光纤传感器原理及应用技术

第6章光纤传感器

6.1 基础知识

6.2 光纤传感器的分类及构成6.3 功能型光纤传感器举例

6.4 非功能型光纤传感器举例　思考题与习题

6.1 基础知识

6.1.1 光纤的结构　

光纤的结构很简单,通常由纤芯、包层及外套组成（如图6.1所示）。纤芯位于光纤的中心部位,它是由玻璃、石英或塑料等制成的圆柱体,一般直径约为5～150 μm。光主要通过纤芯传输。围绕着纤芯的那一层叫包层,材料也是玻璃或塑料等。纤芯和外层材料的折

射率不同,纤芯的折射率n

1稍大于包层的折射率n

2

。由

于纤芯和包层构成了一个同心圆双层结构,所以光纤具有使光功率封闭在里面传输的功能。外套起保护光纤的作用。通常人们又把较长的或多股的光纤称之为光缆。　

包层外套

纤芯

图6.1 由纤芯、包层及外套组成的光纤的结构示意图

6.1.2 光纤的种类　

根据纤芯到包层的折射率的变化规律分类,光纤被分为阶跃型和梯度型两种。　

分布均匀,阶跃型光纤如图6.2(a)所示。纤芯的折射率n

1

分布也大体均匀,但纤芯到包层固定不变,包层内的折射率n

2

的折射率变化呈台阶状。在纤芯内,中心光线沿光纤轴线传播,通过轴线的子午光线（光的射线永远在一个平面内运动,这种光线称之为子午光线）呈锯齿形轨迹。　

梯度型光纤纤芯内的折射率不是常数,从中心轴线开始沿径向大致按抛物线规律变化,中心轴折射率最大,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。光线传播的轨迹类似正弦波曲线。这种光纤又称为自聚焦光纤。图6.2(b)示出了经过轴线的子午光线传播的轨迹。　

根据光纤的传输模式分类,可以把光纤分为多模光纤和单模光纤两类。阶跃型和梯度型为多模光纤,而图6.2(c)所示的为单模光纤。　

模的概念可简单介绍如下。　

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以特定角度射入光纤的光波才能在光纤内传播,这些光波就称为模。在光纤内只能传输一定数量的模。通常,纤芯直径较粗（几十μm以上）时,能传播几百个以上的模,而纤芯很细（5～10μm）时,只能传播一个模。前者称为多模光纤,后者称为单模光纤。关于模式理论,有兴趣的读者可参阅有关文献资料。　

图6.2 光纤的种类和光传播形式　

(a)阶跃型多模光纤；（b ）梯度型多模光纤；

(c) 单模光纤

(a )(b )

(c )

折射率

6.1.3 光纤的传光原理　

讨论光纤的传光原理,首先要从光线在分层媒质中传播开始,由此引出光的全反射概念。我们知道,在几何光学中当光线以较小的入射角φ

(φ1＜φc, φc为临界

1

）射入光疏媒质（折射率角)由光密媒质（折射率为n

1

满足斯乃尔（Snell）为n2）时(如图6.3(a)所示),折射角φ

2

法则：

n

sinφ1=n2sinφ2(6.1)

1

根据能量守恒定律,反射光与折射光的能量之和等于入射光的能量。　

若逐渐加大入射角φ1,一直到φc ,折射光就会沿着分层媒质的交界面传播,折射角φ2=90°,如图6.3(b)所示。此时的入射角φ1=φc ,于是式（6.1）可写为 (6.2) 则临界角φc 可由上式决定。

若继续加大入射角φ1（即φ1＞φ1）,光不再产生折射,而只有光密媒质中的反射,即形成了光的全反射现象,如图6.3(c)所示。因为φ1＞φc ,在0°～90°,有sin φ1＞sin φc ,则

sin φ1＞( ) (6.3) 1

2sin n n c =ϕ1

2n n

光的全反射现象是光纤传光原理的基础。下面我们以阶跃型多模光纤为例,来进一步说明光纤的传光原理。　

阶跃型多模光纤的基本结构如图6.4所示。设纤芯的折射率为n

1

,包层的折射率为n2（n1＞n2）。当光线从空气（折

射率为n

0）中射入光纤的一个端面,并与其轴线的夹角为θ

时

（如图6.4(a)所示）,按照斯乃尔法则,在光纤内折射成θ

1

角,然

后以φ

1

(φ1=90°-θ1)角入射到纤芯与包层的交界面上。若

入射角φ

1大于临界角φ

c

,则入射的光线就能在交界面上产生

全反射,并在光纤内部以同样的角度反复逐次全反射向前传播,直至从光纤的另一端射出。若光纤两端同处于空气之中,则出射角也将为θ

。光纤总是把光能封闭在线状的光路中,从一点传输到另一点。即便弯曲,光也能沿着光纤传播。但光纤过分弯曲,以致使光射至界面的入射角小于临界角,那么,大部分光将透过包层损失掉,从而不能在纤芯内部传播。

图6.3 光线入射角小于、等于和大于临界角时界面上发生的反射折射率n 2折射率n 1

参考轴参考轴参考轴ϕ2折射光

ϕ2＝90°反射光

入射光反射光ϕ1＝ϕc ϕc ϕ1＞ϕc 入射光全反射光入射光ϕ1＜ϕc

(a )(b )(c )

从空气中射入光纤的光并不一定都能在光纤中产生全反射。图6.4(a)中的虚线表示入射角θ

过大,光线

不能满足要求（即φ

1＜φ

c

）,大部分光线将穿透包层

而逸出,这叫漏光。即使有少量光反射回纤芯内部,但经过多次这样的反射后,能量几乎耗尽,以致基本没有光通过光纤传播出去。　

能产生全反射的最大入射角可以通过斯乃尔法则及临界角定义求得。　

由图6.4(a),设光线在A点入射,根据斯乃尔法则,有 n

sinθ0=n1sinθ1=n1cosφ1 (6.4)