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光纖傳感器及其應用技術

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出版社:科學出版社出版時間:2018-06-01
開本: 26cm 頁數: 225頁
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光纖傳感器及其應用技術 版權信息

  • ISBN:9787030577849
  • 條形碼:9787030577849 ; 978-7-03-057784-9
  • 裝幀:一般膠版紙
  • 冊數:暫無
  • 重量:暫無
  • 所屬分類:

光纖傳感器及其應用技術 內容簡介

為了適應光纖傳感技術和產業的高速發展,《光纖傳感器及其應用技術》以光纖中的光調制機理為主線,詳細討論強度調制、相位調制、波長調制和偏振態調制四大類光纖傳感器的傳感機理、關鍵問題和應用范例,以及近年來多行業規模化應用的分布式光纖傳感技術的原理、方法和關鍵技術;選擇性地將物聯網技術中的重要骨架——光纖成網技術,新型光纖聚合物光纖、光子晶體光纖和納米光纖及其傳感應用作為延伸與拓展。《光纖傳感器及其應用技術》內容重點突出,結合學科*新進展,應用設計實例豐富。有助于在掌握基礎理論和應用工具的同時,開闊科研視野、了解學科動態、啟發創新思維。

光纖傳感器及其應用技術 目錄

目錄
第1章 光纖技術基礎 1
1.1 光纖的基本特性 1
1.1.1 均勻折射率光纖中光線的傳播與數值孔徑 2
1.1.2 光纖的彎曲 3
1.1.3 光纖端面的傾斜效應 4
1.1.4 圓錐形光纖 5
1.1.5 光纖的損耗 6
1.1.6 光纖的色散 8
1.2 常用光纖器件 8
1.2.1 光纖定向耦合器、環形器與WDM 9
1.2.2 光纖偏振器件——PM控制器、起偏器與消偏器、擾偏器和光隔離器 17
1.2.3 全光開關 25
1.2.4 光纖光柵與光纖濾波器 27
1.2.5 光調制器 34
1.2.6 摻雜光纖激光器 37
1.2.7 大功率光纖激光器與包層泵浦技術 42
1.2.8 光纖放大器 45
1.3 小結 48
習題與思考49
第2章 強度調制型光纖傳感器 50
2.1 強度調制傳感原理 50
2.1.1 反射式強度調制 50
2.1.2 透射式強度調制 52
2.1.3 光纖模式功率分布強度調制 54
2.1.4 折射率強度調制 55
2.1.5 光吸收系數調制 57
2.2 強度調制型光纖傳感器的補償技術 57
2.2.1 光源負反饋穩定法 57
2.2.2 雙波長補償法 58
2.2.3 旁路光纖監測法 59
2.2.4 光橋平衡補償法 60
2.2.5 神經網絡補償法 62
2.3 強度調制型光纖傳感器的類型及應用實例 63
2.3.1 光纖微彎傳感器 63
2.3.2 光纖溫度傳感器 66
2.4 強度調制型光纖傳感器的研究與發展方向 69
習題與思考 69
第3章 相位調制型光纖傳感器 70
3.1 相位調制型光纖傳感器原理 70
3.1.1 應力應變效應 70
3.1.2 溫度應變效應 73
3.2 光纖干涉儀的類型 74
3.2.1 Mach-Zehnder和Michelson光纖干涉儀 74
3.2.2 Sagnac光纖干涉儀 75
3.2.3 光纖Fabry-Perot干涉儀 79
3.2.4 光纖環形腔干涉儀 79
3.2.5 相位壓縮原理與微分干涉儀 81
3.2.6 白光干涉型光纖傳感器 83
3.3 相位調制型光傳感器的信號解調技術 87
3.3.1 干涉儀的信號解調 87
3.3.2 光纖鎖相環方法 90
3.3.3 相位生成載波(PGC)解調方案 92
3.4 光纖干涉儀的傳感應用實例 93
3.4.1 振動傳感器 94
3.4.2 磁場傳感器 96
3.4.3 電流傳感器 97
3.5 相位調制型光纖傳感器的發展 102
習題與思考 102
第4章 波長調制型光纖傳感器 103
4.1 波長調制傳感原理 103
4.2 光纖布拉格光柵傳感器 103
4.2.1 光纖布拉格光柵傳感模型 103
4.2.2 光纖光柵增敏與去敏設計 109
4.2.3 光纖布拉格光柵在光纖傳感領域中的典型應用 113
4.3 光纖SPR傳感器 114
4.3.1 SPR原理與理論模型 114
4.3.2 光纖SPR傳感器及其應用 116
4.4 光聲光譜微量氣體檢測技術 121
4.4.1 光聲光譜原理 121
4.4.2 光聲氣室的設計與優化 122
4.4.3 微量氣體的光聲光譜法高精度檢測實例 126
4.5 光纖熒光溫度傳感器 127
4.6 光纖黑體(高溫)溫度計 131
習題與思考 132
第5章 偏振態調制型光纖傳感器 133
5.1 偏振態調制傳感原理 133
5.1.1 泡克耳斯效應 133
5.1.2 克爾效應 134
5.1.3 法拉第效應 135
5.1.4 彈光效應 136
5.2 偏振調制光纖傳感器類型及應用實例137
5.2.1 光纖電流傳感器137
5.2.2 BSO晶體光纖電場傳感器139
5.2.3 醫用體壓計140
5.2.4 動脈光纖血流計142
5.2.5 光纖偏振干涉儀143
習題與思考143
第6章 分布式光纖傳感器145
6.1 引言145
6.2 時域分布式光纖傳感器的工作機理 147
6.2.1 光纖中的背向散射光分析 147
6.2.2 OTDR技術 147
6.2.3 瑞利散射型分布式光纖傳感技術 148
6.2.4 基于拉曼散射的分布式光纖傳感技術 149
6.2.5 布里淵散射型分布式光纖傳感技術 149
6.2.6 拉曼型、布里淵型和偏振模式耦合型分布式溫度傳感方法比較 152
6.2.7 FBG和BOTDR性能比較 152
6.3 其他(準)分布式光纖傳感器 153
6.3.1 光纖F-P傳感器 154
6.3.2 基于干涉技術的分布式光纖傳感器 157
6.4 分布式光纖傳感器的應用158
6.5 小結 160
習題與思考 160
第7章 光傳感器網絡技術 161
7.1 概述 161
7.1.1 可用于構成光傳感網的光纖傳感器 161
7.1.2 成網技術 165
7.2 光纖光柵傳感網絡 169
7.3 基于干涉型光纖傳感器的光纖傳感網 174
7.3.1 大規模干涉型光纖傳感網絡的基本結構 174
7.3.2 超大容量干涉型光纖傳感網絡的信號處理方法 176
7.3.3 超大容量干涉型光纖傳感網絡的偏振誘導信號衰落及其控制方法 176
7.3.4 長距離復合復用網絡結構中的光放大機理及極限性能 178
習題與思考 179
第8章 新材料光纖傳感器及其應用技術 180
8.1 光子晶體光纖及其在傳感中的應用 180
8.1.1 光子晶體光纖 180
8.1.2 光子晶體光纖傳感器 184
8.1.3 PCF小結 187
8.2 聚合物光纖及其傳感應用 187
8.2.1 聚合物光纖材料及類型 188
8.2.2 多模聚合物光纖傳感器及其應用 193
8.2.3 單模聚合物光纖傳感器及其應用 198
8.3 小結 203
習題與思考 204
第9章 納米光纖與傳感器 205
9.1 納米光纖 205
9.1.1 納米光纖的典型特征——極高的倏逝場能量 206
9.1.2 納米光纖的制造與操作 206
9.2 納米光纖中的光傳輸 208
9.2.1 傳輸方程與精確解 208
9.2.2 傳輸損耗 209
9.2.3 納米光纖的色散與超連續譜 210
9.3 納米光纖的典型應用 211
9.3.1 納米光纖傳感器 211
9.3.2 非線性光學器件 213
9.3.3 納米光纖耦合器 213
9.3.4 原子捕獲與導向 214
9.4 納米光纖傳感的發展前景 216
習題與思考 217
參考文獻 218
附錄1 符號表 220
附錄2 縮寫詞匯表 222
展開全部

光纖傳感器及其應用技術 節選

第1章 光纖技術基礎 1.1 光纖的基本特性 光纖是光導纖維的簡稱。光導纖維是工作在光波波段的一種介質波導,通常是圓柱形。光導纖維將以光的形式出現的電磁波能量,利用全反射的原理約束在其界面內,并引導光波沿著光纖軸線的方向前進。光纖的傳輸特性由其結構和材料決定。 圖1-1單根光纖結構簡圖 光纖的基本結構是兩層圓柱狀介質,內層為纖芯,外層為包層;纖芯的折射率n1比包層的折射率n2稍大。當滿足一定的入射條件時,光波就能沿著纖芯向前傳播。實際的光纖在包層外面還有一層保護層,其用途是保護光纖免受環境污染和機械損傷。有的光纖還有更復雜的結構,以滿足使用中不同的要求。 圖1-1是單根光纖結構圖。 光波在光纖中傳輸時,由于纖芯邊界的限制,其電磁場解不連續。這種不連續的場解稱為模式。光纖分類的方法有多種。按傳輸的模式數量可分為單模光纖和多模光纖:只能傳輸一種模式的光纖稱為單模光纖,能同時傳輸多種模式的光纖稱為多模光纖。單模光纖和多模光纖的主要差別是纖芯的尺寸和纖芯包層的折射率差值。多模光纖纖芯直徑大(2a=50~500μm標準包層直徑2b=125~400μm),芯包層折射率差大(Δ=(n1-n2)/n1=0.01~0.02);單模光纖纖芯直徑小(2a=2~12μm),芯包層折射率差小(Δ=0.0005~0.001)。 按纖芯折射率分布的方式可分為階躍折射率光纖和梯度折射率光纖。前者纖芯折射率是均勻的,在纖芯和包層的分界面處,折射率發生突變(即階躍型);后者折射率是按一定的函數關系隨光纖中心徑向距離而變化的。圖1-2給出了這兩類光纖的示意圖和典型尺寸。圖1-2(a)是單模階躍折射率光纖,圖1-2(b)和圖1-2(c)分別是多模階躍折射率光纖和多模梯度折射率光纖。 圖1-2單模和多模光纖結構示意圖 按傳輸的偏振態,單模光纖又可進一步分為非偏振保持光纖(簡稱非保偏光纖)和偏振保持光纖(簡稱保偏光纖)。其差別是前者不能傳輸偏振光,而后者可以。保偏光纖又可細分為單偏振光纖、高雙折射光纖、低雙折射光纖和圓偏光纖4種。只能傳輸一種偏振模式的光纖稱為單偏振光纖;能傳輸兩正交偏振模式、且其傳播速度相差很大者為高雙折射光纖(而其傳播速度近于相等的為低雙折射光纖);能傳輸圓偏振光的光纖則稱為圓雙折射光纖。 按制造的材料分,光纖有:①高純度熔石英光纖,其特點是材料的光傳輸損耗低,有的波長可低到0.2dB/km,一般小于1dB/km;②多組分玻璃纖維,其特點是芯包層折射率可在較大范圍內變化,因而有利于制造大數值孔徑的光纖,但材料損耗大,在可見光波段一般為1dB/m;③塑料光纖,其特點是成本低,缺點是材料損耗大,溫度性能較差;④紅外光纖,其特點是可透過近紅外(1~5μm)或中紅外(5~10μm)的光波;⑤液芯光纖,特點是纖芯為液體,因而可滿足特殊需要;⑥晶體光纖,特點是纖芯為單晶,可用于制造各種有源和無源光纖器件。 1.1.1 均勻折射率光纖中光線的傳播與數值孔徑 本小節利用幾何光學的方法(即光線理論)來處理光波在階躍折射率光纖中的傳輸特性。分別討論子午光線和斜光線的傳播,分析光纖彎曲、光纖端面傾斜、光纖為圓錐形情況下光線傳播的特性,介紹光纖的損耗和色散。 1.子午光線的傳播 通過光纖中心軸的任何平面都稱為子午面。位于子午面內的光線則稱為子午光線。顯然,子午面有無數個。根據光的反射定律,入射光線、反射光線和分界面的法線均在同一平面,光線在光纖的纖芯包層分界面反射時,其分界面法線就是纖芯的半徑。因此,子午光線的入射光線、反射光線和分界面的法線三者均在子午面內,如圖1-3所示。這是子午光線傳播的特點。 圖1-3子午光線在光纖中的傳播 由圖1-3可求出子午光線在光纖內全反射所應滿足的條件。圖中n1,n2分別為纖芯和包層的折射率,n0為光纖周圍介質的折射率。要使光能完全限制在光纖內傳輸,則應使光線在纖芯包層分界面上的入射角ψ大于(至少等于)臨界角ψ0,即臨界角再利用,可得。 由此可見,相應于臨界角ψ0的入射角φ0,反映了光纖集光能力的大小,稱為孔徑角。與此類似,n0sinφ0則定義為光纖的數值孔徑,一般用N.A.表示,即式中:下標“子”表示是子午面內的數值孔徑。由于子午光線在光纖內的傳播路徑是折線,所以光線在光纖中的傳播路徑長度一般都大于光纖的長度。由圖1-3中的幾何關系,可得長度為L的光纖中,其總光路的長度S和總反射次數分別為式中:S和η分別為單位長度內的光路長和全反射次數;a為纖芯半徑,其表達式分別為S以上關系式說明,光線在光纖中傳播的光路長度只取決于入射角φ和相對折射率n0/n1,而與光纖直徑無關;全反射次數則與纖芯直徑2a成反比。 2.斜光線的傳播 光纖中不在子午面內的光線都是斜光線。它和光纖的軸線既不平行也不相交,其光路軌跡是空間螺旋折線。此折線可為左旋,也可為右旋,但它和光纖的中心軸是等距的。圖1-4為斜光線的全反射光路。圖中QK為入射在光纖中的斜光線,它與光纖軸OO′不共面;H為K在光纖橫截面上的投影,HT⊥QT;OM⊥QH。由圖中幾何關系得斜光線的全反射條件為再利用折射定律n0sinφ=n1sinθ,可得在光纖中傳播的斜光線應滿足如下條件斜光線的數值孔徑則為由于cos≤1,因而斜光線的數值孔徑比子午光線的要大。 圖1-4斜光線的全反射光路 由圖1-4還可求出單位長度光纖中斜光線的光路長度S斜和全反射次數。 1.1.2 光纖的彎曲 實際使用中,光纖經常處于彎曲狀態。這時其光路長度、數值孔徑等參數都會發生變化。圖1-5為光纖彎曲時光線傳播的情況。設光纖在P處發生彎曲。光線在離中心軸h處的c點進入彎曲區域,兩次全反射點之間的距離為AB。利用圖1-5中的幾何關系可得(1-1)式中:a為纖芯半徑;R為光纖彎曲半徑。S0是光纖彎曲時,單位光纖長度上子午光線的光路長度。 由于(a/R)<1,因而有S0  由此可見,光纖彎曲時其入射端面上各點的孔徑角不相同,且沿光纖彎曲方向由大變小。 由上述分析可知,光纖彎曲時,由于全反射條件不滿足,其透光量會下降,這時既要計算子午光線的全反射條件,又要推導斜光線的全反射條件,才能求出光纖彎曲時透光量和彎曲半徑之間的關系。實驗結果表明,當R/2a<50時,透光量已開始下降;R/2a≈20時,透光量明顯下降,說明大量光能量已從光纖包層逸出。圖1-6是光纖透光率T隨彎曲半徑變化的一個典型測量結果。 圖1-5光纖彎曲時光線的傳播 圖1-6光纖透光率與彎曲半徑的關系曲線(實驗曲線) 1.1.3 光纖端面的傾斜效應 光纖端面與其中心軸不垂直時,將引起光束發生偏折,這是具體工作中應注意的一個實際問題。 圖1-7入射端面傾斜時光纖中的光路 圖1-7是入射端面傾斜的情況,α是端面的傾斜角,γ和γ′是端面傾斜時光線的入射角和折射角。由圖中幾何關系可得(1-4)式(1-4)說明:當n1,n2,n0不變時,傾斜角α愈大,接收角γ就越小。所以光纖入射端面傾斜后,要接收入射角為γ的光線,其值要大于正常端面的孔徑角。反之,若光線入射方向和傾斜端面的法線方向分別在光纖中心軸的兩側,則其接收光的范圍就增大了α角。 同樣,光纖出射端面的傾斜會引起出射光線的角度發生變化,若β是出射端面的傾斜角,當β≠0時,出射光線對光纖軸要發生偏折,其偏向角為(1-5)。 1.1.4 圓錐形光纖 圓錐形光纖是指直徑隨光纖長度呈線性變化的光纖。圓錐形光纖因具有一系列特殊性能,可制成許多光纖器件。在光纖與光纖、光纖與光源、光纖與光學元件的耦合中應用日益廣泛。圖1-8是子午光線通過圓錐形光纖的光路。設δ為圓錐形光纖的錐角,由圖1-8可知,在圓錐形光纖中,光線在芯包層分界面上的反射角ψ隨反射次數增加而逐漸減小。由圖中幾何關系以及折射定律可得(1-6)式中:m為反射次數。 圖1-8錐形光纖中的子午光線 式(1-6)說明,當光線從圓錐形光纖的大端入射時,由于反射角ψn隨反射次數的增加而不斷減小,因而全反射條件易被破壞,可能出現全反射條件不滿足的情況。根據全反射條件,要使入射光線都能從光纖另一端出射,則應滿足式中:a1和a2分別為光纖出射端(小端)和入射端(大端)的半徑。

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