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1、第9章 光导纤维与光纤传感器,光纤的基础知识 光导纤维的应用 光导纤维的分类及构成 功能型光纤传感器 非功能型光纤传感器,学校：南昌大学 专业：精仪,9.1 光导纤维基础知识,9.1.1 光纤的结构,图9-1 光纤的结构示意图,光纤由纤芯、包层及外套组成，如图9-1所示。,纤芯一般由玻璃、石英或塑料等组成，一般直径为5 150 um。包层的材料也是玻璃或塑料。外套起到保护光纤的作用。 纤芯、包层及外套的折射率关系如下： 纤芯 包层 外套 包层,9.1.1 光纤的种类,依据折射率的变化规律，光纤被分为阶跃型和梯度型。,图9-2（a）阶跃型多模光纤,图9-2(a)所示为阶跃型光纤，纤芯的折射率n1
2、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光线（子午光线）呈锯齿形轨迹传播。,图9-2（b）梯度型多模光纤,图9-2(b)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。,9.1.3 光纤的传输模式,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半径
3、方向（剖面方向）传播的平面波。沿半径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2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。 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（510微米），只能传播一个模。前者称为多模光纤，后者为单模光纤。 阶跃型和梯度型光纤为多模光纤。,9.1.4 光纤的传光原理,图9-3(a) 1c时 光线在界面上发生的反射,当光线以较小的入射角，由光密媒质进入光疏媒质时，一部分光线被反射，另一部分折射入光疏媒质。如图
4、所示。折射角满足斯奈尔（Snell）定律则,图9-3(b) 1c时 光线在界面上发生的反射,图9-3(c) 1c时 光线在界面上发生的反射,当逐渐加大入射角1，一直到c，折射光就会沿着界面传播，此时如右图所示折射角190o。这时，入射角1 c，c称为临界角，由下式决定：,当继续加大入射角1，（即1c)， 光不再产生折射，只有反射，形成光的全反射现象，如右图所示。,图9-4 阶跃型光纤中子午光线的传播,以阶跃型光纤为例，来说明光纤的传光原理。,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。当1大于临界角1（0 小于临界角c时 ）光在纤芯和包层界面上经若干
5、次全反射向前传播，最后从另一端面射出。若光纤两端同处于空气之中，则出射角也将为0。,由斯奈尔（Snell）定律：,若满足,即,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：,将sinc定义为光导纤维的数值孔径,用NA表示,则,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2c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。,
6、9.1.5 光纤的传输特性,1、传输损耗,光纤传光中，由于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，一部分光在途中就损耗了。,损耗一般用损耗系数表示：,(单位：dB/km),（其中L是光纤长度，Pin和Pout分别是输入和输出光功率）,光纤损耗可归结为吸收损耗和散射损耗两类。吸收损耗是物质的吸收作用使光能变成热能引起的；散射损耗是由于光纤的材料及其不均匀性或几何尺寸的缺陷引起的。光纤的弯曲也会造成散射损耗。,2、色散,信号在光纤中是由不同的频率成份和不同的模式成份携带的，这些不同的频率成份和模式成份有不同的传播速度，使得光纤输出波形在时间上产生展宽。光纤的色散有以下几种,材料色
7、散：材料折射率随波长的变化,使不同波长的群速度不同，造成时延差,发生脉冲展宽。 波导色散：由于波导结构不同，某一波导模式的传播常数随着信号角频率 变化而引起的色散。 多模色散：不同模按不同速度传播，到达端点产生的延迟不同，使一个窄的脉冲弥散而导致宽度展宽。,一般，三种色散的大小顺序是：多模材料波导,3、容量,光脉冲的展宽程度可以用延迟时间来反映，设光源中心频率为f0,，带宽为f，某一模式光的传播常数为则总的延时量为,式中，c为真空中的光速，,，,。,4、抗拉强度,光纤的抗拉强度取决于材料的纯度、分子结构状态、光纤的粗细及缺陷等因素。,5、集光本领,光纤的集光本领与数值孔径有密切的关系。数值孔径
8、越大，光纤的集光能力就越强。,9.1.6 光纤的耦合,光纤的耦合分为强耦合和弱耦合两种。光纤强耦合是光纤纤芯间形成直通。光纤弱耦合是通过光纤的弯曲，或使其耦合处成锥状。,将裸光纤固定在石英制成的弧形槽中,进行光学研磨,抛光,将经研磨后的两根光纤拼接在一起, 经透过纤芯-包层界面的消逝场产生耦合,将两根裸光纤扭绞一起, 高温加热熔融,同时在熔融过程中拉伸光纤形成双锥型耦合器。,用化学方法将光纤腐蚀掉大部分包层, 再把两根腐蚀后的光纤扭绞在一起构成光纤耦合器。,常用的耦合器有3种结构形式。这些耦合器的制作方法如表1所示。,表1 光纤耦合器制作方法,9.2 光导纤维的应用,9.2.1 光纤在直接导光
9、方面的应用,利用光纤柔软可弯曲的特点，可按需要制作各种导光器。,1、光纤照明器,2、光纤束行扫描器,图9-11 光纤束行扫描原理,1-光电探测器；2-物镜；3-Z型导光管；4-转换器；5-条形光源；6-待测物,利用直线-圆环光纤转换器和Z型导光管可以对移动目标实现图像信号的采集，如下图所示。,9.2.1 光纤在直接导光方面的应用,1、各种内窥镜,完成传像功能的光纤制品主要是光纤传像束和硬性光纤器件。,医用内窥镜的示意图如图所示，它由末端的物镜、光纤图像导管、顶端的目镜和控制手柄组成。照明光是通过图像导管外层光纤照射到被观察物体上，反射光通过传像束输出。由于光纤柔软、自由度大，末端通过手柄控制能
10、偏转，传输图像失真小，因此，它是检查和诊断人体内各部位疾病和进行某些外科手术的重要仪器。,2、光纤图像转换器,光纤图像转换器原理,在许多场合需要对多处目标进行切换观察，这可采用光纤图像换向系统来实现。如下图所示。它是由目标图像采集系统、图像切换系统，以及观察和记录系统等部分组成。,3、光学纤维面板,光学纤维面板具有传光效率高，级间耦合损失小，传像清晰、真实，在光学上具有零厚度等特点。最典型的应用是作为微光像增强器的光学输入、输出窗口，对提高成像器件的品质起着重要作用。 光纤面板的应用主要有：像增强器、光纤平像场器、光纤扭像器和光纤锥等。,各种光学纤维面板,9.3 光纤传感器的分类及构成,9.3
11、.1 光纤传感器的分类,光纤传感器一般可分为两大类：一类是功能型传感器；另一类是非功能型传感器。,1、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。 优点：结构紧凑、灵敏度高。 缺点：须用特殊光纤，成本高。 典型例子：光纤陀螺、光纤水听器等。,2、非功能型光纤传感器,优点：无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。 缺点：灵敏度较低。,非功能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，光纤只起
12、传光作用。,实用化的大都是非功能型的光纤传感器。,9.3.2 光纤传感器的基本构成,光纤传感器的基本组成除光纤以外，还有光源和光电元件。,1、光源,一般选择光源时，根据系统的用途和所用光纤的类型，对光源还要提出功率和调制的要求,2、光电元件,光纤传感器常用如下4种光电元件作探测器：普通光电二极管、雪崩光电二极管、肖特基光电二极管、光电晶体管，有时也用电荷耦合器件、光电导体和光电倍增管等。,9.3.3 光纤传感器的优点,1、灵敏度很高。 2、良好的安全性。 3、抗电磁干扰。 4、几何形状适应性强。 5、传输频带宽。 6、体积小，对测量现场的分布特性影响小。 7、耐水性和抗腐蚀性强。 8、通常既是
13、信息探测器件，又是传递器件。,9.4 功能型光纤传感器,9.4.1 相位调制型光纤传感器,1、相位调制的原理,相位调制的基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或传播常数发生变化，而导致光的相位变化，使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化，通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量，从而得到被测对象的信息。,当一束波长为的相干光在光纤中传播时，光波的相位角与光纤的长度L、纤芯折射率n1和纤芯直径d的关系为：,当光纤受到外界物理量的作用，则光波的相位角变化为：,利用光的相位变化可测量出温度、压力、加速度、电流等物理量。,2、相位调制型光纤压力和温度传感器,压力（温度）,9.4.
14、2 光强调制型光纤传感器,光纤微弯对传播光的影响,当光线在光纤的直线段以大于临界角入射界面（1c）， 则光线在界面上产生全反射。当光线射入微弯曲段的界面上时，入射角将小于临界角（1c）。此时，一部分光在纤芯和包层的界面上反射；另一部分光则透射进入包层，从而导致光能的损耗。,基于这一原理，研制成光纤微弯曲传感器,光纤微弯曲位移（压力）传感器原理图,9.4.3 偏振态调制型光纤传感器,法拉第磁光效应,偏振态调制型光纤电流传感器测试原理,由于探测器不能直接检测光的偏振态，需要将光偏振态的变化转换为光强度信号。一种检测方法采用Wollaston棱镜WP，由光源发射的激光经起偏器P1变为线偏振光进入传感
15、光纤，在输出端将检偏器P2输出的正交偏振分量在空间上分成两路输出，分别被探测器1与探测器2接收。探测器1与探测器2接收的光强信号经处理可得到偏振面的偏转角。,9.5 非功能型光纤传感器,9.5.1 传输光强调制型光纤传感器,传输光强调制型光纤传感器，一般在输入光纤与输出光纤之间放置有机械式或光学式的敏感元件。,半导体吸收式光纤温度传感器结构图,当温度发生变化时半导体光吸收片的透光率会发生变化，透过半导体的光强也会随之变化。通过检测透射光的强度或透射率，即可检测温度变化。,9.5.2 反射光强调制型光纤传感器,膜片反射型光纤压力传感器,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
16、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。,反射式位移传感器 ，其基本原理如图所示。光源发出的光通过光纤射向被测物体，其反射光由接收光纤收集，送到探测器，接收光强将随着反射物体表面与光纤探头端面的距离变化。通过信号处理得到光纤端面与被测面之间距离的变化（位移）。,9.5.3 频率调制型光纤传感器,频率调制型光纤传感器的调制原理是光学多普勒效应,在上图中S是光源，P为运动物体，而Q是观察者所在的位置。物体P的运动速度为V，P的运动方向与PS的夹角为1， P的运动方向与PQ的夹角为2。则从S射出的频率为f1的光，经过运动物体P散射，观察者在Q处观察到的
17、频率为f2，根据多普勒原理得,V,光纤多普勒测速装置,激光通过偏振分束器和输入光学装置射入多模光纤，光纤的另一端插入流体中以便测量流体或其中粒子运动速度。光在流体中散射，其中一部分散射光被光纤收集，沿光纤返回。散射光是随机偏振光，因此返回光有一部分被偏振分束器反射到光探测器。光频差必须通过两个光波的干涉才能进行测量，所以对返回光束要有一个参考光束，且参考光束必须从相对被测的移动物质为静止的点获得。频率不同的信号光与参考光共同作用在光电检测器上，并产生差拍。形成的光电流经频谱分析处理求出频率的变化，进而可以算出物体的速度。,9.5.4 光纤液位传感器,光由光纤的一端导入,在球状对折端部一部分光透射出去,另一部分光反射回来,由光纤的另一端导向探测器。反射光强的大小取决于被测介质的折射率。被测介质的折射率与光纤折射率越接近,反射光强度越小。显然,传感器处于空气中时比处于液体中时 的反射光强要大。,光纤液位传感器,单光纤液位传感器结构,利用X形耦合器即可构成具有两个探头的液位报警传感器。若在不同的高度安装多个探头，则能连续监视液位的变化。,The end,