传播损耗 propagation losses

2022-10-18 15:53:31 浏览:214

定义

光传播过程中的光能损失。

当光在透明介质中传播时,由于不同的物理效应,其部分光功率可能会损失:

  • 一些光可能会被吸收。相应的能量通常会转化为热量,但也可能导致其他光学波长的荧光。
  • 光也可以散射(通常以瑞利散射的形式),即它被发送到其他方向。虽然这不会减少光的总量,但它减少了沿原始路径传播的光量。因此,散射光通常被认为是丢失的。然而,在某些情况下,散射光的很大一部分可以通过多次散射发送到大约原始传播方向。这样,适当定义传播损耗系数可能会更加困难。
  • 在某些情况下,由于非线性频率转换而存在损耗;例如,能量可以传递到光频率两倍(→倍频)的波上。
  • 对于光在波导(例如光纤)中的传播,由于引导和非引导模式之间的模式耦合,可能会有损耗。(转移到非引导模式的动力通常被认为是丢失的。例如,它们可能是由强烈的弯曲(→弯曲损失)引起的。

对于传播损耗,通常仅指分布在介质中的损耗,而不是局部损耗,例如光学界面上的菲涅耳反射引起的损耗。

在某些情况下,传播损耗可以通过增益(例如在激光增益介质中)或非线性效应(例如光学参量放大)来补偿或过度补偿。

损耗系数

介质中的传播损耗可以用传播损耗系数α来量化,传播损耗系数是吸收和散射的贡献之和,单位为 m−1。如果损耗系数恒定,则光功率与exp(−α z)成正比,其中z是传播距离。

或者,损耗可以用每米分贝 (dB/m) 来量化;此时的数值是m−1中损失系数值的4.34倍 。(有关因子 4.34 的解释,请参阅有关分贝的文章的第一段。也可以用复折射率来描述传播损耗,其中损耗用虚部表示。类似地,演化功率和光相位可以用复传播常数来描述。

内在和外在损耗

当传播损失不可避免地由材料的基本特性引起时,它们被称为内在损失。另一方面,外在损失是指原则上可以避免的情况造成的损失。

例如,由于红外吸收以及玻璃不可避免的不均匀性下的瑞利散射,二氧化硅纤维表现出一些固有损耗。(请注意,具有非晶结构的玻璃永远不可能在光学上完全均匀,即使对于完美优化的制造条件也是如此。另一方面,由于杂质或不完美的制造条件,可能会有额外的外在损失。

相关性

传播损耗系数通常与波长有关。对于波导,它也可以与模式密切相关。

通常,波导中的传播损耗大于均质介质中的传播损耗,主要是因为不完美的界面会导致散射增加。然而,优化的单模光纤(例如用作电信光纤)在1.5μm光谱区域中的损耗可能低于0.2 dB/km,因为高度纯化的二氧化硅(即使掺杂了例如锗离子)在该波长区域表现出非常小的吸收和散射。

对于足够低的光学强度,传播损耗与强度无关。对于更高的强度,光学非线性可以发挥作用。例如,传播损耗可以通过双光子吸收或如上所述的非线性频率转换来增加。

基础光学

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