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1、近十年红外技术的应用研究进展近十年红外技术的应用研究进展 理学院 电科 1091 摘摘 要要：20 世纪以来，红外激光是继原子能、计算机、半导体之后的又一重大科技发明。在有充分的理论准备和生产实践需要的背景下，红外激光技术应运而生。它一问世就获得了异乎寻常的快速发展。红外激光在现代通信领域有着广泛的应用。它在扩大通信容量，缓和通信频段拥挤，提高通信安全等方面都发挥着极为重要的作用。1 关键词：红外激光技术关键词：红外激光技术 现代通讯现代通讯 红外激光通信红外激光通信 光子晶体光子晶体 能量衰减能量衰减 选题背景选题背景红外激光是由受激发射的光放大产生的辐射。红外激光是 20 世纪以来，继原子
2、能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”、 “最准的尺”、 “最亮的光”和“奇异的红外激光”。它的亮度为太阳光的 100 亿倍。它的原理早在 1916 年已被著名的物理学家爱因斯坦发现，但要直到 1960 年红外激光才被首次成功制造。2 红外激光是在有理论准备和生产实践迫切需要的背景下应运而生的，它一问世，就获得了异乎寻常的飞快发展，红外激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生，而且导致整个一门新兴产业的出现。红外激光可使人们有效地利用前所未有的先进方法和手段，去获得空前的效益和成果，从而促进了生产力的发展。 经过 40 多年的飞速发展，红外激光技术已成为现代科
3、技的重要标志，其应用已经渗透到通讯、军事、科研、工业、农业、医疗、家电、娱乐等众多领域。3 此外，红外激光的重要特点如下： 高亮度。强红外激光的亮度比太阳表面亮度高出百亿倍，这样的高亮度是普通光源无法比拟的。方向性强。4 红外激光发射的几乎是一束理想的平行光，它可以传播很远而极少发散，一束红外激光在 20 公里的距离上，几乎不发散，红外激光射向月球，光斑也不到 2 公里。人们正是利用这一特点，准确地测出月球与地球间的距离(384000 公里)。 单色性好。颜色的不同，本质上是光的波长不同，普通光源的波长有一个范围，人眼所能感觉的波长是 38007600埃，而红外激光的波长范围很窄。红外激光可比
4、 一般单色光源频谱窄上万倍至千万倍，是当今世界上最好的单色光源。相干性好。红外激光几乎是理想的单色光，是很好的相干光。而各种自然光和人造光在空间和时间上是杂乱的，互不相干的非相干光。由于其良好的性能，使得红外激光在我们的生活中应用越来越广泛，特别是在现代通讯中扮演的角色也越来越重要。在通讯中的应用在通讯中的应用光纤通信光纤通信是红外激光应用的最广泛的区域，因其自身特性，也因为配网自动化系统的规模、复杂程度和自动化程度决定了其在光纤通信中的地位。5 配网馈线自动化是配网系统提高供电可靠性最直接有效的技术手段之一。在近几年国家加大了对城网和农网的改造，国内各大供电局对配电网自动化的投入也在加大。同
5、调度 SCADA 系统一样，配电自动化系统也需要一个有效的通信网，同时他有自己的特点：终端数量极多。配网系统拥有众多的开闭所、配电变压器、柱上断路器，要对这些设备进行监控就需要许多 FTU 和 TTU，同时这些 FTU随配电设备安装，地域分布广，通讯节点分散。 光纤通信光纤通信 自红外激光器和低损耗光纤问世以来，光纤通信系统以其技术、经济上无可比拟的优越性而迅速崛起，并风靡全球。该系统是以光纤为传输介质，以光为载波信号传递信息的通信系统，应用的光波波长为 1.01.m 靘，整个系统由电端机、光端机、光缆和中继器构成。光纤可分为单模光纤(SMF)、多模光纤(MMF)、长波长低射散光纤(LMF)、
6、保偏光纤(PMF)及塑料光纤(POF)等很多种；常用的为单模和多模光纤，多模光纤就是传输多个光波模式，而单模光纤只传输一个光波模式。单模光纤比多模光纤传输距离长，目前一般地，光信号在多模光纤内可传 6km 左右，在单模光纤内可传 30km。6 因此，单模光设备的价格要高于多模光设备。实用的光纤通常都是由多根光纤、加强芯、保护材料、固定材料等组合成光缆构成的传输线。 光纤 MODEM 可完成光信号与数字信号之间的相互转换。光纤 MODEM 一般有一个以上的数据口用以传递同步或异步信号。通信速率可达到 2Mbps 或更高，配网常用的通信速率一般为同步 N64K 或异步 19200bps 以下。故足
7、以满足配网通信的需要。7 另外，还有一种光纤 MODEM 具有双环自愈功能。这一功能使通信的可靠性大大增强。光纤通信的特点光纤通信的特点 光纤通信具有通信容量大，衰减小，不怕雷击，抗电磁干扰、抗腐蚀、保密性好、可靠性高、敷设方便等优点，不过投资费用相对较高，尤其对于城区内直埋式电缆线路的光纤敷设，施工费用将更大。 8 光纤通信在配电网上的实现方案 光纤通信的组网方式非常灵活，可以构架成星型、链型、树状、网状、单纤网、双纤网、环上多分支、多环相交、多环相切等各种拓扑结构的网络。 根据配电自动化系统的特点，光纤网通常需组成环型网，并与计算机局域网连接，实现数据共享。 9 红外激光测距与红外激光雷达
8、红外激光测距与红外激光雷达红外激光测距的原理如同微波雷达测距一样，但红外激光测距与普通测距相比，具有远、准、快、抗干扰、无盲区等优点。红外激光测距在常规兵器中已广泛应用，有取代普通光学测距的趋势。第一代红宝石红外激光测距，隐蔽性差(发红光)，对人眼有损伤，且效率低，已淘汰。10 第二代 YAG 红外激光测距已广泛使用，但对人眼也有一定损伤。目前正在研发第三代 CO2 气体或固体红外激光测距，对人眼无伤害，将逐步取代第二代红外激光测距。 红外激光雷达与微波雷达相似，用窄红外激光束对某一地区进行扫描，并得出雷达图。随着有关器件和技术的发展，红外激光雷达在高精度和成像方面占有优势，其测距精度可达厘米
9、甚至毫米级，比微波雷达高近 100 倍；测角速精度，理论上比微波雷达高一亿倍以上，现在已做到高 100010000 倍。红外激光传感器：简介利用红外激光技术进行测量的传感器。它由红外激光器、红外激光检测器和测量电路组成。红外激光传感器是新型测量仪表，它的优点是能实现无接触远距离测量，速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强等。 11 应用应用利用红外激光的高方向性、高单色性和高亮度等特点可实现无接触远距离测量。红外激光传感器常用于长度、距离、振动、速度、方位等物理量的测量，还可用于探伤和大气污染物的监测等。12 红外激光测长红外激光测长精密测量长度是精密机械制造工业和光学加工工业的关键技术之
10、一。现代长度计量多是利用光波的干涉现象来进行的，其精度主要取决于光的单色性的好坏。红外激光是最理想的光源，它比以往最好的单色光源（氪-86 灯）还纯10 万倍。因此红外激光测长的量程大、精度高。由光学原理可知单色光的最大可测长度 L 与波长 和谱线宽度 之间的关系是 L=/。用氪86 灯可测最大长度为 38.5 厘米，对于较长物体就需分段测量而使精度降低。若用氦氖气体红外激光器，则最大可测几十公里。一般测量数米之内的长度，其精度可达 0.1微米。13 红外激光测距红外激光测距它的原理与无线电雷达相同，将红外激光对准目标发射出去后，测量它的往返时间，再乘以光速即得到往返距离。由于红外激光具有高方
11、向性、高单色性和高功率等优点，这些对于测远距离、判定目标方位、提高接收系统的信噪比、保证测量精度等都是很关键的，因此红外激光测距仪日益受到重视。在红外激光测距仪基础上发展起来的红外激光雷达不仅能测距，而且还可以测目标方位、运运速度和加速度等，已成功地用于人造卫星的测距和跟踪，例如采用红宝石红外激光器的红外激光雷达，测距范围为 5002000 公里,误差仅几米。14 目前常采用红宝石红外激光器、钕玻璃红外激光器、二氧化碳红外激光器以及砷化镓红外激光器作为红外激光测距仪的光源。红外激光测振红外激光测振它基于多普勒原理测量物体的振动速度。多普勒原理是指：若波源或接收波的观察者相对于传播波的媒质而运动
12、，那么观察者所测到的频率不仅取决于波源发出的振动频率而且还取决于波源或观察者的运动速度的大小和方向。所测频率与波源的频率之差称为多普勒频移。在振动方向与方向一致时多普频移 fd=v/，式中 v 为振动速度、 为波长。在红外激光多普勒振动速度测量仪中，由于光往返的原因,fd =2v/。这种测振仪在测量时由光学部分将物体的振动转换为相应的多普勒频移,并由光检测器将此频移转换为电信号,再由电路部分作适当处理后送往多普勒信号处理器将多普勒频移信号变换为与振动速度相对应的电信号，最后记录于磁带。这种测振仪采用波长为 6328 埃()的氦氖红外激光器，用声光调制器进行光频调制，用石英晶体振荡器加功率放大电
13、路作为声光调制器的驱动源，用光电倍增管进行光电检测，用频率跟踪器来处理多普勒信号。它的优点是使用方便，不需要固定参考系,不影响物体本身的振动,测量频率范围宽、精度高、动态范围大。缺点是测量过程受其他杂散光的影响较大。15 红外激光测速红外激光测速它也是基多普勒原理的一种红外激光测速方法,用得较多的是红外激光多普勒流速计(见红外激光流量计),它可以测量风洞气流速度、火箭燃料流速、飞行器喷射气流流速、大气风速和化学反应中粒子的大小及汇聚速度等。16 发展前景发展前景不断成熟起来的地面通信系统，加上辅助工艺技术的快速发展，红外激光通信系统将会取得长足的发展， 加之，近年来，新的红外激光材料正以前所未
14、有的速度问世，如 Ce：LiSAF、Ce：LiuF 紫外可调谐晶体、超晶格非线性光学晶体、KBBF 深紫外非线性光学晶体等。在光子晶体光电子器件中，光子晶体红外激光器是最引人注目的热点之一。17 以人工晶体为基础材料的全固态红外激光器的发展趋势将是研究出集高功率、多波长、宽调谐、长寿命、高稳定性于一体的全固态红外激光器。此外，在新结构方面，体积小且冷却要求低的量子点红外激光器以及作为孤子通信系统光源的微腔半导体红外激光器，都仍处于早期研究阶段，是具有潜力的研究方向。18总结：总结：以上，从应用、新结构和新材料几个方面探讨了通信领域中红外激光技术及应用的重点发展方向，并展望了发展趋势。总体上，经
15、历过全球范围通信市场的一段低迷和考验之后，红外激光技术正同时面临着新的契机和诸多难题。经过了几十年的探索研究与技术积累，在经历了从盲目膨胀到谨慎进取的转变之后，在通信发展的迫切需求与新兴业务的不断驱动下，高度重视、扎实从事开拓红外激光技术市场的时机已经来到，相信不久的将来，红外激光技术会为我们展现出一幅别样的美景！参考文献：参考文献：1 利寅红外激光原理J 工程塑料应用，2009，37(5): 3-82 王海波，朱宪忠，任巨光红外照明技术应用J 中国照明电器，2004，(5)：1.3印琰, 杨宝东, 朱月华等. 红外热激发光原理J . 中国照明电器, 2009, 2( 3) : 6-10.4
16、李长元，董福平，杜军红外激光通讯M第十一次全国激光应用技术学术交流会论文集江苏常熟，20055 崔佳，曲敏杰，刘伟红外激光器原理及应用J塑料科技，2008。36(8)：90-926 幸松民，王一路光纤通讯应用M北京：物理丁业出版社，20007 张中太, 张俊英, 等 红外测速技术 P .CN01130655. 6, 2001: 8-17.8 张海运， 无机光致发光材料及应用M. 北京:化学工业出版2005:186192.9 马多多, 刘行仁. 现在激光技术 J . 发光学报, 1998, 19( 3) : 224.10 陈吉涛. 红外技术 J . 物理学报, 2009, 24( 5) : 1064-1066.11 李强, 高濂, 严东生. 激光器表面包膜处理J .物理学报, 2009, 14( 1) : 150.12 李林楷
