有线电视HFC网络技术（讲座）作者：丁炜第一部分、激光在CATV中的应用激光技术是60年代初发展起来的一门新兴科学技术，它引起了现代光学应用技术的巨大变革。激光是电磁波，其传输规律满足麦克斯韦方程，在边界上发生反射、全反射和折射现象，也具有干涉的衍射效应，其和其它频率的电磁波一样，在真空中传播速度为每秒30万公里。激光在电磁波谱中的位置如下：（粗实线一段）紫外线1μm1550紫兰绿黄橙红红外线在上述光源中，只有激光具有高定向性，高单色性、高亮度等特点。正是由于激光的这些特点，才能作为电视信号和通信等的载体，而其它的光源则不能作为载体。在有线电视系统中，现在一般采用1.31µm和1.55µm波长的激光。一、激光的产生机理在讲激光产生机理之前，先讲一下受激辐射。在光辐射中存在三种辐射过程，一时处于高能态的粒子在外来光的激发下向低能态跃迁，称之为自发辐射；二是处于高能态的粒子在外来光的激发下向低能态跃迁，称之为受激辐射；三是处于低能态的粒子吸收外来光的能量向高能态跃迁称之为受激吸收。自发辐射，即使是两个同时从某一高能态向低能态跃迁的粒子，它们发出光的相位、偏振状态、发射方向也可能不同，但受激辐射就不同，当位于高能态的粒子在外来光子的激发下向低能态跃迁，发出在频率、相位、偏振状态等方面与外来光子完全相同的光。在激光器中，发生的辐射就是受激辐射，它发出的激光在频率、相位、偏振状态等方面完全一样。任何的受激发光系统，即有受激辐射，也有受激吸收，只有受激辐射占优势，才能把外来光放大而发出激光。而一般光源中都是受激吸收占优势，只有粒子的平衡态被打破，使高能态的粒子数大于低能态的粒子数（这样情况称为离子数反转），才能发出激光。产生激光的三个条件是：实现粒子数反转、满足阈值条件和谐振条件。产生光的受激发射的首要条件是粒子数反转，在半导体中就是要把价带内的电子抽运到导带。为了获得离子数反转，通常采用重掺杂的P型和N型材料构成PN结，这样，在外加电压作用下，在结区附近就出现了离子数反转—在高费米能级EFC以下导带中贮存着电子，而在低费米能级EFV以上的价带中贮存着空穴。实现粒子数反转是产生激光的必要条件，但不是充分条件。要产生激光，还要有损耗极小的谐振腔，谐振腔的主要部分是两个互相平行的反射镜，激活物质所发出的受激辐射光在两个反射镜之间来回反射，不断引起新的受激辐射，使其不断被放大。只有受激辐射放大的增益大于激光器内的各种损耗，即满足一定的阈值条件P1P2exp(2G-2A)≥1（P1、P2是两个反射镜的反射率，G是激活介质的增益系数，A是介质的损耗系数，exp为常数），才能输出稳定的激光，另一方面，激光在谐振腔内来回反射，只有这些光束两两之间在输出端的相位差Δф=2qπq=1、2、3、4。。。。时，才能在输出端产生加强干涉，输出稳定激光。设谐振腔的长度为L，激活介质的折射率为N，则Δф=（2π/λ）2NL=4πN(Lf/c)=2qπ，上式可化为f=qc/2NL该式称为谐振条件，它表明谐振腔长度L和折射率N确定以后，只有某些特定频率的光才能形成光振荡，输出稳定的激光。这说明谐振腔对输出的激光有一定的选频作用。二、激光的特点由于激光是以受激辐射的光放大为基础的发光现象，因而它同以自发辐射为基础的普通光源相比有许多鲜明的特点。1．方向性好。激光具有很强的方向性，它治着一定的方向（比如光纤内）传播，而普通光源发出的光却是向四面八方均匀传播。在激光器中，由于受激原子发光的方向与外来光相同，再加上谐振腔只允许沿轴线传播的光得到放大，从而确保了激光的方向性，如果把激光器射到月球上，光斑直径不到2公里，而如把普通光源的光射到月球上（这根本是不可能的，这里只是假设），光束扩散直径将达到几万公里。2．激光的单色性好。激光具有很窄的频谱，寻常光源除发出的可见光外，还包括紫外线、红外线，频谱相当宽，把所有的光滤波技术用于寻常光源也不能得到激光那样的纯色。3．亮度高。激光器单位面积上的发光功率非常大，这种光点所照射之处，在不到千分之一秒时间内就能产生几百万度的高温，在光纤中传播的有线电视光功率一般都在几十毫瓦以下，能量...
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