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  dferlcub 2007-07-19 00:00:00

  光纤的损耗:损耗指光信号功率传输每单位长度衰减的程度，用分贝/公里(dB/km)表示 为什么衰减 造成光纤衰减的主要因素有：本征，弯曲，挤压，杂质，不均匀和对接等。 本征：是光纤的固有损耗，包括：瑞利散射，固有吸收等。 弯曲：光纤弯曲时部分光纤内的光会因散射而损失掉，造成损耗。 挤压：光纤受到挤压时产生微小的弯曲而造成的损耗。 杂质：光纤内杂质吸收和散射在光纤中传播的光，造成的损失。 不均匀：光纤材料的折射率不均匀造成的损耗。 对接：光纤对接时产生的损耗，如：不同轴(单模光纤同轴度要求小于0.8μm)，端面与轴心不垂直，端面不平，对接心径不匹配和熔接质量差等。 当光从光纤的一端射入，从另一端射出时，光的强度会减弱。这意味着光信号通过光纤传播后，光能量衰减了一部分。这说明光纤中有某些物质或因某种原因，阻挡光信号通过。这就是光纤的传输损耗。只有降低光纤损耗，才能使光信号畅通无阻。 光纤损耗的分类 光纤损耗大致可分为光纤具有的固有损耗以及光纤制成后由使用条件造成的附加损耗。具体细分如下： 光纤损耗可分为固有损耗和附加损耗。 固有损耗包括散射损耗、吸收损耗和因光纤结构不完善引起的损耗。 附加损耗则包括微弯损耗、弯曲损耗和接续损耗。 其中，附加损耗是在光纤的铺设过程中人为造成的。在实际应用中，不可避免地要将光纤一根接一根地接起来，光纤连接会产生损耗。光纤微小弯曲、挤压、拉伸受力也会引起损耗。这些都是光纤使用条件引起的损耗。究其主要原因是在这些条件下，光纤纤芯中的传输模式发生了变化。附加损耗是可以尽量避免的。下面，我们只讨论光纤的固有损耗。 固有损耗中，散射损耗和吸收损耗是由光纤材料本身的特性决定的，在不同的工作波长下引起的固有损耗也不同。搞清楚产生损耗的机理，定量地分析各种因素引起的损耗的大小，对于研制低损耗光纤，合理使用光纤有着极其重要的意义。 材料的吸收损耗 制造光纤的材料能够吸收光能。光纤材料中的粒子吸收光能以后，产生振动、发热，而将能量散失掉，这样就产生了吸收损耗。 我们知道，物质是由原子、分子构成的，而原子又由原子核和核外电子组成，电子以一定的轨道围绕原子核旋转。这就像我们生活的地球以及金星、火星等行星都围绕太阳旋转一样，每一个电子都具有一定的能量，处在某一轨道上，或者说每一轨道都有一个确定的能级。距原子核近的轨道能级较低，距原子核越远的轨道能级越高。轨道之间的这种能级差别的大小就叫能级差。当电子从低能级向高能级跃迁时，就要吸收相应级别的能级差的能量。 在光纤中，当某一能级的电子受到与该能级差相对应的波长的光照射时，则位于低能级轨道上的电子将跃迁到能级高的轨道上。这一电子吸收了光能，就产生了光的吸收损耗。 制造光纤的基本材料二氧化硅（SiO2）本身就吸收光，一个叫紫外吸收，另外一个叫红外吸收。目前光纤通信一般仅工作在0.8～1.6μm波长区，因此我们只讨论这一工作区的损耗。 石英玻璃中电子跃迁产生的吸收峰在紫外区的0.1～0.2μm波长左右。随着波长增大，其吸收作用逐渐减小，但影响区域很宽，直到1μm以上的波长。不过，紫外吸收对在红外区工作的石英光纤的影响不大。例如，在0.6μm波长的可见光区，紫外吸收可达1dB／km，在0.8μm波长时降到0.2～0.3dB／km，而在1.2μm波长时，大约只有0.ldB／km。 石英光纤的红外吸收损耗是由红外区材料的分子振动产生的。在2μm以上波段有几个振动吸收峰。由于受光纤中各种掺杂元素的影响，石英光纤在2μm以上的波段不可能出现低损耗窗口，在1.85μm波长的理论极限损耗为ldB／km。 通过研究，还发现石英玻璃中有一些“破坏分子”在捣乱，主要是一些有害过渡金属杂质，如铜、铁、铬、锰等。这些“坏蛋”在光照射下，贪婪地吸收光能，乱蹦乱跳，造成了光能的损失。清除“捣乱分子”，对制造光纤的材料进行格的化学提纯，就可以大大降低损耗。 石英光纤中的另一个吸收源是氢氧根（OHˉ) 期的研究，人们发现氢氧根在光纤工作波段上有三个吸收峰，它们分别是0.95μm、1.24μm和1.38μm，其中1.38μm波长的吸收损耗Z为严重，对光纤的影响也Z大。在1.38μm波长，含量仅占0.0001的氢氧根产生的吸收峰损耗就高达33dB/km。 那么，这些氢氧根是从哪里来的呢？氢氧根的来源很多，一是制造光纤的材料中有水分和氢氧化合物，这些氢氧化合物在原料提纯过程中不易被清除掉，Z后仍以氢氧根的形式残留在光纤中；二是制造光纤的氢氧物中含有少量的水分；三是光纤的制造过程中因化学反应而生成了水；四是外界空气的进入带来了水蒸气。然而，现在的制造工艺已经发展到了相当高的水平，氢氧根的含量已经降到了足够低的程度，它对光纤的影响可以忽略不计了。 散射损耗 在黑夜里，用手电筒向空中照射，可以看到一束光柱。人们也曾看到过夜空中探照灯发出粗大光柱。那么，为什么我们会看见这些光柱呢？这是因为有许多烟雾、灰尘等微小颗粒浮游于大气之中，光照射在这些颗粒上，产生了散射，就射向了四面八方。这个现象是由瑞利Z先发现的，所以人们把这种散射命名为“瑞利散射”。 散射是怎样产生的呢？原来组成物质的分子、原子、电子等微小粒子是以某些固有频率进行振动的，并能释放出波长与该振动频率相应的光。粒子的振动频率由粒子的大小来决定。粒子越大，振动频率越低，释放出的光的波长越长；粒子越小，振动频率越高，释放出的光的波长越短。这种振动频率称做粒子的固有振动频率。但是这种振动并不是自行产生，它需要一定的能量。一旦粒子受到具有一定波长的光照射，而照射光的频率与该粒子固有振动频率相同，就会引起共振。粒子内的电子便以该振动频率开始振动，结果是该粒子向四面八方散射出光，入射光的能量被吸收而转化为粒子的能量，粒子又将能量重新以光能的形式射出去。因此，对于在外部观察的人来说，看到的好像是光撞到粒子以后，向四面八方飞散出去了。 光纤内也有瑞利散射，由此而产生的光损耗就称为瑞利散射损耗。鉴于目前的光纤制造工艺水平，可以说瑞利散射损耗是无法避免的。但是，由于瑞利散射损耗的大小与光波长的4次方成反比，所以光纤工作在长波长区时，瑞利散射损耗的影响可以大大减小。

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  qdfine 2017-09-14 00:00:00

  紫外吸收光谱法基本原理 一、电子跃迁 Z常碰到的电子跃迁类型 二、发色团、助色团和吸收带 1、发色团 指具有跃迁的不饱和基团，这类基团与不含非键电子的饱和基团成键后，使化合物的Z大吸收位于200nm或200nm以上，摩尔吸光系数较大（一般不低于5000），简单的生色团由双键或三键体系组成.现简要讨论含生色团的不同类型有机化合物的电子吸收光谱. （1）乙烯及其衍生物 简单无环烯烃，如乙烯的跃迁的Z大吸收在180nm附近，有烷基取代基时，由于碳原子的sp2杂化，Z大吸收略有红移，这种现象的实质是诱导效应或超共轭效应引起的. 共轭生色团 含一个以上生色团的分子的吸收带可能是彼此隔开的生色团吸收的叠加，或可能是生色团的相互作用的结果.即使两个生色团为一个单键所隔开.也会发生共轭作用，于是电子吸收光谱与孤立的生色团的吸收带相比，呈现出明显的变化. Z简单的一个例子是1，3一丁二烯CH2=CH—CH=CH2，该分子中，两个C=C键为一个单键隔开，由于共轭作用，该分子给出的吸收光谱向低能量方向移动.在共轭体系中，电子离域于至少四个原子之间；这导致了跃迁能量的下降，同时由于跃迁几率增加而使摩尔吸光系数也有所增加.共轭作用对跃迁的影响相当大.对乙烯（193nm）1，3—丁二烯（217nm），已三烯（258nm），辛四烯（300nm）系列来说，可以看到：随该系列每个化合物中C=C双键的逐渐增加，产生红移并伴有摩尔吸光系数的增加. （2）多炔和烯炔烃 简单三键的跃迁在175nm处有Z大吸收，摩尔吸光系数约为6000. 共轭炔的电子吸收带也向低能量方向移动，但是，其摩尔吸光系数则要比共轭烯的低得多.例如，乙烯乙炔CH2=CH—C=CH所呈现的吸收带在1，3一丁二烯附近（=219nm）但其摩尔吸光系数仅为6500，而1，3一丁二烯的是21000.当共轭体系扩展到3至6个三键时，则产生高强度吸收带，摩尔吸光系数达105数量级.含双键的炔烃共轭体系，其紫外吸收光谱与多炔烃相似，在碳链长度相同的情况下，烯炔烃的吸收强度比多炔烃大，且Z大吸收波长进一步红移. （3）羰基化合物 羰基化合物与二烯类、非极性不饱和化合物不同，前者的吸收带强烈地受到溶剂性质的影响，且随α取代基的增加，跃迁的吸收带逐渐红移；后者一般不受α取代基的影响.在饱和有机化合物分子中含有酸、酯、内酯和内酰胺等结构单元，羰基的吸收一般在200—205nm.但是，当分子中的双键与羰基共轭时，其吸收带显著增强. （4）芳烃和杂环化合物 饱和五元和六元杂环化合物在200nm以上的紫外可见区没有吸收，只有不饱和的杂环化合物即芳香杂环化合物在近紫外区有吸收.这种吸收由 跃迁和跃迁产生的. （5）偶氮化合物 含—N=N—键的直链化合物产生的低强度的吸收带位于近紫外区和可见区.长波处的吸收带被认为是由跃迁所致.对脂肪族的叠氮化合物来说，285nm处低能量吸收带被认为是电子跃迁所致，而215nm处的吸收带则被认为是s-p→跃迁所致. 2、助色团 指带有孤对电子的基团，如—OH —OR、—NH2、—NHR、—Cl、—Br—I等，它们本身不会使化合物分子产生颜色或者不能吸收大于200nm的光，但当它们与发色团相连时，能使发色团的吸收带波长（λmax）向长波方向移动，同时使吸收强度增加. （1）吸电子助色团 吸电子助色团是一类极性基团，如硝基中氧的电负性比氮大，故氮氧键是强极性键，当—NO2引入苯环分子中，产生诱导效应和共轭效应，是苯环电子密度向硝基方向移动，且环上各碳原子电子密度分布不均，分子产生极性. （2）给电子助色团 给电子助色团是指带有未成键p电子的杂原子的基团，当它引入苯环中，产生p-π共轭作用，如氨基中的氮原子含有未成键的电子，它具有推电子性质，使电子移向苯环，同样使苯环分子中各碳原子电子密度分布不均，分子产生偶极. 无论是吸电子基或给电子基，当它与共轭体系相连，都导致大π键电子云流动性增大，分子中的跃迁的能级差减少，Z大吸收向长波方向移动，颜色加深.同时也指出助色团对苯衍生物的助色作用，不仅与基团本身的性质有关，而且与基团的数量及取代位置有关. 3、红移、蓝移、增色效应和减色效应 在有机化合物中，因取代基的引入或溶剂的改变而使Z大吸收波长发生移动.向长波方向移动称为红移，向短波方向移动称为蓝移. 由于化合物分子结构中引入取代基或受溶剂改变的影响，使吸收带强度即摩尔吸光系数增大或减小的现象称为增色效应或减色效应. 三、吸收带 1、R吸收带 由化合物的跃迁产生的吸收带.具有杂原子和双键的共轭基团，如C=O、-NO、-NO2、-N=N-、-C=S 等.其特点是：跃迁的能量Z小，处于长波方向，一般λmax在270nm以上，但跃迁几率小，吸收强度弱，一般摩尔吸光系数小于100. 2、K吸收带 是由共轭体系中的跃迁产生的吸收带.其特点是：吸收峰的波长比R带短，一般λmax >200nm，但跃迁几率大，吸收峰强度大.一般摩尔吸光系数大于104，随着共轭体系的增大，π电子云束缚更小，引起跃迁需要的能量更小，K带吸收向长波方向移动. K吸收带是共轭分子的特征吸收带.借此可判断化合物中的共轭结构.这是紫外光谱中应用Z多的吸收带. 3、B吸收带 由苯环本身振动及闭合环状共轭双键跃迁而产生的吸收带，是芳香族的主要特征吸收带.其特点是：在230-270nm呈现一宽峰，且具有精细结构，常用于识别芳香族化合物. 4、E吸收带 也是芳香族化合物的特征吸收带，可以认为是苯环内三个乙烯基共轭发生的跃迁而产生的.E带可分为E1和E2吸收带，都属于强吸收. 红外吸收光谱图与其紫外吸收曲线比较，红外吸收光谱曲线具有如下特点：diyi，峰出现的频率范围低，横坐标一般用微米（μm）或波数（cm-1）表示，第二，吸收峰数目多，图形复杂；第三，吸收强度低.吸收峰出现的频率位置是由振动能级差决定，吸收峰的个数与分子振动自由度的数目有关，而吸收峰的强度则主要取决于振动过程中偶极矩的变化以及能级的跃迁概率. 一、双原子分子的振动 （一）谐振子振动 将双原子看成质量为m1与m2的两个小球，把连接它们的化学键看作质量可以忽略的弹簧，那么原子在平衡位置附近的伸缩振动，可以近似看成一个简谐振动. 在通常情况下，分子大都处于基态振动，一般极性分子吸收红外光主要属于基态（ν =0）到diyi激发态（ν=1）之间的跃迁，即△ν=1. 非极性的同核双原子分子在振动过程中，偶极矩不发生变化，△v=0，△E振=0，故无振动吸收，为非红外活性. 根据红外光谱的测量数据，可以测量各种类型的化学键力常数k.一般来说，单键键力常数的平均值约为5 N•cm-1，而双键和三键的键力常数分别大约是此值的二倍和三倍.相反，利用这些实验得到的键力常数的平均值和方程（10-5）或（10-6），可以估算各种键型的基频吸收峰的波数.例如：H-Cl的k为5.1 N•cm-1.根据（10-6）式计算其基频吸收峰频率应为2 993 cm-1，而红外光谱实测值为2885.9 cm-1. 化学键的力常数k越大，原子折合质量μ越小，则化学键的振动频率越高，吸收峰将出现在高波数区；相反，则出现在低波数区.例如，≡C—C≡，═C═C═，—C≡C—，这三种碳—碳键的原子质量相同，但键力常数的大小顺序是：叁键>双键>单键，所以在红外光谱中，吸收峰出现的位置不同：C≡C约（2 222 cm-1）> C═C（约1 667 cm-1）>C—C（约1 429 cm-1）.又如，C—C，C—N，C—O键力常数相近，原子折合质量不同，其大小顺序为C—C

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