第8章 光纤传感器

（4）按用途分 ① 通信光纤 特殊光纤。包括低双折射光纤、高双折射光纤、涂层光纤、 ② 特殊光纤。包括低双折射光纤、高双折射光纤、涂层光纤、 液芯光纤、激光光纤和红外光纤等。 液芯光纤、激光光纤和红外光纤等。 （5）按制作方法分 化学气相沉积法（CVD）。用来制作高纯度石英玻璃光纤。 ）。用来制作高纯度石英玻璃光纤 ① 化学气相沉积法（CVD）。用来制作高纯度石英玻璃光纤。 双坩埚法或三坩埚法。用来制作多组分玻璃光纤。 ② 双坩埚法或三坩埚法。用来制作多组分玻璃光纤。
n1 sin θ 1 = n2 sin θ 2
（8-2） ）
光线将不再折射入介质2，而在介质(纤芯 纤芯)内产生 当θ1＞θc时，光线将不再折射入介质 ，而在介质 纤芯 内产生 连续向前的全反射，直至由终端面射出。 连续向前的全反射，直至由终端面射出。这就是光纤传光的工作基 础。
同理，可导出光线由折射率为 的外界介质(空气 空气n 同理，可导出光线由折射率为n0的外界介质 空气 0 =1)射入纤 射入纤 芯时实现全反射的临界角(始端最大入射角 为 芯时实现全反射的临界角 始端最大入射角)为 始端最大入射角
作为确定光纤传输模式的参数， 实际中常用归一化频率ν作为确定光纤传输模式的参数， ν 由下式表达： 由下式表达：
2π a 2π a
ν=
λ0
NA=
λ0
(n12 − n22 )1/ 2
其中， 为纤芯半径 为纤芯半径。 其中，a为纤芯半径。当ν<2.405时，光纤中只有一种模式传播，此 时 光纤中只有一种模式传播， 时光纤叫单模光纤； ν>2.405时 光纤中允许多种模式传播， 时光纤叫单模光纤；当ν>2.405时，光纤中允许多种模式传播，此时 单模光纤 光纤叫多模光纤。 光纤叫多模光纤。 多模光纤 可见，光纤纤芯与包层的折射率相差越大，或光纤半径越大， 可见，光纤纤芯与包层的折射率相差越大，或光纤半径越大， 允许存在的模式越多。 允许存在的模式越多。
Pi 10 α = lg L Po
Pi —入射端，Po—出射端的光功率分别为和， L—光纤长度（km） 入射端， 出射端的光功率分别为和， 光纤长度（ ） 入射端 出射端的光功率分别为和 光纤长度
早期的光纤损耗很大。知道 年代， 早期的光纤损耗很大。知道1970年代，在降低光纤损耗方面才 年代 取得突破，制成了损耗为20dB/km的石英光纤。20世纪 年代后期， 的石英光纤。 世纪 年代后期， 世纪70年代后期 取得突破，制成了损耗为 的石英光纤 在长波区域损耗已降低至0.2dB/km，该值已接近光纤损耗的理论极 在长波区域损耗已降低至 ， 限。 光纤损耗的主要因素： 光纤损耗的主要因素： 主要有吸收损耗、散射损耗以及弯曲损耗三种。 主要有吸收损耗、散射损耗以及弯曲损耗三种。 吸收损耗 以及弯曲损耗三种 吸收损耗与光纤材料有关， 吸收损耗与光纤材料有关，散射损耗则与光纤材料及光纤中的 结构缺陷有关， 结构缺陷有关，而弯曲损耗是由光纤几何形状的微观和宏观扰动引 起的。 起的。
光在光纤两介质界面上的折射和反射
依据光折射和反射的斯涅尔(Snell)定律， 定律， 依据光折射和反射的斯涅尔 定律 （8-1） ） 当θ1↑， θ2亦↑。对应于 2=90°时的入射角 1称为临界角 c；由 ， 。对应于θ °时的入射角θ 称为临界角θ 式(8-1)则有 则有
n2 sin θ c = n1
光纤的一般结构
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究光纤传光原理的基础。 根据几何光学原理，当光线以较小的入射角 由光密介质1射 根据几何光学原理，当光线以较小的入射角θ1由光密介质 射 向光疏介质2(即 向光疏介质 即n1＞n2)时，则一部分入射光将以折射角 2折射入介 时 则一部分入射光将以折射角θ 质2，其余部分仍以 1反射回介质 。 ，其余部分仍以θ 反射回介质1。

一.光纤及光的传输
1. 光纤结构及光纤波导原理
光纤是光导纤维的简称，是用光透射率高的电介质（如石英、 光纤是光导纤维的简称，是用光透射率高的电介质（如石英、 光导纤维的简称 玻璃、塑料等）构成的光通路，它是一种介质圆柱光波导 介质圆柱光波导。 玻璃、塑料等）构成的光通路，它是一种介质圆柱光波导。 所谓光波导，是指将以光的形式出现的电磁波能量利用全反射 所谓光波导，是指将以光的形式出现的电磁波能量利用全反射 光波导 的原理约束，并引导光波在光纤内部或表面附近沿轴线方向传播。 的原理约束，并引导光波在光纤内部或表面附近沿轴线方向传播。

（2）色散 ）
所谓光纤的色散，是指输入脉冲在光纤传输过程中， 所谓光纤的色散，是指输入脉冲在光纤传输过程中，由于不 同模式光波的群速度不同而出现的光脉冲展宽现象。 同模式光波的群速度不同而出现的光脉冲展宽现象。由于光纤色 散使传输的信号脉冲发生畸变，因此， 散使传输的信号脉冲发生畸变，因此，光纤色散对光纤传输有着 非常不利的影响，限制了光纤的传输带宽和传输距离。 非常不利的影响，限制了光纤的传输带宽和传输距离。 光纤色散可分为材料色散（折射率色散），波导色散（ 光纤色散可分为材料色散（折射率色散），波导色散（结构 材料色散 ），波导色散 色散）以及多模色散三种。 色散）以及多模色散三种。 多模色散三种 多模色散是阶跃型多模光纤中脉冲展宽的主要根源， 多模色散是阶跃型多模光纤中脉冲展宽的主要根源，在梯度型 光纤中多模色散大为减少， 光纤中多模色散大为减少，因为不同模式的传播时间几乎彼此相 等。在单模光纤中起主要作用的是材料色散和波导色散。 在单模光纤中起主要作用的是材料色散和波导色散。
② 多模光纤 多模光纤能传输多种模式，甚至几百到几千个模式。 多模光纤能传输多种模式，甚至几百到几千个模式。纤芯直径 远远大于波长。多模光纤由于存在模式色散 因此传输距离短 存在模式色散， 传输距离短， 远远大于波长。多模光纤由于存在模式色散，因此传输距离短，信 息容量小；用于传感器时则存在不能利用光的相位等限制。 息容量小；用于传感器时则存在不能利用光的相位等限制。但因为 纤芯直径大至100um左右，所以光纤相互之间的耦合以及光源之间 左右， 纤芯直径大至 左右 的耦合比较容易，使用方便。 的耦合比较容易，使用方便。 （3）按光纤折射率径向分布 ① 阶跃光纤 ② 梯度光纤 单模光纤多半是阶跃光纤，多模光纤既有阶跃也有梯度光纤。 单模光纤多半是阶跃光纤，多模光纤既有阶跃也有梯度光纤。
光纤一般由两层光学性质不同的材料组成，如图所示。 光纤一般由两层光学性质不同的材料组成，如图所示。它由折 射率n1较大(光密介质 的纤芯，和折射率n2较小(光疏介质 的包层构 射率 较大 光密介质)的纤芯， 折射率 较小 光疏介质)的包层构 光密介质 的纤芯 光疏介质 成的双层同心圆柱结构。 成的双层同心圆柱结构。 双层同心圆柱结构
2 n12 − n2 n1 − n2 ∆= ≈ (当n1 ≈ n2时) 2 2n 2n1 n1
光在梯度型光纤的传输
从电磁理论的观点来讲，光导纤维实质上是一种介质波导。 从电磁理论的观点来讲，光导纤维实质上是一种介质波导。因 此，光波在光纤中的传输特性应该用电磁波导理论来处理。 光波在光纤中的传输特性应该用电磁波导理论来处理。 平板波导理论表明， 平板波导理论表明，光纤波导中的麦克斯韦方程有许多独立的 特解，每一特解代表能独立存在于光波导中的一种电磁场分布， 特解，每一特解代表能独立存在于光波导中的一种电磁场分布，称 之为一种模式（ ），光波导中的总的电磁场分布可 之为一种模式（mode，简称模），光波导中的总的电磁场分布可 模式 ，简称模）， 由这些可能存在的模式线性叠加来表示。 由这些可能存在的模式线性叠加来表示。
2. 光纤的种类
（1）按制作材料分 高纯度石英光纤。其特点是损耗低。 ① 高纯度石英光纤。其特点是损耗低。 多组分玻璃光纤。通常用更常规的玻璃制成，损耗也较低。 ② 多组分玻璃光纤。通常用更常规的玻璃制成，损耗也较低。 塑料光纤。与石英光纤相比具有质量轻，成本低，柔软性好， ③ 塑料光纤。与石英光纤相比具有质量轻，成本低，柔软性好， 加工方便等优点。但损耗较大。 加工方便等优点。但损耗较大。 （2）按传输模式分 ① 单模光纤 只能传输一种模式。纤芯直径仅为数微米，接近波长。 只能传输一种模式。纤芯直径仅为数微米，接近波长。单模光 纤的优点是没有模式色散 传输距离远；同时信息容量极大。 模式色散， 纤的优点是没有模式色散，传输距离远；同时信息容量极大。缺点 是纤芯太细，加工和使用不便。 是纤芯太细，加工和使用不便。
光纤的折射率断面 (a)阶跃型；(b)梯度型 (a)阶跃型；(b)梯度型 阶跃型
由光纤波导理论可以证明：光线传播的轨迹近似于正弦波， 由光纤波导理论可以证明：光线传播的轨迹近似于正弦波，即 梯度型光纤对光有聚焦作用，因此梯度型光纤称为自聚焦光纤。 梯度型光纤对光有聚焦作用，因此梯度型光纤称为自聚焦光纤。 自聚焦光纤 进一步计算表明不同入射角度光线在平方梯度型光纤的时延差 进一步计算表明不同入射角度光线在平方梯度型光纤的时延差 只有阶跃型的∆/2， 只有阶跃型的 ，其中
1 2 sin ϕ max = n12 − n2 = NA n0 式中NA定义为数值孔径，它是衡量光纤集光性能的主要参数。 定义为数值孔径 式中 定义为数值孔径，它是衡量光纤集光性能的主要参数。
它表示：无论光源发射功率多大，只有 张角内的光， 它表示：无论光源发射功率多大，只有2φmax张角内的光，才能被 光纤接收和传播(全反射 ； 愈大 光纤的集光能力愈强。 愈大， 光纤接收和传播 全反射)；NA愈大，光纤的集光能力愈强。 全反射 产品光纤通常不给出折射率，而只给出 。 产品光纤通常不给出折射率，而只给出NA。石英光纤的 NA=0.2～0.4。 ～ 。
第8章 光纤传感器 章
8.1 光纤传感器基础 8.2 光纤的光波调制技术 8.3 光纤传感器的应用及实例

8.1 光纤传感器基础
光纤传感器技术是20世纪 年代发展起来的一门新技术 光纤传感器技术是 世纪70年代发展起来的一门新技术，是传 世纪 年代发展起来的一门新技术， 感器技术的新成就。 感器技术的新成就。光纤传感器技术是随着光导纤维实用化和光通 信技术的发展而形成的。 信技术的发展而形成的。 光纤是20世纪后半叶的重要发明之一，它与激光器、 光纤是 世纪后半叶的重要发明之一，它与激光器、半导体光 世纪后半叶的重要发明之一 电检测器一起构成了新的光学技术领域，即光电子学领域。 电检测器一起构成了新的光学技术领域，即光电子学领域。 光纤的最初研究目的是用于通信。 光纤的最初研究目的是用于通信。不过由于光纤具有很多新的 特性，因此在其他领域也发展了许多新的应用， 特性，因此在其他领域也发展了许多新的应用，其中之一就是构成 光优点， 光纤有很多的优点，用它制成的光纤传感器与常规传感器相比 也有很多特点：抗电磁干扰能力强、 耐腐蚀、可挠曲、 也有很多特点：抗电磁干扰能力强、高灵敏度 、耐腐蚀、可挠曲、 体积小、结构简单、可远程测量等。 体积小、结构简单、可远程测量等。 光纤传感器可应用于位移、振动、转动、压力、弯曲、应变、 光纤传感器可应用于位移、振动、转动、压力、弯曲、应变、 速度、加速度、电流、磁场、电压、湿度、温度、声场、流量、 速度、加速度、电流、磁场、电压、湿度、温度、声场、流量、浓 值等70多个物理量的测量 度、pH值等 多个物理量的测量，且具有十分广泛的应用潜力和 值等 多个物理量的测量， 发展前景。 发展前景。
按纤芯横截面上材料折射率分布的不同， 按纤芯横截面上材料折射率分布的不同，光纤又可分为跃型和 梯度型二种，如图所示： 梯度型二种，如图所示： 阶跃型光纤纤芯的折射率不随半径而变， 阶跃型光纤纤芯的折射率不随半径而变，但在纤芯与包层界面 处折射率有突变。 处折射率有突变。梯度型光纤纤芯的折射率沿径向由中心向外呈抛 物线由大渐小，至界面处与包层折射率一致。 物线由大渐小，至界面处与包层折射率一致。
3. 光纤的信号传输特性 信号通过光纤时的损耗和色散是光纤的主要特性。 信号通过光纤时的损耗和色散是光纤的主要特性。 损耗和色散是光纤的主要特性 （1）损耗 光波在光纤中传播时，由于光纤材料对光波的吸收和散射、 光波在光纤中传播时，由于光纤材料对光波的吸收和散射、光 纤结构的缺陷和弯曲以及光纤间的耦合不完善等原因， 纤结构的缺陷和弯曲以及光纤间的耦合不完善等原因，入射光功率 随传输距离按指数衰减。 随传输距离按指数衰减。 dB/km） 光纤的损耗α（dB/km）可以表示为