保真度高因為光纖傳輸一般不需要中繼放大，不會因為放大引來新的非線性失真。只要激光器的線性好，就可高保真地傳輸電視信號。實際測試表明，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cM也在60dB以上，遠高于一般電纜干線系統(tǒng)的非線性失真指標。
工作性能可靠我們知道，一個系統(tǒng)的可靠性與組成該系統(tǒng)的設備數(shù)量有關。設備越多，發(fā)生故障的機會越大。因為光纖系統(tǒng)包含的設備數(shù)量少(不像電纜系統(tǒng)那樣需要幾十個放大器)，可靠性自然也就高，加上光纖設備的壽命都很長，無故障工作時間達50萬～75萬小時，其中壽命最短的是光發(fā)射機中的激光器，最低壽命也在10萬小時以上。故一個設計良好、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，也叫做光學定律(Optical Law)。該定律指出，光纖傳輸信息的帶寬，每6個月增加1倍，而價格降低1倍。光通信技術的發(fā)展，為Internet寬帶技術的發(fā)展奠定了非常好的基礎。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障礙。
由于制作光纖的材料(石英)來源十分豐富，隨著技術的進步，成本還會進一步降低;而電纜所需的銅原料有限，價格會越來越高。顯然，今后光纖傳輸將占絕對優(yōu)勢，成為建立全省、以至全國有線電視網(wǎng)的最主要傳輸手段。
噪聲小光導纖維傳播信息時發(fā)出的噪聲很小。在傳輸信息容量非常大時，光導纖維也不會發(fā)出大的噪音。
高中化學光導纖維學習方法(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)生多種功率和波長的激光。由于激光是以受激輻射的光放大為基礎的發(fā)光現(xiàn)象，同以自發(fā)輻射為基礎的普通光源相比，具有許多鮮明的特點。
單色性好
我們知道，不同顏色的光具有不同的波長。所謂單色光，實際是波長范圍很小的一段輻射。譜線寬度越窄(即波長范圍越小)，光的單色性就越好。需要說明的是，這里的譜線寬度是未調(diào)制前激光所包含的波長范圍，它與激光調(diào)制后的頻帶寬度是兩個不同的概念。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。
因為激光是在特定能級之間實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)后產(chǎn)生的受激輻射，又經(jīng)過諧振腔的選頻作用，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，可用來研究物質(zhì)的能級和光譜的精細結(jié)構(gòu)，制成一年內(nèi)誤差不超過一微秒的標準鐘。
方向性好我們通常用光的發(fā)散角來描述其方向性，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40萬公里的月球上(這實際是不可能的)，其光斑直徑有幾萬公里。
在激光器中，由于受激原子發(fā)光的方向與外來光相同，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，可用于測距、定位、導航等。
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，因而具有很高的功率，最大可達10 W，再加上激光的方向性好，使其亮度極高，比太陽的亮度還高出上千億倍，只有氫彈爆炸瞬間的強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10萬度以上的高溫，進行打孔、焊接、手術以及可控熱核反應等等。
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、振動方向等方面都同外來光子一樣，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)出光的相干長度不超過O.1m，但激光的相干長度可達幾十公里。這里的相干長度是指把一束光分成兩束，讓它們經(jīng)過不同的路程，能夠產(chǎn)生干涉的最大光程差。利用激光的相干性好，可以進行全息攝影，進行精密測量?，F(xiàn)代光纖網(wǎng)干線長度一般較長(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)濟上各方面考慮，都應該選擇調(diào)幅光纖系統(tǒng)。
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