第5章光纤传感器

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1、5.1 光纤的传光原理与特性光纤的传光原理与特性5.2 传输光的调制技术传输光的调制技术5.3 强度调制光纤传感器强度调制光纤传感器5.4 相位调制光纤传感器相位调制光纤传感器上一页下一页返 回上一页下一页返 回光导纤维简称光纤，它是用直径为微米级的石英级的石英光导纤维简称光纤，它是用直径为微米级的石英级的石英玻璃制成的。每根光纤由一个圆柱形的内芯和包层组成，玻璃制成的。每根光纤由一个圆柱形的内芯和包层组成，内芯的折射率略大于包层的折射率。内芯的折射率略大于包层的折射率。上一页下一页返 回多层介质结构：多层介质结构：1.纤芯：纤芯： 石英玻璃，直径石英玻璃，直径575um，材料以二氧化硅为主，

2、掺，材料以二氧化硅为主，掺杂微量元素杂微量元素2.包层：包层： 直径直径100200um，折射率略低于纤芯，折射率略低于纤芯3.涂敷层：涂敷层： 硅酮或丙烯酸盐，隔离杂光硅酮或丙烯酸盐，隔离杂光4.护套：护套： 尼龙或其他有机材料，提高机械强度，保护光纤尼龙或其他有机材料，提高机械强度，保护光纤上一页下一页返 回1.按折射率变化类型分类按折射率变化类型分类按纤芯到包层折射率变化：按纤芯到包层折射率变化：阶跃折射率光纤阶跃折射率光纤：纤芯与包层之间的折射率是突变的，纤芯：纤芯与包层之间的折射率是突变的，纤芯折射率保持不变。折射率保持不变。渐变折射率光纤渐变折射率光纤：在横截面中心处折射率最大，由

3、中心向外：在横截面中心处折射率最大，由中心向外折射率逐渐变小，到内芯边界处变为包层折射率。通常折射折射率逐渐变小，到内芯边界处变为包层折射率。通常折射率变化为抛物线形式，又称为梯度型。率变化为抛物线形式，又称为梯度型。上一页下一页返 回2.按传播模式种类来分按传播模式种类来分单模光纤单模光纤多模光纤多模光纤纤芯直径小纤芯直径小只能传送一种模式只能传送一种模式传输性能好传输性能好制造、连接、耦合困难制造、连接、耦合困难纤芯直径较大纤芯直径较大传播模式较多传播模式较多性能较差，带宽较窄性能较差，带宽较窄制造容易，耦合容易制造容易，耦合容易传播模式传播模式也叫也叫传输模式传输模式，即光沿着光纤传播的

4、途径和方式，即光沿着光纤传播的途径和方式。上一页下一页返 回3.按材料分类按材料分类高纯度石英玻璃纤维：高纯度石英玻璃纤维：光损耗比较小光损耗比较小多组分玻璃光纤：多组分玻璃光纤：用常规玻璃制成，损耗也很低用常规玻璃制成，损耗也很低塑料光纤：塑料光纤：用人工合成导光塑料制成，其损耗较用人工合成导光塑料制成，其损耗较大，但重量轻，成本低，柔软性好大，但重量轻，成本低，柔软性好上一页下一页返 回结论：结论：传导模：传导模：在纤芯中传输的光在纤芯中传输的光辐射模：辐射模：进入包层的光进入包层的光要求：要求：进入光纤中的光要能在纤芯中传输，进入光纤中的光要能在纤芯中传输， 而不而不要溢出纤芯。要溢出纤

5、芯。即：即：传导模尽可能大，辐射模尽可能小，从而获传导模尽可能大，辐射模尽可能小，从而获得最小的传输损耗。得最小的传输损耗。 利用石英玻璃等高透射率电介质材料制作的利用石英玻璃等高透射率电介质材料制作的光纤，是可见光至近红外光最理想光纤，是可见光至近红外光最理想 的传输媒体的传输媒体。 1. 光的折射与反射光的折射与反射 rinnsinsin21上一页下一页返 回 光由光密介质入射到光疏介质光由光密介质入射到光疏介质时发生时发生折射折射，如图，如图(a)，其折射角大，其折射角大于入射角，即于入射角，即n1n2时，时， ri。n1、n2、r、i间的数学关系为：间的数学关系为： 根据光学原理我们知

6、道，光在空间是直线传播的。而在根据光学原理我们知道，光在空间是直线传播的。而在光纤中，光的传输却能限制在光纤之中，并随着光纤的弯曲光纤中，光的传输却能限制在光纤之中，并随着光纤的弯曲而走弯曲的路线，能够传递到很远的距离，如同导线中电流而走弯曲的路线，能够传递到很远的距离，如同导线中电流能在导线上传输一样的性能。能在导线上传输一样的性能。)/arcsin(120nni上一页下一页返 回 当当r=90时，时，i仍仍90，此时，此时，出射光线沿界面传播如图（，出射光线沿界面传播如图（b），），称为称为临界状态临界状态。临界角临界角i0为：为：光的全反射现象是研究光纤传光原理的基础。光的全反射现象是研

7、究光纤传光原理的基础。上一页下一页返 回当当ii0并继续增大时，并继续增大时，r90，这时便发生，这时便发生全反射全反射现象，如现象，如图图 (c) ，其出射光不再折射，其出射光不再折射而全部反射回来。而全部反射回来。上一页下一页返 回能在光纤中传输的光线满足全反射条件的光线，能在光纤中传输的光线满足全反射条件的光线，大于其临界大于其临界入射角入射角m时，进入纤芯的光就可以全反射的方式沿纤芯的釉时，进入纤芯的光就可以全反射的方式沿纤芯的釉向传的。向传的。ii c c ，为确保，为确保 m，必须，必须i i imim。这种以全反射方式在纤芯中传输的光线主要有子午光线和斜这种以全反射方式在纤芯中传

8、输的光线主要有子午光线和斜光线，子午光线是指与纤芯轴线相交的反射线，包含子午光光线，子午光线是指与纤芯轴线相交的反射线，包含子午光线的平面叫子午面，圆柱体光纤中包含纤芯轴线的平线的平面叫子午面，圆柱体光纤中包含纤芯轴线的平 面都是面都是子午面。子午面。 上一页下一页返 回在阶跃光纤中传输的光线，能满足全反射条件的除了子午光线之外，还在阶跃光纤中传输的光线，能满足全反射条件的除了子午光线之外，还有一有一 种种斜光线斜光线。斜光线在纤芯中传的时并不保持在同一平面内，且不与。斜光线在纤芯中传的时并不保持在同一平面内，且不与纤芯轴线相纤芯轴线相 交。光线由交。光线由x点入射至纤芯后，在纤芯内是以同折射

9、角的斜点入射至纤芯后，在纤芯内是以同折射角的斜线线XYYZ传输的，斜光线传输的，斜光线XYZ在纤芯横截面上的投影折线在纤芯横截面上的投影折线 XMN组成组成一个内接正多边形。斜光线传输到界面处都要产生全反射，每次一个内接正多边形。斜光线传输到界面处都要产生全反射，每次 反射后反射后形成的轴向角相等，相应地投影折线角形成的轴向角相等，相应地投影折线角保持不变。保持不变。 上一页下一页返 回 梯度光纤中满足全反射的光线也有子午光线和斜光线。所梯度光纤中满足全反射的光线也有子午光线和斜光线。所有满足全反射的子午光线，都按相同空间周期的正弦曲线传输。有满足全反射的子午光线，都按相同空间周期的正弦曲线传

10、输。不同入射角不同入射角i i的光线，其正弦曲线的振幅的光线，其正弦曲线的振幅Rm不同；但各种入不同；但各种入射角的子午光线都能定期地自动会聚到一点，因而梯度光纤又射角的子午光线都能定期地自动会聚到一点，因而梯度光纤又称之为自聚焦光纤。称之为自聚焦光纤。Rm随随i i减小，在纤芯轴线处入射且入射减小，在纤芯轴线处入射且入射角为角为0的光线将沿纤芯轴线传输，其振幅为的光线将沿纤芯轴线传输，其振幅为0。 反映纤芯接收光量的多少，标志光纤接收性能。反映纤芯接收光量的多少，标志光纤接收性能。意义：意义：无论光源发射功率有多大，只有无论光源发射功率有多大，只有2i张角之内的光功张角之内的光功率能被光纤接

11、受传播。率能被光纤接受传播。 如入射角过大，如入射角过大， 光线便从包层逸出而产生漏光。光纤光线便从包层逸出而产生漏光。光纤的的NA越大，表明它的集光能力越强，一般希望有大的数值越大，表明它的集光能力越强，一般希望有大的数值孔径，这有利于提高耦合效率；孔径，这有利于提高耦合效率； 但数值孔径过大，会造成但数值孔径过大，会造成光信号畸变。所以要适当选择数值孔径的数值，如石英光光信号畸变。所以要适当选择数值孔径的数值，如石英光纤数值孔径一般为纤数值孔径一般为0.20.4。 2221sinnnNAi上一页下一页返 回数值孔径（数值孔径（NA）定义为）定义为 上一页下一页返 回为损耗率，表示光由光纤的