通信领域中激光技术的原理及运用

　　摘    要：　激光是一种单向性、单色性极好的光,其在通信、医学、工业、娱乐等领域有着广泛的应用。与无线电相比,激光可以更高效地、准确地传递大量的信息。事实上,在人们观看DVD、利用光纤获得上网许可、扫描商品条形码时,都需要用到激光。本文详细介绍了激光技术的原理,深入探讨了其在通信领域的应用,以期为相关人员提供参考。

　　关键词：　激光; 通信; 大气通信; 空间通信;

　　引言

　　激光是一种单色好、相干性好且高度准直的强光束。与其他光源相比,激光的波长非常集中,构成激光束的光子具有固定的相位关系。来自激光器的光可以在传播很远的距离后基本不衰减;激光也可以聚焦成一个很小的点,其亮度超过太阳的亮度。由于这些特性,激光器被广泛地应用于各行各业[1]。

　　1958年,贝尔电话实验室的科学家Charles Townes和Arthur Schalow提出了一种可以产生“很强的光”的思路;1960年,休斯实验室的Theodor Maiman发明了红宝石激光器。在接下来的几十年中,半导体二极管激光器、风冷离子激光器、二极管泵浦固态(DPSS)激光器相继问世,这些性能优良的激光器,使人们可以高速地实现光电转换。如今,科学家已经发明了数千种激光器。不过,只有少数激光器发出的光能够应用于科学、工业、商业和军事领域[2]。

　　激光在通信领域有着十分广泛的应用。激光的单向性非常好,在长距离传播中几乎不会衰减。利用激光,技术人员可以在同一路径上同时传输不同的信息,且不同的光束间不会发生相互干扰。此外,低频激光很难被常规设备探测到,其在军事领域有着广泛的应用[3]。
 

 

　　一、激光的简介

　　术语“激光(laser)”是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的缩写。要了解激光,需要先了解这些术语的含义。这里的“Light”通常是波长在1nm至1000mm范围内的电磁辐射。可见光(能够被人看到的光)的波长约为400至700nm。波长为700nm到10mm的电磁辐射是近红外(NIR),超过10mm的电磁辐射都是远红外(FIR)。相反,波长为200至400nm的电磁辐射是紫外线(UV),波长小于200nm的是深紫外线(DUV)。其中的“Stimulated Emission”是受激辐射的意思,也就是说,原子在某些条件下可以被激发,并辐射出频率相同、传播方向相同的光子,这些光子构成的光,就是激光。

　　二、激光的特点

　　2.1、 亮度高

　　激光的能量高度集中于较窄的光束,所以激光的亮度通常很高,激光比普通光源发出的光强亿万倍,激光的亮度甚至高于太阳表面光的亮度。

　　2.2、 方向性好

　　激光的发散角非常小,激光在传播很远的距离后仍然可以保持不发散,而普通无线电波的发散度通常很高。研究表明,当激光传播20km后,光斑直径只有20～30cm。因此,航天工作者可以利用激光实现空间通讯。

　　2.3、 单色性好

　　光的颜色是由光的波长决定的。当具有不同波长的光作用于人的视觉系统时,会使不同的细胞产生神经冲动,使人感知到不同的颜色。在一束激光中,所有光子的波长基本一致,激光的谱线宽度很窄,激光的颜色很纯,单色性很好。

　　2.4、 相干性好

　　激光由波长相同、传播方向相同的一系列的光子组成,激光的相干性很好,能量非常高,因此,人们可以用激光来传递信息[4]。

　　三、激光的产生原理

　　原子会不断地振动、移动和旋转。原子可以处于不同的激发态。换句话说,它们可以具有不同的能量。如果科学家给予一个原子一定的能量,它可以离开被称为基态的能级,并到达被称为激发态的能级。原子最终所处的激发态取决于其吸收的热能、光能或电能的大小。换句话说,如果给予一个原子一定的能量,原子中处于低能轨道中的某些电子会跃迁到远离原子核的高能轨道。

　　电子跃迁到能量更高的轨道后,会在一定的时间内返回基态。当它返回基态时,会释放光子。事实上,在生活中,人们可以观察到的很多现象,都与原子以光子的形式释放能量密切相关。例如,当烤面包机中的加热元件变成鲜红色时,受热而处于激发态的原子会回到基态,并释放相应频率的光子。任何产生光的设备,如荧光灯、气灯、白炽灯泡等,都是通过诱导电子改变轨道、使之释放光子而发光的[4]。

　　从本质上讲,激光器是一种控制通电原子释放光子的方式的设备。尽管激光器的类型很多,但所有的激光器都具备相同的基本特征。在激光器中,原子吸收某些形式的能量而进入激发态。通常,非常强烈的闪光或放电会激发激光器中的工作物质,并产生大量的激发态原子,也就是具有高能电子的原子。为了使激光器有效地工作,必须使大量原子处于激发态。在多数激光器中,原子会被激发到比基态高两个或三个能级的激发态,处于激发态的原子多于处于基态的原子,也就是实现了粒子数反转[5]。

　　在激光器中的工作物质受到激发后,其中的一些电子将处于激发态。处于激发态的电子的能量大于处于基态的电子。在回到基态时,电子通常以光子的形式释放出能量。发出的光子具有特定的波长,也就是电子只发出特定颜色的光。

　　如果某一原子所释放的光子遇到另一个相同的原子,则可能发生受激辐射。第一个光子可以激发或诱导第二个原子发生受激辐射,也就是使第二个原子发射的光子以与入射光子相同的频率和方向振动。

　　产生激光的另一个关键是将光不断放大。在激光介质的两端各放置一个反射镜,并使两个反射镜彼此平行,就可以实现光放大。具有特定波长和相位的光子会在两块反射镜之间来回反射,多次穿过激光介质。在此过程中,它们会刺激介质中其他处于激发态的电子返回基态,发射更多具有相同波长和相位的光子。利用这种装置,科学家可以在很短的时间内得到许多具有相同波长和相位的光子。激光介质一端的反射镜是全反射镜,它可以反射全部的光,另一端的反射镜是半反射镜,它可反射一部分光,透射另一部分光,透射出的光就是激光[6]。

　　四、激光器的种类

　　固体激光器是通过固定于固态基质中的激光介质(如红宝石或钕等)发光的。红宝石激光器是最常见的固体激光器,其发射波长为694nm。可以根据所需的波长、所需的功率和脉冲持续时间等,选择合适的激光介质。

　　液体激光器的激光介质是溶液或悬浮液中有机染料(如罗丹明)。这些激光器可以发出不同波长的光。人们可以通过调节染料的浓度,调节液体激光器的波长。

　　气体激光器(氦氖激光器是最常见的气体激光器)主要输出可见红光。一些气体产生的激光的能量非常高,CO2激光能够切割钢板等十分坚硬的材料。需要注意的是,CO2激光是非常危险的,它会在光谱的红外和微波区域发射激光。在红外区发射的能量将以热量的形式散失,可以使照射到的物质熔化或汽化。

　　准分子激光器是一种新型气体激光器。它使用反应性气体(如氯气和氟气)与惰性气体(如氩气或氙气)产生激光。当受到电流的刺激时,准分子激光器中的分子将形成二聚体。在发射激光时,这种二聚体可以产生紫外光。

　　半导体激光器(也称二极管激光器)是一种较为特殊的激光器。这些激光器通常发出波长在630nm至680nm之间的红色光束。它们的工作方式与固体激光器有很大的差异。这些电子设备通常非常小并且功率很低。人们在日常生活中使用的袖珍激光笔,就属于半导体激光器。设计师通常将多个半导体激光器排布为一个较大的阵列,将其用作激光打印机或CD播放器的写入源[7]。

　　五、激光通信的原理

　　在利用激光进行通信时,技术人员需要首先将各种形式的信号转变为调制光束。在接收站,技术人员需要用激光接收装置接收调制光束,并进行解调,从而将所需信号与激光束(载波)分离。与信号强度相关的输出电流将被逐级放大,然后被输送到扬声器或其他装置。

　　光学调制器中工作物质的折射率与信号波有关。激光器输出的连续激光将穿过偏振调制器(KDP晶体),形成偏振光。技术人员一般将环形电极放置在晶体上,并施加与信号波成比例的电场。由于晶体的折射率与电信号有关,光束的偏振情况发生变化。因此,从分析仪透射的光的强度也会随着信号的变化而变化。

　　技术人员主要通过直接光电探测器和光混合器这两种设备实现激光束的解调。光电倍增管探测器可以高效地对可见光和红外光进行解调。这种探测器中装有大量的硅光电二极管,它们在约85009000?(1?=1x10-10米)处具有峰值响应,能够非常灵敏地捕获较为微弱的光信号。

　　通过在入射的信号上叠加未调制的光束,使合成的光束落在光电探测器的光电发射表面上,人们可以放大入射信号。当被放大的信号被输送到音频扬声器或其他设备时,发射端的输入信号可以被再现出来[8]。

　　六、 激光技术在通信领域的应用

　　激光的频谱范围较大,光束较窄,可以长距离传播,准确、高效、安全地传递大量信息。因此,激光在通信领域中有着广泛的应用。需要注意的是,并非所有类型的激光都能够高效地传递信息。在通信领域,最常用的激光器是半导体激光器。半导体中的原子可以直接被电流激发,在不可见的红外区域产生激光束[9]。

　　6.1 、保密通信

　　与普通无线电波相比,激光的光束宽度更窄,因此,激光通信具有较好的保密性,其在军事领域有着广泛的应用。

　　在进行激光通信时,设备必须位于狭窄的光束之内,才能接收到较为清晰的信号。可以利用激光进行两个通信点之间的高度保密通信,也可以建立防拦截激光通信网络,进行多点保密通信。此外,激光通信系统几乎不会受到任何无线电噪声的干扰,它可以准确、高效地传递大量信息。

　　6.2 、远距通信

　　利用功率较高的激光器,可以实现远距离通信。一般而言,通信信道的容量与频带宽度成正比,激光的频带宽度是普通低频无线电波的数倍,因此,激光的信息承载能力是在无线电低频通信的许多倍。此外,激光是高相干光束,激光的光强很高,方向性极好,在远距离通信中可以高效、稳定地传递信息。

　　空间激光通信可以为卫星提供灵活、高速的连接。在这类应用场景中,高效率的发射器和接收器对提高成本效益是至关重要的。尽管频谱效率一直是电信领域设计的关键参数,但是光域效率也是十分重要的,提高光域效率有助于提高接收器灵敏度。此外,超额带宽和不受平均功率限制的光发送器的应用,可以优化单个接收器的性能,使其适应多种数据速率。

　　不过,激光通信也存在着一定的局限性。首先,与微波通信相比,激光通信的成本较高,在对信息质量没有严格要求的场景中,人们一般会选择微波通信。此外,激光在大气传输的过程中,会被雪雾和雨水大大衰减,这将严重地影响通信的质量。在天气晴朗时,空气中没有障碍物会干扰发射站和接收站之间的光束。因此,只有在晴朗的天气条件下,才能进行以大气为介质的激光通信[10]。

　　七、结语

　　激光是一种性能非常优良的光,它的亮度高、方向性好、单色性好。激光可以在真空和很多介质中长距离传播而几乎不损失能量,因此,在利用激光传递信息时,信号几乎不会衰减,激光通信是一种十分节能的通信方式。此外,激光的光束非常窄,激光通信的保密性非常好。各个国家的科学家应当积极交流激光研究经验,分享研究成果,更加深入地研究激光的产生原理和传播特点,不断发展激光通信技术,提高通信质量,降低通信成本。

　　参考文献

　　[1]张璞.无线激光通信捕获对准与调焦系统设计[D].西安理工大学,2020.
　　[2] 李梅.光束波前畸变的本征模式法校正实验研究[D].西安理工大学,2020.
　　[3] 刘静静.斜程能见度激光雷达机电系统设计及初步实验观测[D].西安理工大学,2020.
　　[4] 景永康.无线光通信远场光斑图像检测实验研究[D].西安理工大学,2020.
　　[5] 马壮.近距离LED光通信信道建模及光源布局研究[D].西安理工大学,2020.
　　[6]方文坛.高维光纤系统及其非线性研究[D].中国科学技术大学,2020.
　　[7]周伟娟,张礼学,嵇凌.“动中通”无线光通信研究进展综述[J].电脑与信息技术,2020,28(02):51-54.
　　[8]席琪.用于固态量子存储的掺铒光纤特性研究[D].电子科技大学,2020.
　　[9]董全睿,陈涛,高世杰,刘永凯,张玉良.星载激光通信技术研究进展[J].中国光学,2019,12(06):1260-1270.
　　[10]饶云江.光纤随机激光器及其应用研究进展[J].光子学报,2019,48(11):7-27.