光纤传感技术PPT讲稿
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《光纤传感器》PPT课件
用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的 光或被其反射、散射的光。
光纤激光多普勒速度计 辐射式光纤温度传感器
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第十七页，共3下3页一。 页
强度调制与解调
利用被测对象引起载波光强度变化，从而实现对被测对 象进行检测的方式。光强度变化可以直接用光电探测 器进行检测， 结构简单、容易实现、成本低。 易受光源波动和连接器损耗变化等的影响
第三十三页，共33页。
传输光纤 出射光纤
标志孔
电路板标志检测
当光纤发出 的光穿过标志孔时， 若无反射，说明电 路板方向放置正确。
第三十页，共33页。
光纤式光电开关应用
遮断型光纤 光电开关
第三十一页，共33页。
光纤式光电开关应用
第三十二页，共33页。
采用遮断 型光纤光电
开关对IC 芯 片引脚进行 检测
内容总结
光纤传感器。r为光纤半径，λ为光波波长。光纤传感器一般可分为两大类：功能型FF和非功 能型NF。功能型FF:利用光纤本身的特性，把光纤作为敏感元件。优点：无需特殊光纤及其他特 殊技术，。利用被测对象引起载波光强度变化，从而实现对被测对象进行检测的方式。便于与 计算机和光纤传输系统相连 ，易于实现系统的遥测和控制。阶跃型：光纤纤芯的折射率分布各 点均匀一致，称为多模光纤。与光纤耦合的电光与光电转换器件
光纤传感器
一、 光纤传感器基础
二、 光调制与解调技术
三、 光纤传感器实例
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第一页，共33下页。一页
第二页，共33页。
第三页，共33页。
一、 光纤传感器基础
9.1.1 光纤波导原理
光纤波导简称光纤，是用透光率高的电介质(石英、玻 璃、塑料等)构成的光通路。
光纤激光多普勒速度计 辐射式光纤温度传感器
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强度调制与解调
利用被测对象引起载波光强度变化，从而实现对被测对 象进行检测的方式。光强度变化可以直接用光电探测 器进行检测， 结构简单、容易实现、成本低。 易受光源波动和连接器损耗变化等的影响
第三十三页，共33页。
传输光纤 出射光纤
标志孔
电路板标志检测
当光纤发出 的光穿过标志孔时， 若无反射，说明电 路板方向放置正确。
第三十页，共33页。
光纤式光电开关应用
遮断型光纤 光电开关
第三十一页，共33页。
光纤式光电开关应用
第三十二页，共33页。
采用遮断 型光纤光电
开关对IC 芯 片引脚进行 检测
内容总结
光纤传感器。r为光纤半径，λ为光波波长。光纤传感器一般可分为两大类：功能型FF和非功 能型NF。功能型FF:利用光纤本身的特性，把光纤作为敏感元件。优点：无需特殊光纤及其他特 殊技术，。利用被测对象引起载波光强度变化，从而实现对被测对象进行检测的方式。便于与 计算机和光纤传输系统相连 ，易于实现系统的遥测和控制。阶跃型：光纤纤芯的折射率分布各 点均匀一致，称为多模光纤。与光纤耦合的电光与光电转换器件
光纤传感器
一、 光纤传感器基础
二、 光调制与解调技术
三、 光纤传感器实例
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第三页，共33页。
一、 光纤传感器基础
9.1.1 光纤波导原理
光纤波导简称光纤，是用透光率高的电介质(石英、玻 璃、塑料等)构成的光通路。
《光纤传感器》PPT课件
光导纤维的主要参数
1. 数值孔径（NA）
2. 光纤模式
3. 传播损耗
返返 回回
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1. 数值孔径（NA）
2 NA sin i n12 n2
反映纤芯接收光量的多少，标志光纤接收性能。
意义：无论光源发射功率有多大，只有 2θi 张角 之内的光功率能被光纤接受传播。
差动式膜片反射型光纤压力传感器
1．输出光纤
2．输入光纤
3．输出光纤
4．胶
5．膜片
I 2 1 Ap A―常数； 两束输出光的光强之比 I 1 1 Ap p―待测量压力
输出光强比I2/I1与膜片的反射率、光源强度等因素均无关
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将上式两边取对数，在满足(Ap)2≤1时，得到
传感器的固有频率可表示为
2.56t gE fr p 2 2 R 3 (1 )
式中, ρ――膜片材料的密度； g――重力加速度。 结构简单、体积小、使用方便， 光源不够稳定或长期使用后膜片的反射率有所下降，
其精度就要受到影响。
返
回
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The most commonly used type of fiberoptic sensor is an intensity sensor, where light intensity is modulated by an external stimulus
光纤传感器强度调制
非 干 涉 型
光纤传感器偏振调制
光纤传感器频率调制
注：MM——多模光纤；SM——单模光纤；PM——偏振保持光纤
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光纤传感器ppt讲解可修改文字
NA n12 n22
n n 1为纤芯折射率 ， 2 为包层折射率
arcsinNA是一个临界角，
θ> arcsinNA，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失；
θ< arcsinNA，光线才可以进入光纤被全反射传播。
数值孔径的意义是无论光源发射功率有多大，只有2 张角之内的光被
光纤接受传播。一般希望光纤有大的数值孔径，这样有利于耦合效率的提高。 但数值孔径越大，光信号将产生大的“模色散”，入射光能分布在多个模式 中，各模式速度不同，因此到达光纤远端的时间不同，信号将发生严重的畸
非功能型光纤传感器
传光型光纤传感器的 光纤只当作传播光的媒介， 待测对象的调制功能是由其它光电转换元件实现的， 光纤的状态是不连续的，光纤只起传光作用。
三 介绍几种光纤传感器
1，光纤压力传感器
Y形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器如 图。在Y形光纤束前端放置一感压膜片，当膜片 受压变形时，使光纤束与膜片间的距离发生变化， 从而使输出光强受到调制。
6 光纤传感器的类型
光纤传感器按其作用方式一般分为两种类型： 一 功能型光纤传感器， 二 非功能型光纤传感器。
功能型光纤传感器
这类传感器利用光纤本身对外界被测对象具有敏 感能力和检测功能，光纤不仅起到传光作用，而且 在被测对象作用下，如光强、相位、偏振态等光学 特性得到调制，调制后 的信号携带了被测信息。
（3）传输损耗
由于光纤纤芯材料的吸收、散射、光纤弯曲处的辐射损耗等 的影响，光信号在光纤中的传播不可避免地要有损耗，光纤的传输 损耗A可用下式表示
-10 lg I0
A=
I
L
式中 L ——光纤的长度 I0——光纤入射端的光强 I——光纤输出端的光强
n n 1为纤芯折射率 ， 2 为包层折射率
arcsinNA是一个临界角，
θ> arcsinNA，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失；
θ< arcsinNA，光线才可以进入光纤被全反射传播。
数值孔径的意义是无论光源发射功率有多大，只有2 张角之内的光被
光纤接受传播。一般希望光纤有大的数值孔径，这样有利于耦合效率的提高。 但数值孔径越大，光信号将产生大的“模色散”，入射光能分布在多个模式 中，各模式速度不同，因此到达光纤远端的时间不同，信号将发生严重的畸
非功能型光纤传感器
传光型光纤传感器的 光纤只当作传播光的媒介， 待测对象的调制功能是由其它光电转换元件实现的， 光纤的状态是不连续的，光纤只起传光作用。
三 介绍几种光纤传感器
1，光纤压力传感器
Y形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器如 图。在Y形光纤束前端放置一感压膜片，当膜片 受压变形时，使光纤束与膜片间的距离发生变化， 从而使输出光强受到调制。
6 光纤传感器的类型
光纤传感器按其作用方式一般分为两种类型： 一 功能型光纤传感器， 二 非功能型光纤传感器。
功能型光纤传感器
这类传感器利用光纤本身对外界被测对象具有敏 感能力和检测功能，光纤不仅起到传光作用，而且 在被测对象作用下，如光强、相位、偏振态等光学 特性得到调制，调制后 的信号携带了被测信息。
（3）传输损耗
由于光纤纤芯材料的吸收、散射、光纤弯曲处的辐射损耗等 的影响，光信号在光纤中的传播不可避免地要有损耗，光纤的传输 损耗A可用下式表示
-10 lg I0
A=
I
L
式中 L ——光纤的长度 I0——光纤入射端的光强 I——光纤输出端的光强
《分布式光纤传感器》课件
03Leabharlann 交通用于监测高速公路、 铁路和桥梁的结构健 康，确保交通安全。
04
环保
用于监测土壤、水和 空气的质量，以及污 染源的定位。
分布式光纤传感器的优势与局限性
优势 同时测量沿光纤分布的温度和应变等物理量； 高精度、高灵敏度和高分辨率；
分布式光纤传感器的优势与局限性
测量距离长，可实现连续监测； 耐腐蚀、抗电磁干扰和本征安全。
分布式光纤传感器的成本和稳定性问题也需要得到解决，以便更好地推广和应用。
分布式光纤传感器与其他传感器的集成和协同工作需要进一步研究，以提高监测系 统的整体性能和稳定性。
对未来研究和应用的建议
鼓励产学研合作，加强分布式 光纤传感器技术的研发和应用 研究，推动技术进步和产业发
展。
加强国际合作与交流，借鉴 国外先进技术和发展经验， 提高我国分布式光纤传感器
技术的国际竞争力。
鼓励企业加大投入，推动分布 式光纤传感器技术的商业化应 用，拓展应用领域和市场空间
。
THANKS
感谢观看
开发新型分布式光纤传感器技术
新材料
探索新型的光纤材料和光学器件，以 提高分布式光纤传感器的性能和功能 。
新原理
研究新的分布式光纤传感原理和技术 ，以拓展其应用领域和解决现有技术 的局限性。
05
结论
Chapter
分布式光纤传感器的重要性和应用前景
分布式光纤传感器在长距离、大范围监测中具 有明显优势，可广泛应用于石油、天然气、电 力等行业的安全监测和预警系统。
预警系统
利用分布式光纤传感器监测建筑物周围的环境变化，如地震、风力和 温度等，及时发出预警，预防潜在的自然灾害和人为破坏。
04
光纤传感原理及应用技术课件
2.2 四种常见的光纤干涉仪 （3）萨格纳克（Sagnac）光纤干涉仪
8 A 0c
1
2
光纤耦合器
光纤陀螺是近20年来发展起来的一门新技术，除了在航空航天技术中用于导 航、制导、定位外，也可用于石油钻井中跟踪钻头位置、机器人控制、汽车 以及在其他测量角度的系统中应用。与传统的机电陀螺相比，光纤陀螺具有 启动快、体积小、成本低等优光纤点传，感原因理此及应它用更技具术课有件竞争力。
B-两束光波在相遇点的光程差不能太大。
光纤传感原理及应用技术课件
光纤传感原理 与应用技术
2.2 四种常见的光纤干涉仪 （1）迈克尔逊(Michelson)光纤干涉仪
LD 分光镜
固定反射镜
可移动 反射镜
光探测器
LD 光探测器
固定反射镜 3dB
可动端S(t)
2k0L
光纤干涉仪与普通的光学干涉仪相比，优点在于： （1）容易准直； （2）可以通过增加光纤长度来增加光程，以提高干涉仪的灵敏度； （3）封闭式的光路，不受外界干扰； （4）测量的动态范围大。
Fiber
Fiber
图3 光纤传感器传感探头具体的结构形式 Fig.3 Diagram of the fiber-optic temperature sensor probe
图416 光吸收系数强度调制辐射量传感器
射线辐射会使光纤材料的吸收损耗 增加，使光纤的输出功率降低，从 而构成强度调制辐射量传感器光。纤传感原理及应用技术课件
光纤传感原理 与应用技术
2.2 四种常见的光纤干涉仪 （4）法布里珀罗（FabryPerot）光纤干涉仪
(c)
光纤传感原理及应用技术课件
光纤传感原理 与应用技术
3、偏振调制型光纤传感器技术
8 A 0c
1
2
光纤耦合器
光纤陀螺是近20年来发展起来的一门新技术，除了在航空航天技术中用于导 航、制导、定位外，也可用于石油钻井中跟踪钻头位置、机器人控制、汽车 以及在其他测量角度的系统中应用。与传统的机电陀螺相比，光纤陀螺具有 启动快、体积小、成本低等优光纤点传，感原因理此及应它用更技具术课有件竞争力。
B-两束光波在相遇点的光程差不能太大。
光纤传感原理及应用技术课件
光纤传感原理 与应用技术
2.2 四种常见的光纤干涉仪 （1）迈克尔逊(Michelson)光纤干涉仪
LD 分光镜
固定反射镜
可移动 反射镜
光探测器
LD 光探测器
固定反射镜 3dB
可动端S(t)
2k0L
光纤干涉仪与普通的光学干涉仪相比，优点在于： （1）容易准直； （2）可以通过增加光纤长度来增加光程，以提高干涉仪的灵敏度； （3）封闭式的光路，不受外界干扰； （4）测量的动态范围大。
Fiber
Fiber
图3 光纤传感器传感探头具体的结构形式 Fig.3 Diagram of the fiber-optic temperature sensor probe
图416 光吸收系数强度调制辐射量传感器
射线辐射会使光纤材料的吸收损耗 增加，使光纤的输出功率降低，从 而构成强度调制辐射量传感器光。纤传感原理及应用技术课件
光纤传感原理 与应用技术
2.2 四种常见的光纤干涉仪 （4）法布里珀罗（FabryPerot）光纤干涉仪
(c)
光纤传感原理及应用技术课件
光纤传感原理 与应用技术
3、偏振调制型光纤传感器技术
《光传感技术》ppt课件
3、法拉第电流传感器
法拉第电流传感器是利用光纤的磁光效应实现电流丈量的，按调制参 数分类，那么属于偏振调制型。 磁光效应，又称法拉第〔Faradag〕效应，是指某些物质在外磁场的作 用下，使经过它的线偏振光的偏振方向发生偏转。假设法拉第资料的 长度为l，沿长度方向施加的外磁场强度为H，那么线偏振光经过它后 偏振方向旋转的角度为
传感器光学现象被测量相位调制光线传感干涉磁致伸缩干涉电致伸缩sagnac效应光弹效应电流磁场电场电压角速度振动压力加速度位移温度强度调制光纤传感器遮光板遮断光路半导体透射率的变化荧光辐射黑体辐射光纤微弯损耗振动膜或液晶的反射气体分子吸收光纤漏泄模温度振动压力加速度位移气体浓度偏振调制光纤传感器法拉第效应泡兊尔斯效应双折射变化光弹效应电流磁场电场电压温度振动压力加速度位移频率调制光纤传感器多普勒效应受激喇曼散射速度流速振动加速度气体浓度温度52光传感技术分类根据光纤在传感器中的作用分为功能型非功能型和拾光型
1〕光纤光栅位移传感器 (1) 利用悬臂梁的位移传感器 最根本的、比较早出现的光纤光栅位移传感器，其构造图如下图。
❖ 左侧为被丈量的物体，该物体经过一个 突出物作用于竖直放立的悬臂梁，而光 纤Bragg光栅就是简单的直接粘贴在悬 臂梁上，这样就可以经过悬臂梁把被测 物体的位移转变为光纤光栅的应变了。
波长调制： 热色物质温度
颜色
波长调制
相位调制： 外界要素改动光纤中光的相位。 光纤中光的相位取决于 光纤波导的物理长度 折射率及其分布 波导横向尺寸
5.2 光传感技术分类
传感器
相位
干 调制 涉 光线 型 传感
器
强度调
非
制光纤 传感器
光学景象
干涉〔磁致伸缩〕、干涉〔电致伸 缩〕、Sagnac效应、光弹效应
光纤传感器ppt
外界参数温度 压力 振动等引起光纤长度的变化和相位的光 相位变化;从而产生不同数量的干涉条纹;对它的模向移动进 行计数;就可测量温度或压力等
第12章 光纤传感器
反射式光纤位移传感器
➢ 利用光纤实现无接触位移测量 光源经一束多 股光纤将光信号传送至端部;并照射到被测物体 上 另一束光纤接受反射的光信号;并通过光纤 传送到光敏元件上 被测物体与光纤间 距离变化;反射到 接受光纤上;光通 量发生变化 再通 过光电传感器检测 出距离的变化
温度压力光纤传感器
✓ 中心——纤芯；
✓ 外层——包层；
包层
✓ 护套——尼龙料
性质
✓ 光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质;
✓ 纤芯折射率N1略大于包层折射率N2N1＞N2
第12章 光纤传感器
1光纤的结构和传输原理 ②光纤的传光原理： 光纤的传播基于光的全反射 当光线以不同角 度入射到光纤端面时;在端面发生折射后进入光纤； 光线在光纤端面入射角θ减小到某一角度θc时;光线
第12章 光纤传感器
2光纤的性能几个重要参数 ③传播损耗A
➢ 光纤在传播时;由于材料的吸收 散射和弯曲 处的辐射损耗影响;不可避免的要有损耗
用衰减率A表示：
A10lg(I1/I2)(dB/Km) l
I1 I2：两接收光纤的光强 在一根衰减率为10dB/Km的光纤中;表示当光纤传输
1Km后;光强下降到入射时的1/10
干涉现象 微小弯曲损失
散射损失
双波长透射率 变化
反射角变化
石英系玻璃 旋转圆盘
石英系玻璃 石英系玻璃 薄膜+膜条 C45H78O2+VL2255N
振子
薄膜
生成着色中心
光纤束成像 多波长传输 非线性光学
第12章 光纤传感器
反射式光纤位移传感器
➢ 利用光纤实现无接触位移测量 光源经一束多 股光纤将光信号传送至端部;并照射到被测物体 上 另一束光纤接受反射的光信号;并通过光纤 传送到光敏元件上 被测物体与光纤间 距离变化;反射到 接受光纤上;光通 量发生变化 再通 过光电传感器检测 出距离的变化
温度压力光纤传感器
✓ 中心——纤芯；
✓ 外层——包层；
包层
✓ 护套——尼龙料
性质
✓ 光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质;
✓ 纤芯折射率N1略大于包层折射率N2N1＞N2
第12章 光纤传感器
1光纤的结构和传输原理 ②光纤的传光原理： 光纤的传播基于光的全反射 当光线以不同角 度入射到光纤端面时;在端面发生折射后进入光纤； 光线在光纤端面入射角θ减小到某一角度θc时;光线
第12章 光纤传感器
2光纤的性能几个重要参数 ③传播损耗A
➢ 光纤在传播时;由于材料的吸收 散射和弯曲 处的辐射损耗影响;不可避免的要有损耗
用衰减率A表示：
A10lg(I1/I2)(dB/Km) l
I1 I2：两接收光纤的光强 在一根衰减率为10dB/Km的光纤中;表示当光纤传输
1Km后;光强下降到入射时的1/10
干涉现象 微小弯曲损失
散射损失
双波长透射率 变化
反射角变化
石英系玻璃 旋转圆盘
石英系玻璃 石英系玻璃 薄膜+膜条 C45H78O2+VL2255N
振子
薄膜
生成着色中心
光纤束成像 多波长传输 非线性光学
第九章分布式光纤传感技术PPT课件
通过顺时针和逆时针传输的相位受干扰光 信号到达A点和B点的时延差可计算出产 6
生干扰的位置。 T(L2Z)/V
.
耦合器C2和C3构成M-Z干涉仪
在 计 算 机 中 对 PD1 和 PD2 接 收到的光信号进行互相关计 算，就可以获得干扰出现的 时延差，继而实现干扰定位
7
利用M-Z干涉仪进行分布式传感的系统结构图
由于在检测过程中需进行大量的信号加法平均、频率 的扫描等处理,因而实现一次完整的测量需较长的时间, 24 实时性不够好。
.
检测30km 光纤沿线的应变，
空间分辨力可达1m。 应变精度: 20 μe (0.002%) 温度精度 : 1°C
取样时间 : 20 s 至 5 min (典型值：2 min)
此方法上世纪80年代就已被提出，并商用化。
27
.
ROTDR——传感原理
光纤中自发拉曼散射的反斯托克斯光与温度紧密 相关。常温下(T=300K)其温敏系数为8‰/℃。 采用反斯托 克斯与斯托克斯比值的分布式光纤温度测量，其结果消除 了光源波动、光纤弯曲等因素的影响，只与沿光纤的温度 场有关，因此可长时间保证测温精度。
反斯托克斯拉曼散射对温度的敏感系数比斯托克斯 拉曼散射要大得多。因此通常都将反斯托克斯拉曼 散射用作信号通道，作为计算温度的主要依据。
30 km的FGC-30拉曼测温系统，其空间分辨率为3m 、温度分辨率为0.1℃、测温范围为0～+100℃
16
测温原理
.
斯托克斯光：波长大于入射光 反斯托克斯光：波长小于入射光
拉曼散射只受到环境温度的影响，而对应力变化 不敏感；
.
相对基于喇曼散射的传感系统来说，
基于布里渊散射的传感系统：
生干扰的位置。 T(L2Z)/V
.
耦合器C2和C3构成M-Z干涉仪
在 计 算 机 中 对 PD1 和 PD2 接 收到的光信号进行互相关计 算，就可以获得干扰出现的 时延差，继而实现干扰定位
7
利用M-Z干涉仪进行分布式传感的系统结构图
由于在检测过程中需进行大量的信号加法平均、频率 的扫描等处理,因而实现一次完整的测量需较长的时间, 24 实时性不够好。
.
检测30km 光纤沿线的应变，
空间分辨力可达1m。 应变精度: 20 μe (0.002%) 温度精度 : 1°C
取样时间 : 20 s 至 5 min (典型值：2 min)
此方法上世纪80年代就已被提出，并商用化。
27
.
ROTDR——传感原理
光纤中自发拉曼散射的反斯托克斯光与温度紧密 相关。常温下(T=300K)其温敏系数为8‰/℃。 采用反斯托 克斯与斯托克斯比值的分布式光纤温度测量，其结果消除 了光源波动、光纤弯曲等因素的影响，只与沿光纤的温度 场有关，因此可长时间保证测温精度。
反斯托克斯拉曼散射对温度的敏感系数比斯托克斯 拉曼散射要大得多。因此通常都将反斯托克斯拉曼 散射用作信号通道，作为计算温度的主要依据。
30 km的FGC-30拉曼测温系统，其空间分辨率为3m 、温度分辨率为0.1℃、测温范围为0～+100℃
16
测温原理
.
斯托克斯光：波长大于入射光 反斯托克斯光：波长小于入射光
拉曼散射只受到环境温度的影响，而对应力变化 不敏感；
.
相对基于喇曼散射的传感系统来说，
基于布里渊散射的传感系统：
《光纤传感器》课件
频率调制型
通过外界物理量的变化引起光 纤中光的频率变化，从而实现 对外部参数的测量。
相位调制型
通过外界物理量的变化引起光 纤中光的相位变化，从而实现
对外部参数的测量。
光纤传感器的应用领域
工业自动化
用于监测温度、压力、流量、液位等参数， 实现工业过程的自动化控制。
环境监测
用于监测环境中的温度、湿度、压力、气体 浓度等参数，实现环境监测和治理。
光纤传感器在高温、低温或温度变化环境下保持性能的能力。高温度适应性传感器能够在更宽的温度范围内正常 工作，适用于各种恶劣环境。
湿度适应性
光纤传感器在潮湿、干燥或湿度变化环境下保持性能的能力。高湿度适应性传感器能够在更宽的湿度范围内正常 工作，适用于各种环境湿度条件。
05
光纤传感器的发展趋势与挑战
新材料与新技术的应用
光纤传感器
目录
• 光纤传感器概述 • 光纤传感器的技术原理 • 光纤传感器的设计与制造 • 光纤传感器的性能指标 • 光纤传感器的发展趋势与挑战 • 光纤传感器案例分析
01
光纤传感器概述
定义与工作原理
定义
光纤传感器是一种利用光纤作为敏感元件的传感器，能够检测和测量物理量、 化学量和生物量等参数。
新材料
新型光纤材料如掺铒光纤、光子晶体光纤等，具有更高的非线性效应和增益特性，提高了光纤传感器 的性能。
新技术
量子点、纳米线等新型纳米材料的应用，提高了光纤传感器的灵敏度和分辨率。
集成化与小型化的发展趋势
集成化
将多个光纤传感器集成在同一根光纤上，实现多参数、多维度的测量，提高了测量效率 和精度。
小型化
光纤压力传感器的应用案例
总结词
光纤压力传感器在石油、化工、航空航天等 领域有重要应用。
光纤传感技术课件：光纤传感系统
9
光纤传感系统
我国光纤传感的进一步发展需要从光纤基础产业、 光电 基础产业和光纤传感技术全方位综合发展， 才有可能真正创 造我国的尖端传感技术。 目前， 国内至少有二十几家公司转 向研究光纤传感器的开发和生产， 其研究的种类繁多， 达到 了历史上的最好时期。 相信在未来的几年内， 光纤传感技术 的发展有望带动并形成一个与光纤和光电产品相关的产业群， 它必将带动我国在光纤制造、 光纤器件和光电器件的生产以 及相关仪器设备的制造等众多领域的技术进步， 为促进我国 的工业和军事领域的尖端技术革新和国民经济的发展贡献力量。
18
光纤传感系统
双异质结， 主要是因为在有源区的两边有两个不同材料 的合金层。 这种结构是从半导体激光器的研究中发展起来的。 通过将各种不同材料的合金层夹在一起， 所有的载流子和辐 射光都将局限在中心有源层。 相邻层间的带隙差限制了载流 子， 而相邻层间的折射率差使辐射光约束在中心有源层。 这 就使得它具有高效率和高辐射强度， 如图2-2所示。 这样会使 阈值电流降低， 发热现象减轻， 可在室温状态下连续工作。 为了进一步降低阈值电流， 提高发光效率， 以及提高与光纤 的耦合效率， 常常使有源区尺寸尽量减小，通常ω=10 μm， d=0.2 μm，L=100 μm~400 μm。
16
光纤传感系统
图2-1 两种基本LED结构
17
光纤传感系统
在面发光二极管中， 有源发光面与光纤轴垂直， 如图21(b)所示。 这种结构中， 在器件的衬底腐蚀了一个小孔， 然 后使用环氧树脂材料固定插入小孔的光纤， 这样能以尽可能 高的效率接收发射出来的光。
边发光二极管的辐射光要比面发光二极管的具有更好的方 向性。 同质结LED， 即只有一个简单PN结， 且P区和N区都 是同一物质。 LED阈值电流密度太大， 工作时发热非常严重， 只能在低温环境、 脉冲状态下工作。 为了提高激光器的功率 和效率， 降低同质结LED的阈值电流， 人们研究出了双异质 结的LED， 如图2-2所示。
光纤传感系统
我国光纤传感的进一步发展需要从光纤基础产业、 光电 基础产业和光纤传感技术全方位综合发展， 才有可能真正创 造我国的尖端传感技术。 目前， 国内至少有二十几家公司转 向研究光纤传感器的开发和生产， 其研究的种类繁多， 达到 了历史上的最好时期。 相信在未来的几年内， 光纤传感技术 的发展有望带动并形成一个与光纤和光电产品相关的产业群， 它必将带动我国在光纤制造、 光纤器件和光电器件的生产以 及相关仪器设备的制造等众多领域的技术进步， 为促进我国 的工业和军事领域的尖端技术革新和国民经济的发展贡献力量。
18
光纤传感系统
双异质结， 主要是因为在有源区的两边有两个不同材料 的合金层。 这种结构是从半导体激光器的研究中发展起来的。 通过将各种不同材料的合金层夹在一起， 所有的载流子和辐 射光都将局限在中心有源层。 相邻层间的带隙差限制了载流 子， 而相邻层间的折射率差使辐射光约束在中心有源层。 这 就使得它具有高效率和高辐射强度， 如图2-2所示。 这样会使 阈值电流降低， 发热现象减轻， 可在室温状态下连续工作。 为了进一步降低阈值电流， 提高发光效率， 以及提高与光纤 的耦合效率， 常常使有源区尺寸尽量减小，通常ω=10 μm， d=0.2 μm，L=100 μm~400 μm。
16
光纤传感系统
图2-1 两种基本LED结构
17
光纤传感系统
在面发光二极管中， 有源发光面与光纤轴垂直， 如图21(b)所示。 这种结构中， 在器件的衬底腐蚀了一个小孔， 然 后使用环氧树脂材料固定插入小孔的光纤， 这样能以尽可能 高的效率接收发射出来的光。
边发光二极管的辐射光要比面发光二极管的具有更好的方 向性。 同质结LED， 即只有一个简单PN结， 且P区和N区都 是同一物质。 LED阈值电流密度太大， 工作时发热非常严重， 只能在低温环境、 脉冲状态下工作。 为了提高激光器的功率 和效率， 降低同质结LED的阈值电流， 人们研究出了双异质 结的LED， 如图2-2所示。
光纤传感器ppt课件
第9章 光纤传感器
光纤传感器的原理结构及种类
光的传输原理
光导纤维传感器的类型
功能型光纤传感器
非功能型光纤传感器
光纤传感器的应用
光纤即光导纤维是20世纪70年代的重要发明之一，它与激光器、半导体探测器一起构成新的光学技术，创造了光电子学新领域。光纤的出现产生了光纤通讯技术，特别是光纤在有线通讯网的优势越来越突出，它为人类21世纪的通讯基础------信息高速公路奠定了基础，为多媒体（符号、数字、语言、图形和动态图象）通信提供了实现的必须条件。
光导纤维传感器的类型
光纤传感器的分类
按测量对象分类 ：分为光纤温度传感器、光纤浓度传感器、光纤电流传感器、光纤流速传感器。
按光纤中光波调制的原理分类 ：分为强度调制型光纤传感器、相位调制型光纤传感器、偏振调制型光纤传感器、频率调制型光纤传感器、波长调制型光纤传感器。
按光纤在传感器中的作用分类 ：分为功能型光纤传感器（FF型，function fiber）和非功能型光纤传感器（NFF型，non function fiber）
高纯度石英（sio2）玻璃纤维，这种材料的光损耗比较小。
多组分玻璃纤维，用常规玻璃制成，损耗较小。
塑料光纤，用人工合成导光塑料制成，其损耗较大，但质量轻，成本低，柔软性好，适用于短距离导光。
2、按折射率分布分类，有阶跃折射率型和梯度折射率型 1）阶跃型光纤（折射率固定不变）：指纤芯和包层折射率不连续的光纤。 2）梯度型光纤（纤芯折射率近似呈平方分布）：在中心轴上折射率最大，沿径向逐渐变小，界面处 n1=n2，n1的分布大多按抛物线规律，其关系式为： n1=n.(1-A.r2/2) n为纤芯中心折射率，如1.525 A为常数，如A=0.5mm-2 r为径向坐标 采用梯度折射率光纤时，光射入光纤后会自动从界面向轴心会聚，故也称为自聚焦光纤。
光纤传感器的原理结构及种类
光的传输原理
光导纤维传感器的类型
功能型光纤传感器
非功能型光纤传感器
光纤传感器的应用
光纤即光导纤维是20世纪70年代的重要发明之一，它与激光器、半导体探测器一起构成新的光学技术，创造了光电子学新领域。光纤的出现产生了光纤通讯技术，特别是光纤在有线通讯网的优势越来越突出，它为人类21世纪的通讯基础------信息高速公路奠定了基础，为多媒体（符号、数字、语言、图形和动态图象）通信提供了实现的必须条件。
光导纤维传感器的类型
光纤传感器的分类
按测量对象分类 ：分为光纤温度传感器、光纤浓度传感器、光纤电流传感器、光纤流速传感器。
按光纤中光波调制的原理分类 ：分为强度调制型光纤传感器、相位调制型光纤传感器、偏振调制型光纤传感器、频率调制型光纤传感器、波长调制型光纤传感器。
按光纤在传感器中的作用分类 ：分为功能型光纤传感器（FF型，function fiber）和非功能型光纤传感器（NFF型，non function fiber）
高纯度石英（sio2）玻璃纤维，这种材料的光损耗比较小。
多组分玻璃纤维，用常规玻璃制成，损耗较小。
塑料光纤，用人工合成导光塑料制成，其损耗较大，但质量轻，成本低，柔软性好，适用于短距离导光。
2、按折射率分布分类，有阶跃折射率型和梯度折射率型 1）阶跃型光纤（折射率固定不变）：指纤芯和包层折射率不连续的光纤。 2）梯度型光纤（纤芯折射率近似呈平方分布）：在中心轴上折射率最大，沿径向逐渐变小，界面处 n1=n2，n1的分布大多按抛物线规律，其关系式为： n1=n.(1-A.r2/2) n为纤芯中心折射率，如1.525 A为常数，如A=0.5mm-2 r为径向坐标 采用梯度折射率光纤时，光射入光纤后会自动从界面向轴心会聚，故也称为自聚焦光纤。
《光纤传感器 》课件
通过化学气相沉积等方法 制备出光纤预制棒，作为 光纤制造的原材料。
拉丝工艺
将光纤预制棒加热软化后 ，通过拉丝机拉制成连续 的光纤。
涂覆与保护
在拉制出的光纤表面涂覆 一层保护涂层，以提高光 纤的机械强度和耐腐蚀性 。
光纤传感器的封装工艺
光纤光栅封装
光纤传感器的密封与保护
将光纤光栅粘贴在特定的封装基底上 ，并使用环氧树脂等材料进行固定和 保护。
光纤传感器的应用领域。
光纤传感器的小型化与集成化
总结词
光纤传感器正朝着小型化与集成化的方向发展，以满 足现代科技领域对传感器尺寸和集成度的要求。
详细描述
随着微纳加工技术和光子集成技术的不断发展，光纤 传感器的小型化与集成化成为可能。小型化的光纤传 感器具有更小的体积和更高的可靠性，集成化的光纤 传感器则能够实现多个传感功能的集成，提高系统的 集成度和智能化程度。
光纤传感器的优点与局限性
优点
高灵敏度、抗电磁干扰、耐腐蚀、可 在恶劣环境下工作、可远程测量等。
局限性
对温度、压力、位移等物理量的测量 可能会受到其他因素的干扰，如弯曲 、振动等；同时，光纤传感器成本较 高，限制了其在某些领域的应用。
03
CHAPTER
光纤传感器的制造工艺
光纤的制备
01
02
03
预制棒制备
光纤传感器
目录
CONTENTS
• 光纤传感器概述 • 光纤传感器的技术原理 • 光纤传感器的制造工艺 • 光纤传感器在各领域的应用 • 光纤传感器的发展趋势与挑战 • 案例分析：光纤传感器在石油工业中的应用
01
CHAPTER
光纤传感器概述
定义与工作原理
定义
光纤传感器是一种利用光纤作为敏感元件的传感器，能够检 测和测量物理量（如温度、压力、位移等）的变化。
拉丝工艺
将光纤预制棒加热软化后 ，通过拉丝机拉制成连续 的光纤。
涂覆与保护
在拉制出的光纤表面涂覆 一层保护涂层，以提高光 纤的机械强度和耐腐蚀性 。
光纤传感器的封装工艺
光纤光栅封装
光纤传感器的密封与保护
将光纤光栅粘贴在特定的封装基底上 ，并使用环氧树脂等材料进行固定和 保护。
光纤传感器的应用领域。
光纤传感器的小型化与集成化
总结词
光纤传感器正朝着小型化与集成化的方向发展，以满 足现代科技领域对传感器尺寸和集成度的要求。
详细描述
随着微纳加工技术和光子集成技术的不断发展，光纤 传感器的小型化与集成化成为可能。小型化的光纤传 感器具有更小的体积和更高的可靠性，集成化的光纤 传感器则能够实现多个传感功能的集成，提高系统的 集成度和智能化程度。
光纤传感器的优点与局限性
优点
高灵敏度、抗电磁干扰、耐腐蚀、可 在恶劣环境下工作、可远程测量等。
局限性
对温度、压力、位移等物理量的测量 可能会受到其他因素的干扰，如弯曲 、振动等；同时，光纤传感器成本较 高，限制了其在某些领域的应用。
03
CHAPTER
光纤传感器的制造工艺
光纤的制备
01
02
03
预制棒制备
光纤传感器
目录
CONTENTS
• 光纤传感器概述 • 光纤传感器的技术原理 • 光纤传感器的制造工艺 • 光纤传感器在各领域的应用 • 光纤传感器的发展趋势与挑战 • 案例分析：光纤传感器在石油工业中的应用
01
CHAPTER
光纤传感器概述
定义与工作原理
定义
光纤传感器是一种利用光纤作为敏感元件的传感器，能够检 测和测量物理量（如温度、压力、位移等）的变化。
《光纤传感器》课件
光纤传感器的应 用：广泛应用于 航空航天、医疗、 工业等领域，如 光纤陀螺仪、光 纤温度传感器等
光的调制技术：通过改变光的强度、相位、频率等参数，实现对信息的编码和传 输
光纤传感器的工作原理：利用光的调制技术，将待测物理量转换为光信号，通过 光纤传输到接收端，进行检测和处理
光的调制技术在光纤传感器中的应用：通过光的调制技术，可以实现对温度、压 力、流量等物理量的高精度测量
工作原理：利用光纤对温度敏 感的特性进行测量
特点：精度高、响应速度快、 抗干扰能力强
应用实例：温度监测、温度控 制、温度补偿等
应用领域：广泛应用于工业、医疗、航空航天等领域 工作原理：通过光纤的折射率变化来测量压力 特点：高精度、高灵敏度、抗干扰能力强 应用实例：在飞机发动机、汽车发动机、液压系统中的应用
应用领域：广泛应 用于工业自动化、 机器人、航空航天 等领域
工作原理：利用光 纤的弹性和光学特 性，测量物体的位 移变化
特点：精度高、 响应速度快、抗 干扰能力强
实例：在汽车制造、 机械加工、电子设 备等领域的应用
应用领域：广泛应 用于石油、化工、 食品、医药等行业
工作原理：利用光 纤的折射率变化来 测量液位
提高灵敏度：通过优化光纤结构和材料，提高传感器的灵敏度 降低成本：通过优化生产工艺和材料选择，降低传感器的生产成本 提高稳定性：通过优化传感器设计和材料选择，提高传感器的稳定性和可靠性 提高兼容性：通过优化传感器设计和材料选择，提高传感器与其他设备的兼容性和互操作性
应用领域：工业、医疗、科研 等领域
量测量
应用领域：化 工、环保、食 品、医药等行
业
工作原理：利 用光纤对光的 敏感性，检测 液体或气体的
浓度
《光纤传感技术》课件
发展历程
追溯了光纤传感技术从非线性效应研究开始的 发展历程和里程碑事件，以及吸引人才和投资
光纤传感技术分类
光纤光栅传感技术
介绍光栅的原理和各种方 案，以及光纤光栅传感技 术在结构健康监测、生物 医学、石油勘探和环境监 测等方面的应用。
基于光纤拉曼效应的 传感技术
介绍拉曼散射等原理，以 及拉曼散射和光纤相互作 用的技术，包括其在温度、 压力、化学物质探测和医 学诊断中的应用。
光纤传感技术不受电磁干扰和化学物质影 响，具有极高的抗干扰能力。
光纤传感技术的未来发展
1
光学器件的进一步改进
随着科技的发展，光学器件的性能不
传感器的小型化和集成化
2
断提升，为光纤传感技术带来了更多 可能性。
随着智能物联设备越来越多地应用于
生活和工业领域，传感器的小型化和
集成化将是发展的一个重要趋势。
《光纤传感技术》PPT课 件
介绍光纤传感技术的定义，应用领域和优势，以及介绍本次课件将要探索的 内容分类和应用领域。让我们一起了解这项重大的技术进步！
光纤传感技术原理
基本原理
介绍了光纤传感技术的光波传输原理、光纤的 制作、以及光纤中不同波长的色散特性。
工作原理
讲解了光纤传感技术与不同物质之间的交互作 用原理，包括对温度、压力、声音、气体和液 体等的响应。
液位和流量检测
在化工和供水等行业中，使 用光纤传感技术来监测液位 和流量变化。
光纤传感技术的优势ຫໍສະໝຸດ 1 精度高2 可靠性强
光纤传感技术具有高灵敏度和高分辨率， 可提供精确的量测结果。
光纤传感技术在极端环境中依然可以工作 正常，并具有长时间的稳定性。
3 长寿命
4 抗干扰能力强
第6章 光纤传感技术ppt课件
12
①2a1 光纤端面球透n镜2 耦合
② 柱透镜耦合(n最1 大2an 约50%γ左2 右)
2a3
③ 凸透镜耦合(一n2 般在25a0%c 左右2a2 )
2a1
④
自聚焦光纤n1 (一般2an 在50%θγ1左右γ)3
S拆开点d
γn
r
激光器
自聚焦透镜θ
圆锥形光纤（透镜）耦合
光纤
2an 光纤
端z 面球R透镜耦合示意
引言
光纤技术理论的不断完善，光纤制造工艺的日臻 成熟，各种类型的光纤元器件逐步商品化，为光纤传 感技术的发展奠定了理论基础和物质基础。
由于光纤有良好的传输光的特性(衰减系数已达到 0.14dB/km)，有比微波高6个数量级的宽频带，再加上 光纤本身就是一种敏感元件，光在光纤中传输时振幅 、相位、偏振态等将随着检测对象的变化而变化，因 此，光纤可以用于制作优良的传感器。
1）直接耦合 所谓直接耦合，就
是把一根平端面的光纤 直接靠近光源发光面放 置。一般耦合效率大约 为20%。
S 2θc
2θ
S—光源 θ—光源发光张角 θc—光纤接收角
光纤与光源直接耦合
.
02.05.2020
11
2）透镜耦合 透镜耦合方法可以提高耦合效率，也可能不提高,
这里有一个耦合效率准则概念。 对于lambet型光源(例如发光二级管)，不管中间加
什么样的系统，它的耦合效率不会超过一个极大值:
maxSf /SeNA2
当发光面积Se大于光纤接收面积Sf 时，加任何光学 系统都没有用，最大耦合效率可以用直接耦合的办法得
到。当发光面积小于光纤接收面积时，加上光学系统是
有用的，可以提高耦合效率，而且发光面积越小，耦合
第8章光纤传感器应用分析ppt课件
光强
(3) 基于磁致伸缩和布拉格光纤光栅的电流传感器
反射光谱
λB
布拉格波长 B 2neff
传感器头
磁致伸缩材 料
螺线管内磁场 B 0nI
光纤光栅电流传感器结构 1
宽光谱光源 波长测量
环形器
信号 处理
施加磁场改变光栅的周 期，使其反射波长产生 变化。
电流传感器结构 2
GMM--磁致伸缩材料
弱而伸缩，使得通过光纤的光
程发生变化。信号光与参考光
干涉后，得到与磁场成比例的
输出信号。这种磁场传感器灵
敏度高，分辨率可达10-12T, 可
用于测量磁场、探矿等。
光纤 干涉仪测量
a）光纤马赫—泽德尔磁场传感器
光源
3dB
磁场
磁致伸缩材料被覆 光纤作为测量臂
测量臂
3dB
耦合器
耦合致伸缩效应的物理解释
在铁磁质中，相邻铁原子中的电子间存在着非常强的 交换耦合作用，这个相互作用促使相邻原子中电子的 自旋磁矩平行排列起来，形成一个自发磁化达到饱和 状态的微小区域，这些自发磁化的微小区域称为磁畴。
磁畴
单晶磁畴结构示意图
多晶磁畴结构示意图
磁场增强 H
在外磁场作用下，磁矩与外磁场同方向排列时的磁 能将低于磁矩与外磁反向排列时的磁能，结果是自 发磁化磁矩和外磁场成小角度的磁畴处于有利地位， 这些磁畴体积逐渐扩大，而自发磁化磁矩与外磁场 成较大角度的磁畴体积逐渐缩小。随着外磁场的不 断增强，取向与外磁场成较大角度的磁畴全部消失， 留存的磁畴将向外磁场的方向旋转。
沉积镍薄膜
裸光纤
几种敏感元件的基本结构
a) 被覆式 b) 心轴式 c) 带式
被覆材料
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第一节 光纤的结构与传光原理
一、结构和种类
玻璃纤维 尼龙外层
（一）光纤的结构
包层
基本采用石英玻璃，
外层直径1mm
主要由三部分组成
中心——纤芯；单模：8 ~10μm 外层——包层；多模：大于50μm纤芯 涂敷层
护套——尼龙料。
光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质，
纤芯折射率n1略大于包层折射率n2（ n1 ＞ n2 ）。
2020年6月28日
渐变 纤
剖面n(r) n1
芯
n2
a
r
梯度折射率光纤
5
名词解释：子午光线
当入射光线通过光纤轴线，且入射角1大
于界面临界角c sin1(n2 / n1) 时，光线将在柱体 界面上不断发生全反射，形成曲折回路，而 且传导光线的轨迹始终在光纤的主截面内。 这种光线称为子午光线，包含子午光线的平 面称为子午面。
2020年6月28日
6
子午平面
z
2020年6月28日
7
光纤的另一种分类方法是按 光纤的传播模式来分，可分为多 模光纤和单模光纤两类。多模光 纤多用于非功能型（NF）光纤 传感器；单模光纤多用于功能型 （FF）光纤传感器。 下面介绍模的概念
模的概念
• 在纤芯内传播的光波，可以分解为沿轴向传播的
平面波和沿垂直方向（剖面方向）传播的平面波。 沿剖面方向传播的平面波在纤芯与包层的界面上 将产生反射。如果此波在一个往复（入射和反射） 中相位变化为2π的整数倍，就会形成驻波。只有 能形成驻波的那些特定角度射入光纤的光才能在 光纤内传播，这些光波就称为模。
θ2 θ1
折射光
折射率 n1
折射率 n0
导出费涅耳反射损耗 入射光 Ii
反射光 Ir
2020年6月28日
10
当光线以较小的入 射角，由光密媒质 进入光疏媒质时，
θ2 折射光
折射率 n2
一部分光线被反射， 另一部分折射入光
折射率 n1
疏媒质。如图所示。
θ1
折射角满足斯奈尔
（Snell）定律则
入射光
θ1< θc
反射光
n1sin1 n 2sin2 图7-3 （a） 光线入射角小于临界角
• 在光纤内只能传输一定数量的模。通常纤芯直径
较粗（几十微米以上）时，能传播几百个以上的 模，而纤芯很细（5～10微米），只能传播一个模。 前者称为多模光纤，后者为单模光纤。
二、 光纤的传光原理
光学纤维:中央折射率 大,表层折射率小的透 明细玻璃丝.
光进入光学纤维后,多次 在内壁上发生全内反射, 光从纤维的一端传向另 一端.
只有反射，形
成光的全反射
现象，如右图
所示。
入射光 θ1 θ1> θc
折射率 n2 折射率 n1
全反射光
图7-3 （c） 光线入射角大于临界角
外反射：
n1 n2
n2
ic
n1
内反射，全内反射：
n1 n2
n2
入射角大 于临界角 的光线发 生全反射
ic
n1
阶跃型多模光纤的传光原理
n0
2θ0 θ0
B
n0sin0 n1sin1 n1cos1 n1 1 sin21
n0
2θ0 θ0
B φ1
θ1
A
D
n2
C
n1
d
若满足
sin1
n2 n1
即
sin 0
1 n0
n12 - n22
就能产生全反射。可见，光纤临界入射角的大小
是由光纤本身的性质（n1、n2）决定的，与光纤 的几何尺寸无关。
入射角的最大值 为：
（二） 光纤的种类
光纤按纤芯和包层材料的性质分类，有玻
璃光纤和塑料光纤两类；按折射率分有阶跃型
和梯度型二种 。
右图所示为阶跃型光纤，纤
芯的折射率n1分布均匀，不随半 径变化。包层内的折射率n2分布 也大体均匀。可是纤芯与包层之
间折射率的变化呈阶梯状。在纤
芯内，中心光线沿光纤轴线传播。
通过轴线平面的不同方向入射的
sinc
1 n0
n12
-
n
2 2
将sinθc定义为光导纤维的数值孔径,用NA
表示,则
NA
sinc
1 n0
n12
-
n
2 2
NA意义讨论： • NA表示光纤的集光能力，无论光源的发
射功率有多大，只要在2θc张角之内的入 射光才能被光纤接收、传播。若入射角 超出这一范围，光线会进入包层漏光。 • 一般NA越大集光能力越强，光纤与光源 间耦合会更容易。但NA越大光信号畸变 越大，要选择适当。 • 产品光纤不给出折射率N，只给数值孔径 NA。
光纤传感技术课件
光导纤维传感器（简称光纤传感器）是20世 纪七十年代迅速发展起来的一种新型传感器。光 纤最早用于通讯，随着光纤技术的发展，光纤传 感器得到进一步发展。
与其它传感器相比较，光纤传感器有如下特 点：
1.不受电磁干扰，防爆性能好，不会漏电打 火；
2.可根据需要做成各种形状，可以弯曲； 3.可以用于高温、高压,绝缘性好,耐腐蚀。
• 2008-10-17
三、传光损耗
• 在实际上，光纤传光中，存在费涅
耳反射损耗、光吸收损耗、全反射 损耗以及弯曲损耗等。
• 下面简要分析阶跃型多模光纤的损
耗。
2020年6月28日
22
（一）费涅耳反射损耗
•设入射光束的光强 为Ii，反射光束的光 强为Ir，定义R= Ir / Ii为费涅耳反射损耗， 由费涅耳公式可以推
当逐渐加大入射角
θ1，一直到θc，折 射光就会沿着界面传
折射率 n2
θ2
播，此时如右图所示 折射率 n1
折射角θ1＝90o。这 时，入射角θ1＝ θc， θc称为临界角，由 下式决定：
入射光θ1
θ1＝θc
折射光 反射光
sinc
n2 n1
图7-3 （b） 光线入射角等于临界角
当继续加大入
射角θ1，（即 θ1>θc)， 光 不再产生折射，
φ1
θ1
A
D
n2
C
n1
d
图7-4 光纤导光示意图
• 光纤的传播基于光的全反射。当光线 以不同角度入射到光纤端面时，在端 面发生折射后进入光纤；
❖ 光线在光纤端面入射角φ减小到某一角 度φ c时，光线全部反射。
❖ 只要θ＜θc，光在纤芯和包层界面上经 若干次全反射向前传播，最后从另一 端面射出。
Hale Waihona Puke 斯奈尔（Snell）定律：光线（子午光线）呈锯齿形轨迹
传播。 2020年6月28日
阶跃
剖面 n(r)
n1
纤芯
n2
a
r
阶跃折射率光纤 4
右图所示为梯度型光纤，纤
芯的折射率n1不是常数，从 中心轴线开始沿径向大致按 抛物线规律逐渐减小。因此 光在传播中会自动地从折射 率小的界面处向中心会聚。 光线偏离中心轴线越远，则 传播路程越长。传播的轨迹 类似正弦波曲线。这种光纤 又称自聚焦光纤。 右下图所示为经过轴线的子 午光线传播的轨迹。