【Photonics】COTDR Intro.Ⅰ - Optics Knowledge 光的特性、雷利散射、光損耗

在了解COTDR原理前，所需具備的光學知識: 光的特性、光與物質交互作用、雷利散射的現象及原理、光在光纖中損耗的機制及原因

Outline 大綱

光的特性

• 公式1：光速 = 波長×頻率
• 波長與頻率成反比
  
  
• 公式2：光子能量=ℎ×頻率 =ℎ÷波長
• 由下圖可知，大家最怕的無線電波的能量反而小

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光與物質交互作用

• 穿透

• 反射
• ex：Fresnel Reflection

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• 散射
• ex：Rayleigh scattering

• 吸收
• ex：蘋果為什麼是紅的，光線與蘋果中的分子交互作用後，吸收了大部分的光線，只將紅光反射出來。
• 如果光線中沒有紅光(例如海底)，蘋果就會是黑色

Rayleigh scattering

概述
0:55~2:15處

• 可見光波長不同

 

• 吸收
• 幾乎所有光線(各種波長)都被大氣分子吸收了
• Window：表高穿透，吸收少的範圍

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• 散射

• 短波長的藍光 → 天空的顏色

• 長波長的紅光 → 傍晚天空的顏色

• 公式3：雷利散射
  
  

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• Q1：那為何天空不是紫色的?
• 紫光本來就比較少
• 那為什麼海是藍色的? 
• 水吸收了紅光，只反射藍光
• 反射天空的顏色
  
  
  
  
• 眼睛對紫光不敏感
  
  
  
  
  
• Q2：月球的天空是什麼顏色呢?

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微觀說明

• 當粒子尺度比波長小得多
• 微小顆粒（例如單個原子或分子）對入射光束的散射

http://www.invocom.et.put.poznan.pl/~invocom/C/P1-9/swiatlowody_en/p1-1_2_2.htm

• 彈性散射：與入射的光子頻率與波長是相同的

https://kknews.cc/zh-tw/science/5x6epy3.html

Fiber loss mechanisms

• 公式3：雷利散射
  
• 由下圖可以發現，波長短的，雷利散射Intensity越強，即光損耗越大

https://www.thefoa.org/tech/ref/testing/OTDR/OTDR.html 

• 如上右圖，Infrared Absorption (光源)
• 850、1300、1310、1550、1625 nm
• 吸收：不同材質的fiber，吸收最少的相對應光波長不同

http://www.invocom.et.put.poznan.pl/~invocom/C/P1-9/swiatlowody_en/p1-1_2_2.htm

• 常用的Single Mode Fiber – G.657 A.1，即屬於SiO₂的一種

https://www.findlight.net/fiber-optics/optical-fibers/single-mode-fibers/standard-singlemode-fiber-itu-t-g657-a1

• Macroscopic and microscopic bends

https://youtu.be/N_kA8EpCUQo

• 散射：除了第一點提到的雷利散射外，還有其他散射
• 彈性散射：與入射的光子頻率與波長是相同的
• 雷利散射
• Stimulated nonlinear scattering
• 拉曼散射、布里淵散射

能階圖展表示出不同的能階相對應的拉曼訊號線的粗細大至成比例約略描述訊號的大小

https://en.wikipedia.org/wiki/Raman_spectroscopy

• 各種Fiber loss mechanisms整理
• 散射 (雷利、拉曼、布里淵散射)
• 吸收
• 彎曲
• 其他

Reference 參考資料

• https://www.youtube.com/watch?v=0b1fqodmZJ0
• http://www.invocom.et.put.poznan.pl/~invocom/C/P1-9/swiatlowody_en/p1-1_2_2.htm
• http://tea.japs.tp.edu.tw/~japsteagif/old/guaidis/10210-No34/Goods/25%E5%B1%86_%E9%99%B3%E8%8A%8A%E7%9D%BF_%E9%AB%98%E6%84%9B%E8%BF%AA%E6%96%AF%E8%87%AA%E7%84%B6%E5%84%AA%E8%89%AF%E5%8D%B7.pdf

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