光纤传感技术课件
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但NA越大，经光纤传输后产生的信号畸变越大， 因而限制了信息传输容量。所以要根据实际使用场合 ，选择适当的NA。
6.1.5 光纤的连接与耦合 1. 光纤的连接
光纤与光源或探测器耦合时，为了提高耦合效率， 光纤端面应该抛光成镜面，且垂直于纤心轴线。
进行这种光线端面切割的简便方法是使用光纤切割 刀具，切记不可用一般剪钳来切光纤，因为这样会因石 英的脆性而断裂成高低不平的断面，无法使用。
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
⑤ 圆锥形透镜耦合(数值孔径是平端光纤的an/a1
倍。这种耦合效率可高达双9凸0透%镜L以耦T/4 合上光路。)
• 突变型（SI）多模光纤；
横截面
折射率分布 输入脉冲 光线传播路径
输出脉冲
• 渐变型（GI）多r 模光纤Ai ； 纤芯 • （单a） 模（2b SM）2光a 纤。 n
包层
Ao
• 它们横截面的结构和r 折射率Ai 分t 布，光线在纤Ao 芯t传播
的路（b径） ，125µ以ｍ 及由于50µｍ色散引n 起的输出脉冲相对于输入
脉冲的畸变情况比较如下: t
r
Ai
t Ao
～10µｍ
（c） 125µｍ n t t
a）突变型多模光纤 b）渐变型多模光纤 c）单模光纤
6.1.4 光纤的数值孔径 数值孔径是光纤传输光线的重要特征参数，
用来计量光纤的受光能力。
θ
θc
o
2 3
3 θ1
2 ψc
l
L
y
ψ1
1
x
z
纤芯n1
包层n2
突变型多模光纤的光线传播原理
• 按传输模式可分为： ①单模光纤； ②多模光纤；
• 按工作波长可分为：
①短波长（0.8-0.9 m）光纤； ②长波长（1.0-1.7 m）光纤； ③超长波长（>2 m）光纤；
• 按照光纤横截面上折射率的分布可分为： ①阶跃型（突变型）光纤； ②渐变型（自聚焦）光纤。
6.1.3 光纤的结构 • 光纤是由纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝; • 包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起一定的
光纤传感器就是利用光纤将待测量对光纤内传输 的光波参量进行调制，并对被调制过的光波信号进行 解调检测，从而获得待测量值的一种装置。
6.1.2 Biblioteka Baidu纤的分类
光纤的种类很多，从不同的角度出发，有不同的分 类，通常有以下四种分类方式： • 按光纤材料可分为：
① 石英系列光纤； ② 多组分玻璃光纤； ③ 氟化物光纤； ④ 塑料光纤； ⑤ 液芯光纤； ⑥ 晶体光纤； ⑦ 红外材料光纤等；
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
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:
粘接剂 F
B
P
G
b）套管法
F—裸光纤 G—V型槽 B—密封套管
放电
G c） 热融法
光纤永久性连接
2．光纤的光耦合 光纤的光耦合是指把光源发出的光功率最大限度
地输送进光纤中去。这是一个比较复杂的问题，涉及 光源发出的光功率的空间分布、光源发光面积、光纤 的收光特性和传输特性等等。
1）直接耦合 所谓直接耦合，就
金刚刀
拉
力
R
裸光纤
切断裸光纤的方法
光纤间的连接分为永久性连接和活动性连接。永 久连接一般分为粘接剂连接和热融接两种方式。都需 用V型槽或精密套管，将光纤中心对准后加粘结剂使之 固化，或者采用二氧化碳激光器或电弧放电等熔融光 纤对接，使之连接起来，这种接头损耗可低达0.1dB。
F 树脂
G a）V型槽法
机械保护作用; • 纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能
量主要在纤芯内传输; • 纤芯和包层的相对折射率包层差（n2）= (n1n2)/n1的典纤型芯值（n，1）
一般单模光纤为0.3%~0.6%，多模光纤为1%~2%。 越大，把光能量束缚在纤芯的能力越强，但信息传 输容量却越小。
• 光纤种类繁多，但最重要的也是最基本的有三种：
经过简单的运算，可得：
N A n 0sicn n 1 2 n 2 2n 1 2
设n＝0.01，n1＝1.5，得到NA＝0.21或c＝12.2°
NA表示光纤接收和传输光的能力，对于无损耗光
纤，在c 内的入射光都能在光纤中传输。 NA越大，光
纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高; 纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好。
圆柱透镜耦合 自聚焦透镜耦合
3．光纤合光器与分光器
RL
L
a）光束聚焦型
RL
RL
RL S RL d）半反半透型
RL— 自聚焦透镜 S——半反半透镜 L—— 透镜
g）部分反射型
b）光束聚焦型
L
M
L
L c）半反半透型
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 、、偏振态等将随着检测对象的变化而变化，因
而今，光纤传感技术已广泛应用于国防军事、航 空航天、工矿农业、能源环保、生物医学、计量测试 、自动控制和家用电器等各种领域。
§6.1 光纤技术概述
6.1.1 基本概念 光纤是“光导纤维”的简称，是一种介质圆柱光波
导. 所谓光波导是指把光形式的电磁波能量利用全反
射原理约束并引导光波在其内部或表面附近沿轴线方 向传播的传输介质，通常以其截面形状分为平板波导 、矩形波导、圆柱波导等。
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 效率提高越多。
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)
6.1.5 光纤的连接与耦合 1. 光纤的连接
光纤与光源或探测器耦合时，为了提高耦合效率， 光纤端面应该抛光成镜面，且垂直于纤心轴线。
进行这种光线端面切割的简便方法是使用光纤切割 刀具，切记不可用一般剪钳来切光纤，因为这样会因石 英的脆性而断裂成高低不平的断面，无法使用。
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
⑤ 圆锥形透镜耦合(数值孔径是平端光纤的an/a1
倍。这种耦合效率可高达双9凸0透%镜L以耦T/4 合上光路。)
• 突变型（SI）多模光纤；
横截面
折射率分布 输入脉冲 光线传播路径
输出脉冲
• 渐变型（GI）多r 模光纤Ai ； 纤芯 • （单a） 模（2b SM）2光a 纤。 n
包层
Ao
• 它们横截面的结构和r 折射率Ai 分t 布，光线在纤Ao 芯t传播
的路（b径） ，125µ以ｍ 及由于50µｍ色散引n 起的输出脉冲相对于输入
脉冲的畸变情况比较如下: t
r
Ai
t Ao
～10µｍ
（c） 125µｍ n t t
a）突变型多模光纤 b）渐变型多模光纤 c）单模光纤
6.1.4 光纤的数值孔径 数值孔径是光纤传输光线的重要特征参数，
用来计量光纤的受光能力。
θ
θc
o
2 3
3 θ1
2 ψc
l
L
y
ψ1
1
x
z
纤芯n1
包层n2
突变型多模光纤的光线传播原理
• 按传输模式可分为： ①单模光纤； ②多模光纤；
• 按工作波长可分为：
①短波长（0.8-0.9 m）光纤； ②长波长（1.0-1.7 m）光纤； ③超长波长（>2 m）光纤；
• 按照光纤横截面上折射率的分布可分为： ①阶跃型（突变型）光纤； ②渐变型（自聚焦）光纤。
6.1.3 光纤的结构 • 光纤是由纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝; • 包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起一定的
光纤传感器就是利用光纤将待测量对光纤内传输 的光波参量进行调制，并对被调制过的光波信号进行 解调检测，从而获得待测量值的一种装置。
6.1.2 Biblioteka Baidu纤的分类
光纤的种类很多，从不同的角度出发，有不同的分 类，通常有以下四种分类方式： • 按光纤材料可分为：
① 石英系列光纤； ② 多组分玻璃光纤； ③ 氟化物光纤； ④ 塑料光纤； ⑤ 液芯光纤； ⑥ 晶体光纤； ⑦ 红外材料光纤等；
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
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:
粘接剂 F
B
P
G
b）套管法
F—裸光纤 G—V型槽 B—密封套管
放电
G c） 热融法
光纤永久性连接
2．光纤的光耦合 光纤的光耦合是指把光源发出的光功率最大限度
地输送进光纤中去。这是一个比较复杂的问题，涉及 光源发出的光功率的空间分布、光源发光面积、光纤 的收光特性和传输特性等等。
1）直接耦合 所谓直接耦合，就
金刚刀
拉
力
R
裸光纤
切断裸光纤的方法
光纤间的连接分为永久性连接和活动性连接。永 久连接一般分为粘接剂连接和热融接两种方式。都需 用V型槽或精密套管，将光纤中心对准后加粘结剂使之 固化，或者采用二氧化碳激光器或电弧放电等熔融光 纤对接，使之连接起来，这种接头损耗可低达0.1dB。
F 树脂
G a）V型槽法
机械保护作用; • 纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能
量主要在纤芯内传输; • 纤芯和包层的相对折射率包层差（n2）= (n1n2)/n1的典纤型芯值（n，1）
一般单模光纤为0.3%~0.6%，多模光纤为1%~2%。 越大，把光能量束缚在纤芯的能力越强，但信息传 输容量却越小。
• 光纤种类繁多，但最重要的也是最基本的有三种：
经过简单的运算，可得：
N A n 0sicn n 1 2 n 2 2n 1 2
设n＝0.01，n1＝1.5，得到NA＝0.21或c＝12.2°
NA表示光纤接收和传输光的能力，对于无损耗光
纤，在c 内的入射光都能在光纤中传输。 NA越大，光
纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高; 纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好。
圆柱透镜耦合 自聚焦透镜耦合
3．光纤合光器与分光器
RL
L
a）光束聚焦型
RL
RL
RL S RL d）半反半透型
RL— 自聚焦透镜 S——半反半透镜 L—— 透镜
g）部分反射型
b）光束聚焦型
L
M
L
L c）半反半透型
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 、、偏振态等将随着检测对象的变化而变化，因
而今，光纤传感技术已广泛应用于国防军事、航 空航天、工矿农业、能源环保、生物医学、计量测试 、自动控制和家用电器等各种领域。
§6.1 光纤技术概述
6.1.1 基本概念 光纤是“光导纤维”的简称，是一种介质圆柱光波
导. 所谓光波导是指把光形式的电磁波能量利用全反
射原理约束并引导光波在其内部或表面附近沿轴线方 向传播的传输介质，通常以其截面形状分为平板波导 、矩形波导、圆柱波导等。
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 效率提高越多。
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)