相位调制型.
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对于四层光纤，考虑边界条件：
0.71105 / C , T
103rad /( C m) LT
1 相位调制机理
相位调制型
cont’d
多层结构的考虑：
纤芯、包层、衬底、一次涂敷、二次涂敷…
结论：
二次涂敷对单模光纤的灵敏度影响最大。 PZT MZ干涉仪中，声压力产生的温度效应
光栅写入装置
DFB
2 光纤干涉仪3
相位调制型
Sagnac干涉仪
结构 优势：
LD
耦合器
Ω
无活动部件 无非线性效应 无闭锁区
Δl 1 2
PD
Id
Ω
R
8nA Ω λ 0C
B
-π
0 π/2 π 光强-相移关系
2φ
2 光纤干涉仪3
4个问题
相位调制型
cont’d
材料折射率变化与应变
应变效应 光弹效应 泊松效应
的关系参考书（76-77）
传感机理
相位调制型
例3-1：水和空气对应的分别为6×10-6K/Pa 和9×10-2K/Pa 说明：
水声传感时
温度变化项完全可以忽略 裸光纤放在空气中时 温度变化项反而是压力 变化项的2×103倍 灵敏度比水声高一个数量 级
*相干条件（产生干涉的条件）
在观察时间 内，许多波列都通过P点 原子前后发出的两列光波相互 独立
0 0 2 1 2 2 1 2
相位调制型
1 有固定的位相关系 I Id (a a 2a a cos )d 两个发光原子 同时 发出的波列形成的干涉 a a 2a a / cos d 图样只能在极短的时间内存在 如果各时刻到达的波列的位相差δ无规则变化，则 接收器只能记录到强度的 平均值 1 2 2 cos d 0 I a a I I
探测臂
干涉光强 : LD
耦合器
I (1 cos ), 耦合器 if , 2m and m L
干涉条纹 可移动
光纤反射端面
外界因素引起 L 和 参考臂 n 的变化：
LD
L
耦合器
探测臂
PD 信号处理
L L L L L n L D 参考臂 L n 固定 D
o
清晰度
o
条纹的反衬度K（对比度） 来定量表征清晰度
o
o o
K=1: 清晰度最大－完全相干 K=0: 清晰度最低－非相干 0<K<1: 部分相干
IM Im K IM Im
o
三个因素：光源大小、非单 色性；两相干光波的振幅比
o
K
2 A1 A2 1 A1 A2
2
当A1=A2时，K=1； 而A1与A2相差 越多，K值越小
相位调制型
光纤传感器
Fiber Optic Sensors
相位调制型
光纤传感器的分类
功能型
强度调制型 相位调制型 频率调制型 波长调制型 偏振调制型
入射光波
入射光波的特征参量：相位
出射光波
按照被调制的光波参数
外界因素： 温度，压力，电 磁场，位移
核心技术—光调制技术
相位调制型
2 1 2 2 1 2 0
没
0
1
2
1
2
P点是任意的 不发生干涉现象。 如果两光波的位相δ固定不变，则有 1 cos d cos I I1 I 2
0
2 I1I 2 cos
相干条件
干涉的三个必要条件
两叠加光波的位相差固定不变
振动方向相同 频率相同 定义：相干光波、相干光源
实现应变的方法：
光纤
2 光纤干涉仪的类型
相位调制型
Mach-Zehnder干涉仪和Michelson干涉仪 Fabry-Perot干涉仪 Sagnac干涉仪（环形腔） 相位压缩原理与微分干涉仪 白光干涉
干涉测量原理
相位调制型
双光束干涉：
2 A2 A1 A2 ( ) 2 2A 1A2cos
特点
信 号 Is t 出 射 光 波
入 射 光 波
相位调制区
参考信道
特点：
干涉测量灵敏度高 直接测量物理量：应力（压力10-7Pa）、应变（10-7）、
温度（10-8℃） 、电磁场 多参量同时测量、灵活 需要特殊光纤－单模、保偏、增敏、去敏
相位调制型
*干涉效果的定量表征－条纹的清晰度
多光束干涉
I I0 4R 2 sin 1 2 (1 R ) 2
R：反射率；φ：相邻光束的相位差
结论
discrimina bility(sen sitivity) R
2 光纤干涉仪1-2
Байду номын сангаас
相位调制型
Mach-Zehnder干涉仪和Michelson干涉仪
波导效应，可忽略
2 光纤干涉仪1-2 cond’t
相位调制型
MZ干涉仪的应用例－线性调频外差型干涉仪
L 固定光程差（～10cm－由光源线宽决定）
隔离器 耦合器
L L n L D L n D 检测：锁相、比较和计数
耦合器
解决：
条纹高细分困难，导致精度不高折射率变化区 测量灵敏度和精度随光程差改变； 驱动 易受外界环境影响等 用声光调制器的外差式干涉结构复杂、体积大、调制频率范围 小的矛盾
1 相位调制机理
相位调制型
cont’d
温度应变效应－类似于应力应变效应
dL dn k0 L n T dT dT
仅考虑径向折射率变化时：
1 n 1 n2 z P 11 P 12 r P 11 z T n T T 2
相位调制型
补充条件
利用原子发出的同一波列
光程差要小于波列长度
光纤中的相位调制
应力/应变调制 温度调制 可以转化的调制
相位调制型
1 相位调制机理
相位调制型
应力应变效应
通过长L的光纤，出射光
波的相位延迟： 光波在外界因素影响下 的相位变化：
L
2
L
L L L L L n L a L n a
0.71105 / C , T
103rad /( C m) LT
1 相位调制机理
相位调制型
cont’d
多层结构的考虑：
纤芯、包层、衬底、一次涂敷、二次涂敷…
结论：
二次涂敷对单模光纤的灵敏度影响最大。 PZT MZ干涉仪中，声压力产生的温度效应
光栅写入装置
DFB
2 光纤干涉仪3
相位调制型
Sagnac干涉仪
结构 优势：
LD
耦合器
Ω
无活动部件 无非线性效应 无闭锁区
Δl 1 2
PD
Id
Ω
R
8nA Ω λ 0C
B
-π
0 π/2 π 光强-相移关系
2φ
2 光纤干涉仪3
4个问题
相位调制型
cont’d
材料折射率变化与应变
应变效应 光弹效应 泊松效应
的关系参考书（76-77）
传感机理
相位调制型
例3-1：水和空气对应的分别为6×10-6K/Pa 和9×10-2K/Pa 说明：
水声传感时
温度变化项完全可以忽略 裸光纤放在空气中时 温度变化项反而是压力 变化项的2×103倍 灵敏度比水声高一个数量 级
*相干条件（产生干涉的条件）
在观察时间 内，许多波列都通过P点 原子前后发出的两列光波相互 独立
0 0 2 1 2 2 1 2
相位调制型
1 有固定的位相关系 I Id (a a 2a a cos )d 两个发光原子 同时 发出的波列形成的干涉 a a 2a a / cos d 图样只能在极短的时间内存在 如果各时刻到达的波列的位相差δ无规则变化，则 接收器只能记录到强度的 平均值 1 2 2 cos d 0 I a a I I
探测臂
干涉光强 : LD
耦合器
I (1 cos ), 耦合器 if , 2m and m L
干涉条纹 可移动
光纤反射端面
外界因素引起 L 和 参考臂 n 的变化：
LD
L
耦合器
探测臂
PD 信号处理
L L L L L n L D 参考臂 L n 固定 D
o
清晰度
o
条纹的反衬度K（对比度） 来定量表征清晰度
o
o o
K=1: 清晰度最大－完全相干 K=0: 清晰度最低－非相干 0<K<1: 部分相干
IM Im K IM Im
o
三个因素：光源大小、非单 色性；两相干光波的振幅比
o
K
2 A1 A2 1 A1 A2
2
当A1=A2时，K=1； 而A1与A2相差 越多，K值越小
相位调制型
光纤传感器
Fiber Optic Sensors
相位调制型
光纤传感器的分类
功能型
强度调制型 相位调制型 频率调制型 波长调制型 偏振调制型
入射光波
入射光波的特征参量：相位
出射光波
按照被调制的光波参数
外界因素： 温度，压力，电 磁场，位移
核心技术—光调制技术
相位调制型
2 1 2 2 1 2 0
没
0
1
2
1
2
P点是任意的 不发生干涉现象。 如果两光波的位相δ固定不变，则有 1 cos d cos I I1 I 2
0
2 I1I 2 cos
相干条件
干涉的三个必要条件
两叠加光波的位相差固定不变
振动方向相同 频率相同 定义：相干光波、相干光源
实现应变的方法：
光纤
2 光纤干涉仪的类型
相位调制型
Mach-Zehnder干涉仪和Michelson干涉仪 Fabry-Perot干涉仪 Sagnac干涉仪（环形腔） 相位压缩原理与微分干涉仪 白光干涉
干涉测量原理
相位调制型
双光束干涉：
2 A2 A1 A2 ( ) 2 2A 1A2cos
特点
信 号 Is t 出 射 光 波
入 射 光 波
相位调制区
参考信道
特点：
干涉测量灵敏度高 直接测量物理量：应力（压力10-7Pa）、应变（10-7）、
温度（10-8℃） 、电磁场 多参量同时测量、灵活 需要特殊光纤－单模、保偏、增敏、去敏
相位调制型
*干涉效果的定量表征－条纹的清晰度
多光束干涉
I I0 4R 2 sin 1 2 (1 R ) 2
R：反射率；φ：相邻光束的相位差
结论
discrimina bility(sen sitivity) R
2 光纤干涉仪1-2
Байду номын сангаас
相位调制型
Mach-Zehnder干涉仪和Michelson干涉仪
波导效应，可忽略
2 光纤干涉仪1-2 cond’t
相位调制型
MZ干涉仪的应用例－线性调频外差型干涉仪
L 固定光程差（～10cm－由光源线宽决定）
隔离器 耦合器
L L n L D L n D 检测：锁相、比较和计数
耦合器
解决：
条纹高细分困难，导致精度不高折射率变化区 测量灵敏度和精度随光程差改变； 驱动 易受外界环境影响等 用声光调制器的外差式干涉结构复杂、体积大、调制频率范围 小的矛盾
1 相位调制机理
相位调制型
cont’d
温度应变效应－类似于应力应变效应
dL dn k0 L n T dT dT
仅考虑径向折射率变化时：
1 n 1 n2 z P 11 P 12 r P 11 z T n T T 2
相位调制型
补充条件
利用原子发出的同一波列
光程差要小于波列长度
光纤中的相位调制
应力/应变调制 温度调制 可以转化的调制
相位调制型
1 相位调制机理
相位调制型
应力应变效应
通过长L的光纤，出射光
波的相位延迟： 光波在外界因素影响下 的相位变化：
L
2
L
L L L L L n L a L n a