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 杨金城 （127389226@163.com） 2007.06
本文发表在《通信世界》2001年6月18日第16期 31页上
[摘要] 多普勒效应，在遥测，雷达，通讯等等方面都获得广泛地应用。但是，多普勒效应的本质是什么，却没有人作出过正确地回答。在宇宙中哈勃发现了天体的红移和兰移，这本来是相对论时空伸缩的结果，有的人却误用多普勒效应来解释。现在科学技术虽然比较发达，可是，人们不知道东西还很多很多。科学研究，不要以为大专家不懂、不知道的，地球上就一定不会有人懂其中的理道。
关键词：多普勒效应，相对论时空伸缩，宽带原理，全兴通信，
一
多普勒效应的本质
1942年，多普勒发现，光源与接收器发生相对运动时，会导致光谱线的位移，这就是人们常称的多普勒效应。100多年过走了，多普勒效应已经获得广泛的应用，但是多普勒效应的本质是什么，却无人作出过正确而全面的回答。
[图一]中，两个物理参考系Σ和 ，相对于Σ速度u运动，接收器放在的P点。在Σ中用λ、Τ、ν、t 分别表示波长、周期、频率、时间。在中分别用 τ波长、周期、频率、时间。
在τ = t = 0时，与Σ以合。当以速度u开始向右运动的同时， 处在中的光源发出一光波，光的传播方向与的运动方向相同。 根据相对论原理有时空关系(1)
 ---------（1）
（1）式中 ，
当光的传播方向与的运动方向相反时，相对论原理给出时空关系( 2 )
 ---------（2）
（1）式和（2）式表明，相对论效应会导致时空的伸缩，从而使在介质中传播的光波的波长会拉长或压缩，这就是多普勒效应的本质[ 1 ]。
二 多普勒效应的宽带原理
物质总是处在相对运动的状态之中，即使是宏观静止的物体，在微观领域内的原子、分子总是在运动着，气体分子的运动尤其显著。激光是原子中电子的跃迁产生的辐射，而产生激光的原子的运动方向，总是存在空间各个方向的。所以，在选定方向上接收到的光的波长，会因原子的运动方向不同，而产生相对论时空伸缩各异，使同种光波具有不同波长到达接收器，这就是多普勒效应的宽带原理。
根据量子跃迁的能量关系
 ----------（3）
考虑到路迁损耗时，（3）式修正为
 -----------（4）
h为普朗克常数， 对应量子跃迁时的衰减系数。
任何物质中的原子（分子、离子）的微观运动都是无规则的，但服从麦克斯韦速度分布规律，遵守统计物理学原理。在选定方向上光传播中发生的多普勒效应，对于这个选定方向而言，原子分子运动的速度大小和方向都是不一样的，所以量子跃迁辐射出来的光的频率也就不一样，形成一定的频带，这就是所谓的多普勒加宽。如[图二]所示。
多普勒效应加宽了激光的频带，而且是非均匀地加宽。当光通道中传输非相干光时，根据光的独立传播特性，可以各行其道，互不干扰，进行多路信息传送，这是光纤通信研究和发展方向[ 2 ]。
三 多模传输理论
光纤通信，在远距离的信息传送中，现在采用的是单模信息传输。高速宽带网络迫切需要远距离传送多个信息。能不能在原有的光缆中进行多模信息传送呢？这是一个极有价值的研究课题。
激光振荡器，可以在一个或者多个频率上产生振荡，取决于与纵模间隔相关的增益曲线宽度，[图三]所示，给出了增益与频率的关系。由图可见，在多普勒加宽的谱线的1/2极大值范围内，有四个纵模振荡。假设我们在光缆中远距离传输这四个纵模，每个模各自带上自已的信息，这就实现多模传输。由此会引起频差损耗，可以用掺杂效应来加以弥补。
四 烧孔现象的产生及处理方法
多普勒效应导致非均匀加宽，在增益——频率曲线上出现了，因损耗使包络在一些振荡上产生下陷的现象，称为“烧孔”。一台激光器，实质上就一个光腔振荡器。光腔振荡器从减小损耗和模的稳定性考虑，以圆锥曲面镜谐振腔为好[ 3 ][ 4 ]。
激光的产生，源于原子中实现粒子数反转——高能带上存在的电子多于较低能带上存在的电子。原子为了获得能量最低状态，就要自然选择地向低能带跃迁，释放出能量——产生激光，力求原子的稳定平衡。为了保持激光地持续产生，就需要外界不断地供给能量——泵浦源，维持粒子数反转。也就是说，如果
 ---------（5）
高能带上的电子向低能带上跃迁，与此同时辐射出光量子——激光
 ---------（6）
当粒子数 减小时，谐振腔中的介质将发生倒空现象，导致增益下降，产生所误用的“烧孔”，烧孔现象以称拉姆效应。孔的宽度由下式决定
 ----------（7）
纵模间隔为  ----------（8）
d为激光腔的长度， 为谐振曲线在1/2高度处的最大宽度，I为辐射强度， 为饱和强度。
在多模传输的的激光腔中，为了提高输出功率，要使烧孔相互搭接，也就是（7）式和（8）式相等。即
 ---------（9）
若设 赫，激光谐振腔的长度d为
 （米）----------（10）
烧孔现象虽然使用权增益有所下降，但实现相互搭接后，提高了输出的稳定性，可以用此来起稳模作用。
五 锁模激光器
如果在一个激光器中，胡多个不同的光波振荡，而且位相 也不相同，这些波不会产生相干。假设在这些模中，在微扰的作用下，有几个波变为完全相同，它们相互作用的结果，将导致相位 相同，即
 ---------（11）
满足（11）式的激光器，称为锁模激光器。锁模激光器，可以输出短时间的强大峰值功率，其值可高达 瓦以上，有重要的应用价值。气体激光器，具有最显著的多普勒效应，做锁模激光器很合适。
多普勒效应在光通信中的应用，是有广阔发展前途的。在宽带网和全光通信的时代，人们应当深入研究和开发多模远距离光纤通信的理论。
参 考 文
献
1 尤金。赫克特
《光学》 北京师范大学出版社
1983 93—95
2 杨金城
球面镜成像的研究
《水城教育通讯》 1986
28—10
3 杨金城 球面镜成像的另一种作图方法 《物理通报》 1988
9 37—38
4 杨金城 曲面镜成像原理及其正确的作图方法 《四川师范大学学报》 自然科学版 1996 51—54
5 杨金城
光通信器件的设计基础 《网络电信》 2001年 1—2 52—54
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