“光電檢測(cè)技術(shù)與系統(tǒng)”第八章光纖探測(cè)技術(shù)與系統(tǒng)課件

第八章光纖探測(cè)技術(shù)與系統(tǒng)§8.1光纖測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)

8.1.1光纖結(jié)構(gòu)

8.1.2光纖類型

8.1.3光纖傳輸特性

8.1.4單模光纖的偏振與模式雙折射

8.1.5光纖的連接耦合技術(shù)§8.2光纖傳感器的原理與實(shí)現(xiàn)

8.2.1強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器

8.2.2相位調(diào)制光纖傳感器

8.2.3頻率調(diào)制光纖傳感器

8.2.4偏振調(diào)制光纖傳感器

8.2.5波長(zhǎng)調(diào)制光纖傳感器§8.3光纖布拉格光柵傳感器

8.3.1傳感原理

8.3.2解調(diào)技術(shù)

8.3.3封裝增敏和復(fù)用技術(shù)第八章光纖探測(cè)技術(shù)與系統(tǒng)§8.1光纖測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)2022/12/92

在實(shí)際的光傳輸過程中，光纖易受外界環(huán)境因素影響，如溫度、壓力、電磁場(chǎng)等外界條件的變化將引起光纖光波參數(shù)如光強(qiáng)、相位、頻率、偏振、波長(zhǎng)等的變化。因此，測(cè)出光波參數(shù)的變化，就可以知道導(dǎo)致光波參數(shù)變化的各種物理量的大小，于是產(chǎn)生了光纖傳感技術(shù)。光纖傳感器與傳統(tǒng)的各類傳感器相比有一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，如靈敏度高，抗電磁干擾，耐腐蝕，電絕緣性好，防爆，光路有可撓曲性，便于與計(jì)算機(jī)聯(lián)接，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕，耗電少等。2022/12/92在實(shí)際的光傳輸過程中，光纖易2022/12/938.1.1光纖結(jié)構(gòu)光纖是能夠傳輸光的纖維波導(dǎo)或光導(dǎo)纖維的簡(jiǎn)稱，如圖8.1-1所示?！?.1光纖測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)

在圖8.1-1所示具體得到光纖中，當(dāng)光線在纖芯與包層的分界面的入射角大于時(shí)，才能保證光線在纖芯內(nèi)產(chǎn)生多次全反射，使光線沿光纖傳輸。然而，內(nèi)光線的這個(gè)入射角的大小又取決于從空氣中入射的光束進(jìn)入纖芯所產(chǎn)生的折射角，因此，空氣和纖芯界面上入射光的入射角就限定了光能能否在光纖中以全反射形式傳輸。2022/12/938.1.1光纖結(jié)構(gòu)§8.1光纖測(cè)2022/12/94與內(nèi)光線入射角的臨界值相對(duì)應(yīng)，光纖入射光的入射角也有一個(gè)最大值

，當(dāng)時(shí)，入射光在光纖內(nèi)將以大于或等于的入射角在纖芯和包層界面上產(chǎn)生多次全反射。

在上述臨界條件下，空氣和纖芯界面上，入射光線滿足

（8.1-4）

式（8.1-4）中為光線由空氣進(jìn)入纖芯后的折射角，并且滿足此時(shí)內(nèi)光線在纖芯與包層的界面上發(fā)生全反射，由斯涅耳定律，有

（8.1-5）于是有

（8.1-6）定義為光纖的數(shù)值孔徑為

（8.1-7）NA是表示光纖波導(dǎo)特性的重要參數(shù)，它的平方是光纖端面集光能力的量度，反映光纖與光源或探測(cè)器等元件耦合時(shí)的耦合效率。2022/12/94與內(nèi)光線入射角的臨界值相對(duì)應(yīng)，光2022/12/958.1.2光纖類型

8.1.2.1單模光纖和多模光纖

單模光纖只能傳輸一種模式，但這種模式可以按兩種相互正交的偏振狀態(tài)出現(xiàn)。多模光纖傳輸多種模式，往往有幾百到幾千模式。

光纖能傳導(dǎo)的模式數(shù)N可用下式計(jì)算（8.1-10）

式（8.1-10）中，是纖芯折射率的最大值；是光纖斷面折射率分布指數(shù)，它決定光纖折射率沿徑向分布的規(guī)律，為最大相對(duì)折射率差，即（8.1-11）8.1.2.2階躍折射率光纖和漸變折射率光纖

根據(jù)纖芯徑向折射率的不同，光纖又可分為階躍折射率光纖和漸變折射率光纖。

通常，單模光纖多半是階躍折射率分布，多模光纖既有階躍折射率也有漸變折射率分布。

2022/12/958.1.2光纖類型（8.1-10）圖8-3階躍光纖、漸變光纖和單模光纖折射率的分布

圖8-3階躍光纖、漸變光纖和單模光纖折射率的分布2022/12/97實(shí)際設(shè)計(jì)與使用的光纖，其性能也各不相同。單模光纖頻帶極寬，而漸變折射率光纖的信息容量較大，且處理簡(jiǎn)便。當(dāng)需要從光源處收集盡可能多的光能時(shí)，則使用粗芯階躍折射率多模光纖比較合適。因此，通常在短距離、低數(shù)據(jù)率通信系統(tǒng)中使用多模階躍光纖；在長(zhǎng)距離、高數(shù)據(jù)率通信系統(tǒng)中使用單模光纖或漸變折射率多模光纖。在光纖傳感應(yīng)用中，光強(qiáng)度調(diào)制型或傳光型光纖傳感器絕大多數(shù)采用多模（階躍或漸變折射率）光纖。相位調(diào)制型和偏振態(tài)凋制型光纖傳感器采用單模光纖，例如，滿足特殊要求的保偏光纖、低雙折射光纖、高雙折射光纖等。2022/12/97實(shí)際設(shè)計(jì)與使用的光纖，其性能也各不相同。2022/12/988.1.3光纖傳輸特性光纖的衰減（或損耗）和色散（或帶寬）是描述光纖傳輸特性的兩個(gè)重要參量。8.1.3.1光纖的損耗光纖的損耗主要包括吸收損耗、散射損耗和微擾損耗，這里主要介紹前2種。（1）吸收損耗玻璃材料的吸收損耗主要是由它們所含的過渡金屬離子所造成的（如銅、鐵、鉻等正離子）。此外氫氧根（OH-）引起的吸收損耗亦是極為重要的因素。2022/12/988.1.3光纖傳輸特性（1）吸收損耗（2）散射損耗一切透明物體都具有因密度不均勻而引起的折射率不均勻，因而使光向各個(gè)方向散射造成光能量的損耗，這種散射稱為瑞利散射，它代表了光纖損耗的最低極限。當(dāng)波長(zhǎng)小于0.8μm時(shí)，瑞利散射引起的損耗隨波長(zhǎng)的縮短而明顯增加。因此目前使用的石英玻璃光纖，其使用波段限于0.8~1.7μm波段之間。此外，光纖在制造過程中造成的缺陷，如纖芯與包層的界面不規(guī)則、光纖粗細(xì)不均勻等都會(huì)引起模式耦合而使一部分能量轉(zhuǎn)移到輻射模而逸出纖芯，造成散射損耗。光纖彎曲時(shí)亦會(huì)引起模式耦合而造成“彎曲損耗”。（2）散射損耗此外，光纖在制造過程中造成的缺陷，如纖芯與包層8.1.3.2光纖的色散與脈沖展寬光纖色散是指輸入光脈沖在光纖中傳輸時(shí)，產(chǎn)生的光脈沖展寬的現(xiàn)象。色散的存在使傳輸?shù)男盘?hào)脈沖發(fā)生畸變，從而限制了光纖的傳輸帶寬。光纖色散可分為三種：即材料色散、波導(dǎo)色散和模間色散。前兩種色散通常均稱為模內(nèi)色散。（1）模間色散（2）材料色散光纖中光的傳播速度與纖芯介質(zhì)的折射率n1有關(guān)，而對(duì)于不同波長(zhǎng)的光其折射率是不同的。與模間色散相比，材料色散要小得多。（3）波導(dǎo)色散波導(dǎo)色散比材料色散小得多，在0.85μm波長(zhǎng)附近約小一個(gè)數(shù)量級(jí)。在1.25μm波長(zhǎng)附近，材料色散顯著減小，兩者大致相同。（4）光纖的沖擊響應(yīng)與脈沖展寬光纖的帶寬（或脈沖展寬）是表征光纖傳輸特性的一個(gè)重要參數(shù)，它決定了光纖正確地傳輸脈沖信息的最高速率（即信息容量）。8.1.3.2光纖的色散與脈沖展寬8.1.4單模光纖的偏振與模式雙折射由于光纖制造過程中的不確定性因素、光纖的不圓程度、內(nèi)應(yīng)力的不均勻程度；來自外部的壓力、環(huán)境溫度的變化，敷設(shè)時(shí)產(chǎn)生的彎曲等等，都會(huì)對(duì)光纖造成偏振模色散（一種模間色散）。8.1.5光纖的連接耦合技術(shù)8.1.5.1光纖的拉制①“雙坩堝法”拉制②現(xiàn)代多數(shù)低損耗光纖大多用化學(xué)汽相沉積法（CVD）或改進(jìn)化學(xué)汽相沉積法（MCVD）制造8.1.5.2光纖的連接 對(duì)光纖傳感器來說，互連引起的插入損耗也可能要占光纖傳感器總損耗的大部分互連可分成三類：①連接器—用于光纖之間或光纖與某個(gè)元器件之間的互連；②固定接頭—用于兩根光纖之間或光纖與某個(gè)元器件之間的熔接或永久性連接；③耦合器連接。8.1.4單模光纖的偏振與模式雙折射8.1.5光纖的2022/12/912（1）光纖連接損耗在光纖連接器和固定接頭中，功率損耗可分成兩類：固有損耗和附加損耗。階躍折射率光纖的端面間隙將引起附加損耗，端面間隙對(duì)耦合損耗的影響也與數(shù)值孔徑有關(guān)。數(shù)值孔徑越大，未入射到接收光纖纖芯中的光所占的百分比越大。對(duì)光纖傳感器使用的光纖，NA大多接近于0.15。10%的纖芯直徑偏差只產(chǎn)生0.2dB的損耗。而纖芯直徑一半的端面間隙將產(chǎn)生0.7dB左右的耦合損耗。如果是固定接頭，則不存在這種損耗。2022/12/912（1）光纖連接損耗2022/12/9138.1.5.3光纖固定接頭光纖固定接頭是一種永久性的連接，其基本要求是：以最短的時(shí)間與最低的成本獲得最低的穩(wěn)定插入損耗。光纖熔焊固定接頭技術(shù)是所有光纖接頭中性能最穩(wěn)定，應(yīng)用最普遍的一種。8.1.5.4光纖定向耦合器光耦合器是一種用于傳送和分配光信號(hào)的無源器件。1耦合器的分類（1）透射型M×N耦合器（2）反射型1×N耦合器由N個(gè)端口中任何一個(gè)端口輸入的光信號(hào)都將技一定比例分配至其它所有端口輸出。（3）透反型M×N耦合器2耦合器的基本工作原理耦合器的工作原理可由模式耦合理論來說明（單模光纖），也可由光纖的彎曲損耗理論來分析（多模光纖）。2022/12/9138.1.5.3光纖固定接頭2耦合器2022/12/9143耦合器性能參數(shù)及制備方法

耦合器的性能可從以下幾個(gè)方面來描述。

（1）耦合比：表示由輸入信道i耦合到指定輸出信道j的功率大小，定義為輸出信道功率與輸入功率之比（8.1-28）（2）附加損耗：表示由耦合器帶來的損耗，定義為輸出信道功率之和與輸入功率之比（8.1-29）（3）信道插入損耗：表示由輸入信道i至指定信道j的損耗，定義為（8.1-30）(4)隔離比：表示透射式耦合器中同側(cè)端口之間的隔離程度，定義為由非指定輸出信道k測(cè)得的功率與輸入信道i功率之比，以分貝表示為（8.1-31）回波損耗：表示由輸入信道返回功率的大小，定義為信道返回信道返回功率與輸入功率之比（8.1-32）耦合器的制備方法主要有三種（1）浸濕法（2）磨削法（3）熔錐法。2022/12/9143耦合器性能參數(shù)及制備方法（8.12022/12/915§8.2光纖傳感器的原理與實(shí)現(xiàn) 光纖傳感器按被調(diào)制的光波參數(shù)不同又可分為強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器、相位調(diào)制光纖傳感器、頻率調(diào)制光纖傳感器、偏振調(diào)制光纖傳感器和波長(zhǎng)（顏色）調(diào)制光纖傳感器。光纖傳感器按檢測(cè)對(duì)象的不同、又可分為光纖溫度傳感器、光纖位移傳感器、光纖濃度傳感器、光纖電流傳感器、光纖流速傳感器等。2022/12/915§8.2光纖傳感器的原理與實(shí)現(xiàn) 2022/12/916傳感器光學(xué)現(xiàn)象被測(cè)量光纖分類干涉型相位調(diào)制光纖傳感器干涉（磁致伸縮）干涉（電致伸縮）SFFgnFFe效應(yīng)光彈效應(yīng)干涉電流、磁場(chǎng)電場(chǎng)、電壓角速度振動(dòng)、壓力、加速度、位移溫度SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PMFFFFFFFFFF非干涉型強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器遮光板遮斷光路

半導(dǎo)體透射率的變化熒光輻射、黑體輻射光纖微彎損耗振動(dòng)膜或液晶的反射氣體分子吸收光纖漏泄膜溫度、振動(dòng)、壓力、加速度、位移MMNF溫度MMNF溫度MMNF振動(dòng)、壓力、加速度、位移SMNF振動(dòng)、壓力、位移MMNF氣體濃度MM

NF

液位MMNF偏振調(diào)制光纖傳感器法拉第效應(yīng)泡克爾斯效應(yīng)雙折射變化光彈效應(yīng)電流、磁場(chǎng)電場(chǎng)、電壓溫度振動(dòng)、壓力、加速度、位移SMMMSMMM

NF、FFNFNF頻率調(diào)制光纖傳感器多普勒效應(yīng)受激喇曼散射光致發(fā)光速度、流速、振動(dòng)、加速度氣體濃度溫度MMMMMMNFNFNF2022/12/916傳感器光學(xué)現(xiàn)象被測(cè)量光纖分類干涉（磁致2022/12/917

8.2.1強(qiáng)度調(diào)制傳感器

強(qiáng)度調(diào)制方式很多，大致分為以下幾種：反射式強(qiáng)度調(diào)制、投射式強(qiáng)度調(diào)制、光模式強(qiáng)度調(diào)制以及折射率和吸收系數(shù)強(qiáng)度調(diào)制等。一般透射式、反射式和折射率強(qiáng)度調(diào)制稱為外調(diào)制式，光模是稱為內(nèi)調(diào)制模式。圖8.2-1強(qiáng)度調(diào)制原理2022/12/9178.2.1強(qiáng)度調(diào)制傳感器2022/12/9182022/12/9182022/12/9192022/12/9192022/12/9202022/12/9202022/12/921

2.反射式強(qiáng)度調(diào)制

這種光強(qiáng)度調(diào)制大致有單光纖、雙光纖及傳光束等形式。圖8.2-5光柵遮光屏透射式調(diào)制透光周期性變化圖8.2-6反射式強(qiáng)度調(diào)制2022/12/9212.反射式強(qiáng)度調(diào)制圖8.2-52022/12/9223．其它光強(qiáng)度調(diào)制方式利用光纖微彎產(chǎn)生損耗進(jìn)行光強(qiáng)度調(diào)制：當(dāng)光纖受到彎曲后，有少量的芯模能量會(huì)轉(zhuǎn)換成包層模能量而損失掉，通過測(cè)量包層?；蛐灸Ｄ芰康淖兓瞳@得外界待測(cè)物理量的變化。。利用折射率變化的光強(qiáng)度調(diào)制：折射率變化的光調(diào)制是利用光纖芯的化學(xué)性質(zhì)。光纖的吸收實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)度調(diào)制：光纖的吸收指的是在光纖芯中摻入產(chǎn)生吸收光譜的材料（如選用鉛玻璃制成光纖），若有諸如x射線、γ射線輻射到鉛玻璃光纖上，則由于光纖的吸收損耗的增大導(dǎo)致輸出功率的降低，也就產(chǎn)生了這種吸收構(gòu)成的光強(qiáng)度調(diào)制的光纖輻射量傳感器。利用數(shù)字編碼技術(shù)的光強(qiáng)度調(diào)制：用線性或轉(zhuǎn)動(dòng)的數(shù)字編碼技術(shù)，能有效地消除長(zhǎng)期漂移和光強(qiáng)變化對(duì)強(qiáng)度調(diào)制帶來的誤差影響。2022/12/9223．其它光強(qiáng)度調(diào)制方式2022/12/9238.2.2相位調(diào)制光纖傳感器

相位調(diào)制光纖傳感器的基本原理是：通過被測(cè)能量場(chǎng)的作用，使光纖內(nèi)傳播的光波相位發(fā)生變化，再用干涉測(cè)量技術(shù)把相位變化轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)度變化，從而檢測(cè)出待測(cè)的物理量。

與其它調(diào)制方式相比，相位調(diào)制技術(shù)由于采用干涉技術(shù)而具有很高的檢靈敏度，對(duì)溫度為，對(duì)壓力，對(duì)應(yīng)變（軸向）為。如果信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)可以檢測(cè)（一般式這個(gè)數(shù)量級(jí)）的相位移，那么，每米光纖的檢測(cè)靈敏度對(duì)溫度為對(duì)壓力為，對(duì)應(yīng)變?yōu)椤?dòng)態(tài)測(cè)量范圍大，可達(dá)，且探頭形式靈活多樣，適用于不同的測(cè)試環(huán)境，同時(shí)響應(yīng)速度也快。2022/12/9238.2.2相位調(diào)制光纖傳感器2022/12/924

當(dāng)光纖受到縱向（軸向）的機(jī)械應(yīng)力作用時(shí)，光纖的長(zhǎng)度、芯徑和纖芯折射率都將發(fā)生變化，這些變化將導(dǎo)致光波的相位變化。

光波通過長(zhǎng)度為L(zhǎng)的光纖后，出射光波的相位延遲為（8.2-2）

式中，為光波在光纖中的傳播常數(shù)，是光波在光纖中的傳播長(zhǎng)，是光波在真空中的傳播波長(zhǎng)。那么，光波在外界因素的作用下，相位的變化可以寫成如下形式（8.2-3）

式中，a為光纖芯的半徑；第一項(xiàng)表示由光纖長(zhǎng)度變化引起的相位延遲（應(yīng)變效應(yīng)）；第二項(xiàng)表示感應(yīng)折射率變化引起的相位延遲（光隙效應(yīng)）；第三項(xiàng)則表示光纖的半徑改變所產(chǎn)生的相位延遲（泊松效應(yīng)）。2022/12/924當(dāng)光纖受到縱向（軸向）的機(jī)2022/12/925實(shí)現(xiàn)縱向、徑向應(yīng)變最簡(jiǎn)便的方法是，采用一個(gè)空心的壓電陶瓷圓柱筒（PZT），在這個(gè)圓柱筒上纏繞一圈或多圈光纖，并在其徑向或軸向施加驅(qū)動(dòng)信號(hào)。對(duì)于光彈效應(yīng)，為了加強(qiáng)其效應(yīng)，通常采用大費(fèi)爾德常數(shù)材料作光纖包層，并把光纖繞在PZT圓筒上。利用光纖的光彈效應(yīng)可構(gòu)成相位調(diào)制的干涉型光纖水聽器及壓力、扳動(dòng)等光纖傳感器。溫度應(yīng)變效應(yīng)與應(yīng)力應(yīng)變效應(yīng)相似。若光纖放置在變化的溫度場(chǎng)中，并把溫度場(chǎng)變化等效為作用力F時(shí)，那么作用力F將同時(shí)影響光纖折射率n和長(zhǎng)度L的變化。下面將介紹幾種常用的光纖相位干涉儀。2022/12/925實(shí)現(xiàn)縱向、徑向應(yīng)變最簡(jiǎn)便的方法是，采用2022/12/926一、邁克爾遜（M5chlsM）光纖干涉儀圖8。2-7光纖邁克爾遜干涉儀的原理圖

和普通光學(xué)干涉儀相比，圖中以一個(gè)3dB耦合器取代了分離器，光纖光程取代了空氣光程，而且一敏感光纖作為相位調(diào)制元件。這種全光纖結(jié)構(gòu)不僅避免了非待測(cè)場(chǎng)的干擾影響，而且免除了每次測(cè)量要調(diào)光路準(zhǔn)直等繁瑣的工作，使其更適于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，更接近實(shí)用化。2022/12/926一、邁克爾遜（M5chlsM）光纖干涉2022/12/927二、馬赫-澤德（Mach-Zehder）光纖干涉儀圖8.2-8表示馬赫-澤德全光纖干涉儀的基本結(jié)構(gòu)，它的兩個(gè)臂都使用光纖，且光的分路與合路也都是用3dB光纖耦合器。圖8.2-8馬赫-澤德全光纖干涉儀2022/12/927二、馬赫-澤德（Mach-Zehder2022/12/928三、法布里-珀羅光纖干涉儀

圖8.2-9法布里-珀羅光纖干涉儀法布里-珀羅光纖干涉儀如圖所示。它與一般法布里-珀羅光纖干涉儀的區(qū)別在于以光纖光程替代了空氣光程，以光纖特性變化來調(diào)制相位代替了以傳感器控制反射鏡那個(gè)實(shí)現(xiàn)了調(diào)相。2022/12/928三、法布里-珀羅光纖干涉儀2022/12/929四、賽格納克（Sagnac）光纖干涉儀

把這種干涉儀裝在一個(gè)可繞垂直于光束平面軸旋轉(zhuǎn)的平臺(tái)上，且平臺(tái)已角速度?轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)賽格納克效應(yīng)，兩束傳播方向到達(dá)探測(cè)器的延遲不同。若平臺(tái)以順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，則在順時(shí)針方向的傳播的光較逆方向傳播的光延遲大。這個(gè)相位延遲量可表示為

（8.2-4）

式中，A是光路圍成的面積；C是真空中的光束；是真空中的光波長(zhǎng)。這樣，通過探測(cè)器檢測(cè)干涉光強(qiáng)的變化，以便確定旋轉(zhuǎn)角速度。2022/12/929四、賽格納克（Sagnac）光纖干涉儀2022/12/9302022/12/9302022/12/931

光纖陀螺儀的結(jié)構(gòu)如圖8.2-11所示。其靈敏度比空氣光程的賽格納克干涉儀要高出若干個(gè)數(shù)量級(jí)。首先是由于采用若干圈光纖增加了干涉儀環(huán)的有效面積，其次是由于利用了電子探測(cè)技術(shù)。其相移表達(dá)式為（8.2-5）式中，N是光纖環(huán)的匝數(shù)。圖8.2-11光纖陀螺儀結(jié)構(gòu)及原理2022/12/931光纖陀螺儀的結(jié)構(gòu)如圖8.22022/12/9328.2.3頻率調(diào)制光纖傳感器

采用頻率調(diào)制技術(shù)可以對(duì)有限的幾個(gè)物理量進(jìn)行測(cè)量。它主要是利用運(yùn)動(dòng)物體反射或散射光的多普勒效應(yīng)來檢測(cè)其運(yùn)動(dòng)速度。當(dāng)然，頻率調(diào)制還有一些其他方法，如某些材料的吸收和熒光現(xiàn)象隨外界參量也發(fā)生頻率變化，以及量子相互作用產(chǎn)生的布里淵和喇曼散射也是一種頻率調(diào)制現(xiàn)象。這里主要討論光纖多普勒傳感器的頻率調(diào)制機(jī)理。

當(dāng)光源和觀察者做相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者接收到光頻率和光源發(fā)射的頻率不同，這種現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)。設(shè)光源和觀察者處于同一位置。如果頻率的光照射在相對(duì)光速度為v的運(yùn)動(dòng)物體上，那么觀察者接收的運(yùn)動(dòng)物體反射光頻率f為（8-38）

式中，c是真空中的光速；是光源至觀察者方向與運(yùn)動(dòng)方向的夾角。

多普勒效應(yīng)廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、氣象、光學(xué)、聲學(xué)以及核物理學(xué)等領(lǐng)域，大多用于測(cè)量物體運(yùn)動(dòng)速度，液體的流量、流速等。光學(xué)多普勒位移檢測(cè)方法，具有高的靈敏度。例如，用He-Ne激光器做光源，運(yùn)動(dòng)速度為1m/s的頻移達(dá)1.6MHZ，可測(cè)速度范圍為。2022/12/9328.2.3頻率調(diào)制光纖傳感器2022/12/933

圖8.2-13光纖多普勒測(cè)速裝置2022/12/9332022/12/9348.2.4偏振調(diào)制光纖傳感器在許多光纖系統(tǒng)中．尤其是包含單模光纖的那些系統(tǒng)，偏振起著重要作用。許多物理效應(yīng)都會(huì)影響或改變光的偏振狀態(tài)，有些效應(yīng)可引起雙折射現(xiàn)象。所謂“雙折射現(xiàn)象”，就是對(duì)于光學(xué)性質(zhì)隨方向而異的一些晶體，一束入射光常分解為兩束折射光的現(xiàn)象。光通過雙折射媒質(zhì)的相位延遲是輸入光偏振狀態(tài)的函數(shù)。光纖偏振調(diào)制技術(shù)可用于溫度、壓力、振動(dòng)、機(jī)械形變、電流和電場(chǎng)等檢測(cè)。然而，目前主要應(yīng)用還是監(jiān)測(cè)強(qiáng)電流。這里將側(cè)重介紹幾種在偏振調(diào)制中常用的物理效應(yīng)并討論其偏振調(diào)制機(jī)制。2022/12/9348.2.4偏振調(diào)制光纖傳感器2022/12/935

1.法拉第磁光旋轉(zhuǎn)效應(yīng)

法拉第磁光旋轉(zhuǎn)式一種磁感應(yīng)旋光性。在磁場(chǎng)作用下，對(duì)于線性輸入偏振通常光矢量的旋轉(zhuǎn)角來表示，即

（8.2-7）

式中，：賽德爾（Verdet）常數(shù)；L：光在物質(zhì)中通過的距離；B：磁感應(yīng)強(qiáng)度。

若有電流I通過繞有N匝光纖的長(zhǎng)直導(dǎo)線，則法拉第旋轉(zhuǎn)角為

（8.2-10）

利用式（8.2-7）就可以制作光纖電流傳感器。根據(jù)式（8.2-10）則可以制作光纖磁場(chǎng)傳感器。2022/12/9351.法拉第磁光旋轉(zhuǎn)效應(yīng)2022/12/9362.克爾電光效應(yīng)

克爾電光效應(yīng)是一種電感應(yīng)雙折射的二級(jí)（平方）電光效應(yīng)。由光的雙折射現(xiàn)象得知（8.2-11）

式中，折射率變化，光折率，光折射率，K;克爾系統(tǒng)，

：光波在真空的波長(zhǎng)，E：外加場(chǎng)強(qiáng)度。

線偏振光沿著與電場(chǎng)垂直的方向通知通過克爾盒時(shí)即會(huì)分解成兩束線偏振光，其中一束為o光矢量；另一束為e光矢量，其光矢量與電場(chǎng)垂直。

若外電壓為u,克爾盒中光程場(chǎng)為L(zhǎng)，電場(chǎng)兩極距離為d，則折射率各異的這兩束線偏振光通過克爾盒后產(chǎn)生的相位差為（8.2-12）

若檢測(cè)器與起偏器正交，且與電場(chǎng)方向成45?夾角，則射出光波的光強(qiáng)為（8.2-13）

克爾效應(yīng)是極為快速的可認(rèn)為是瞬間發(fā)生的電光效應(yīng)，也是材料中最為普通的非線性效應(yīng)。2022/12/9362.克爾電光效應(yīng)（8.2-11）2022/12/9373.光彈性效應(yīng)

光彈性效應(yīng)又稱應(yīng)力雙折射。垂直于光波傳播k的方向施加應(yīng)力（壓力或張力）時(shí)，則應(yīng)力方向的折射率會(huì)和其它方向不同。若應(yīng)力方向上的偏振光率為；對(duì)應(yīng)垂直方向上的偏振光的折射率為，在此前提下的折射率的變化與外加壓強(qiáng)p的關(guān)系為

（8.2-14）式中，k:物質(zhì)的壓強(qiáng)光學(xué)系數(shù)。若光波通過的物質(zhì)（如鈮酸鋰等）厚度為L(zhǎng)，則差生的相位差為

（8.2-15）相應(yīng)的出射光強(qiáng)為

（8.2-16）

無論是靜態(tài)還是動(dòng)態(tài)應(yīng)用，光彈性效應(yīng)都可以用作檢測(cè)壓力，應(yīng)變等諸如構(gòu)成壓力、聲（水聽器）、振動(dòng)和位移等光纖傳感器。2022/12/9373.光彈性效應(yīng)光彈性效應(yīng)2022/12/938

圖8.2-14光波偏振測(cè)電流5.光波偏振態(tài)的檢測(cè)

光波偏振態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)有兩部分組成。一部分將光波偏振面旋轉(zhuǎn)的角度信息轉(zhuǎn)變?yōu)楣馓綔y(cè)器所能接收的光強(qiáng)信息，另一部分則是從光強(qiáng)信息中識(shí)別出外界的被測(cè)信息。2022/12/938圖8.2-14光波偏振測(cè)電流5.光2022/12/9398.2.5波長(zhǎng)調(diào)制光纖傳感器所謂波長(zhǎng)（顏色）調(diào)制，就是利用外界被測(cè)對(duì)象改變光纖中光的波長(zhǎng)，通過檢測(cè)波長(zhǎng)的變化來測(cè)量各種物理量（被測(cè)對(duì)象）。1．利用熱色物質(zhì)的顏色變化的波長(zhǎng)調(diào)制與檢測(cè)

2022/12/9398.2.5波長(zhǎng)調(diào)制光纖傳感器2022/12/9402.利用黑體輻射的波長(zhǎng)調(diào)制與檢測(cè)

對(duì)于“理想黑體”，輻射腔發(fā)射的光譜輻射可用普朗克公式表示（8.2-19）

式中：黑體發(fā)射的光譜輻射亮度；：第一輻射常數(shù)數(shù)，為；：第二輻射常數(shù)，為1.44；：光譜輻射波長(zhǎng)；T：黑體輻射溫度。

圖8.2-16黑體溫度測(cè)量

通過雙波長(zhǎng)或波長(zhǎng)檢測(cè)即能測(cè)出黑體的溫度，圖8.2-16為雙波長(zhǎng)檢測(cè)法原理圖。2022/12/9402.利用黑體輻射的波長(zhǎng)調(diào)制與檢測(cè)2022/12/9413.利用熒光光譜變化的波長(zhǎng)調(diào)制與檢測(cè)

該種波長(zhǎng)調(diào)制原理如圖8.2-17所示。使用紅外線激勵(lì)的熒光體

吸收LED（SiGaAs)發(fā)出的波長(zhǎng)為0.94um的光，利用反斯托克斯效應(yīng)可產(chǎn)生比激勵(lì)波長(zhǎng)更短（0.55um）的熒光。若用頻譜表示，則紅外線激勵(lì)光為，光譜中紅色，光譜中紅色譜線的光強(qiáng)隨溫度增大，而綠色譜線光強(qiáng)則隨溫度減少，是溫度的單值函數(shù)，并且與激勵(lì)光譜

基本無關(guān)，這是因?yàn)楹偷淖V線被照射譜中相同的部分所激勵(lì)。該種調(diào)制的解調(diào)（或稱檢測(cè)）的方法是雙波長(zhǎng)雙光檢測(cè)。圖8.2-17利用熒光光譜變化的波長(zhǎng)調(diào)制與檢測(cè)2022/12/9413.利用熒光光譜變化的波長(zhǎng)調(diào)制與檢測(cè)2022/12/942§8.3光纖布拉格光柵傳感器光纖布拉格光柵（FiberBraggGrating,FBG）傳感器是一種近年來發(fā)展起來的新型光纖傳感器。其基本原理是將光纖特定位置制成折射率周期分布的光柵區(qū)，于是特定波長(zhǎng)（布拉格反射光）的光波在這個(gè)區(qū)域內(nèi)將被反射。反射的中心波長(zhǎng)信號(hào)跟光柵周期和纖芯的有效折射率有關(guān)。

2022/12/942§8.3光纖布拉格光柵傳感器光纖布2022/12/943將光柵區(qū)用作傳感區(qū)，當(dāng)被傳感物質(zhì)溫度、結(jié)構(gòu)或是位置發(fā)生變化的時(shí)候，光柵的周期和纖芯模的有效折射率將會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，從而改變

Bragg中心波長(zhǎng)。通過光譜分析儀或是其它的波長(zhǎng)解調(diào)技術(shù)對(duì)反射光的Bragg波長(zhǎng)進(jìn)行檢測(cè)就可以獲得待測(cè)參量的變化情況（見圖2）。

2022/12/943將光柵區(qū)用作傳感區(qū)，當(dāng)被傳感物質(zhì)溫度、2022/12/944

將FBG傳感器用于工程監(jiān)測(cè)，其最大優(yōu)勢(shì)在于可以將具有不同柵距的布拉格光柵間隔地制作在同一根光纖上，用同一根光纖復(fù)用多個(gè)FBG傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)分布式的測(cè)量。FBG傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3。

2022/12/944將FBG傳感器用于工程監(jiān)測(cè)，其最大2022/12/945光纖Bragg光柵在橋梁、通訊、建筑、機(jī)械、醫(yī)療、航海、航天、礦業(yè)等領(lǐng)域都能發(fā)揮重要作用，所以具有廣闊的應(yīng)用前景。它具有體積小、重量輕、與光纖兼容、插入損耗低、性能長(zhǎng)期穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。特別適合在易燃，易爆，和強(qiáng)電磁等惡劣環(huán)境下使用。

FBG技術(shù)的特點(diǎn)：測(cè)量精度高——FBG應(yīng)力測(cè)量精度可以達(dá)到1με，溫度測(cè)量精度可以達(dá)到0.1℃。響應(yīng)時(shí)間短——單個(gè)FBG傳感器響應(yīng)時(shí)間小于0.01s。（時(shí)間與FBG傳感器距離監(jiān)控器實(shí)際距離有關(guān)）測(cè)量范圍大——應(yīng)變測(cè)量可以超過10000με。

2022/12/945光纖Bragg光柵在橋梁、通訊、建筑2022/12/9468.3.1

傳感原理光纖光柵的Bragg波長(zhǎng)是隨和而變化的，因此Bragg波長(zhǎng)對(duì)于外界力、熱負(fù)荷等極為敏感。應(yīng)變和壓力影響B(tài)ragg波長(zhǎng)是由于光柵周期的伸縮以及彈光效應(yīng)引起的，而溫度影響B(tài)ragg波長(zhǎng)是由于熱膨脹效應(yīng)和熱光效應(yīng)引起的。當(dāng)外界的溫度、應(yīng)力和壓力等參量發(fā)生變化時(shí)，Bragg波長(zhǎng)的變化可表示為ΔλB=2ΔneffΛ

+2neffΔΛ(8.3-2)

2022/12/9468.3.1傳感原理光纖光柵的Bra2022/12/9472022/12/9472022/12/9482022/12/9482022/12/9492022/12/9492022/12/9508.3.2

解調(diào)技術(shù)

2022/12/9508.3.2解調(diào)技術(shù)2022/12/9518.3.3

封裝增敏和復(fù)用技術(shù)由于裸的光纖光柵直徑只有125μm，在惡劣的工程環(huán)境中容易損傷，只有對(duì)其進(jìn)行保護(hù)性的封裝（如埋入襯底材料中），才能賦于光纖光柵更穩(wěn)定的性能，延長(zhǎng)其壽命傳感器才能交付使用。同時(shí)，通過設(shè)計(jì)封裝的結(jié)構(gòu)，選用不同的封裝材料，可以實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，應(yīng)力和溫度的增敏等功能，這類“功能型封裝”的研究正逐漸受到重視。布拉格光纖光柵復(fù)用傳感技術(shù)具有減少昂貴的傳感元件、降低系統(tǒng)成本、節(jié)省能量和使用空間等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)布拉格光纖光柵受到應(yīng)力作用或環(huán)境溫度改變時(shí)，它的布拉格波長(zhǎng)按照一定的規(guī)律發(fā)生漂移，也就是說布拉格光纖光柵傳感器是波長(zhǎng)唯一編碼的。當(dāng)各個(gè)光柵光譜空間必須互不重疊時(shí)，我們可以方便地將波分復(fù)用技術(shù)應(yīng)用于FBG傳感系統(tǒng)中。因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)編碼是FBG的一個(gè)重要特征，所以波分復(fù)用在復(fù)用技術(shù)中占有重要地位，但在實(shí)際的傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中，時(shí)分復(fù)用（TDM）和空分復(fù)用（SDM）技術(shù)，也有幾種混合復(fù)用技術(shù)的使用方式。

2022/12/9518.3.3封裝增敏和復(fù)用技術(shù)第八章光纖探測(cè)技術(shù)與系統(tǒng)§8.1光纖測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)

8.1.1光纖結(jié)構(gòu)

8.1.2光纖類型

8.1.3光纖傳輸特性

8.1.4單模光纖的偏振與模式雙折射

8.1.5光纖的連接耦合技術(shù)§8.2光纖傳感器的原理與實(shí)現(xiàn)

8.2.1強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器

8.2.2相位調(diào)制光纖傳感器

8.2.3頻率調(diào)制光纖傳感器

8.2.4偏振調(diào)制光纖傳感器

8.2.5波長(zhǎng)調(diào)制光纖傳感器§8.3光纖布拉格光柵傳感器

8.3.1傳感原理

8.3.2解調(diào)技術(shù)

8.3.3封裝增敏和復(fù)用技術(shù)第八章光纖探測(cè)技術(shù)與系統(tǒng)§8.1光纖測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)2022/12/953

在實(shí)際的光傳輸過程中，光纖易受外界環(huán)境因素影響，如溫度、壓力、電磁場(chǎng)等外界條件的變化將引起光纖光波參數(shù)如光強(qiáng)、相位、頻率、偏振、波長(zhǎng)等的變化。因此，測(cè)出光波參數(shù)的變化，就可以知道導(dǎo)致光波參數(shù)變化的各種物理量的大小，于是產(chǎn)生了光纖傳感技術(shù)。光纖傳感器與傳統(tǒng)的各類傳感器相比有一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，如靈敏度高，抗電磁干擾，耐腐蝕，電絕緣性好，防爆，光路有可撓曲性，便于與計(jì)算機(jī)聯(lián)接，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕，耗電少等。2022/12/92在實(shí)際的光傳輸過程中，光纖易2022/12/9548.1.1光纖結(jié)構(gòu)光纖是能夠傳輸光的纖維波導(dǎo)或光導(dǎo)纖維的簡(jiǎn)稱，如圖8.1-1所示?！?.1光纖測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)

在圖8.1-1所示具體得到光纖中，當(dāng)光線在纖芯與包層的分界面的入射角大于時(shí)，才能保證光線在纖芯內(nèi)產(chǎn)生多次全反射，使光線沿光纖傳輸。然而，內(nèi)光線的這個(gè)入射角的大小又取決于從空氣中入射的光束進(jìn)入纖芯所產(chǎn)生的折射角，因此，空氣和纖芯界面上入射光的入射角就限定了光能能否在光纖中以全反射形式傳輸。2022/12/938.1.1光纖結(jié)構(gòu)§8.1光纖測(cè)2022/12/955與內(nèi)光線入射角的臨界值相對(duì)應(yīng)，光纖入射光的入射角也有一個(gè)最大值

，當(dāng)時(shí)，入射光在光纖內(nèi)將以大于或等于的入射角在纖芯和包層界面上產(chǎn)生多次全反射。

在上述臨界條件下，空氣和纖芯界面上，入射光線滿足

（8.1-4）

式（8.1-4）中為光線由空氣進(jìn)入纖芯后的折射角，并且滿足此時(shí)內(nèi)光線在纖芯與包層的界面上發(fā)生全反射，由斯涅耳定律，有

（8.1-5）于是有

（8.1-6）定義為光纖的數(shù)值孔徑為

（8.1-7）NA是表示光纖波導(dǎo)特性的重要參數(shù)，它的平方是光纖端面集光能力的量度，反映光纖與光源或探測(cè)器等元件耦合時(shí)的耦合效率。2022/12/94與內(nèi)光線入射角的臨界值相對(duì)應(yīng)，光2022/12/9568.1.2光纖類型

8.1.2.1單模光纖和多模光纖

單模光纖只能傳輸一種模式，但這種模式可以按兩種相互正交的偏振狀態(tài)出現(xiàn)。多模光纖傳輸多種模式，往往有幾百到幾千模式。

光纖能傳導(dǎo)的模式數(shù)N可用下式計(jì)算（8.1-10）

式（8.1-10）中，是纖芯折射率的最大值；是光纖斷面折射率分布指數(shù)，它決定光纖折射率沿徑向分布的規(guī)律，為最大相對(duì)折射率差，即（8.1-11）8.1.2.2階躍折射率光纖和漸變折射率光纖

根據(jù)纖芯徑向折射率的不同，光纖又可分為階躍折射率光纖和漸變折射率光纖。

通常，單模光纖多半是階躍折射率分布，多模光纖既有階躍折射率也有漸變折射率分布。

2022/12/958.1.2光纖類型（8.1-10）圖8-3階躍光纖、漸變光纖和單模光纖折射率的分布

圖8-3階躍光纖、漸變光纖和單模光纖折射率的分布2022/12/958實(shí)際設(shè)計(jì)與使用的光纖，其性能也各不相同。單模光纖頻帶極寬，而漸變折射率光纖的信息容量較大，且處理簡(jiǎn)便。當(dāng)需要從光源處收集盡可能多的光能時(shí)，則使用粗芯階躍折射率多模光纖比較合適。因此，通常在短距離、低數(shù)據(jù)率通信系統(tǒng)中使用多模階躍光纖；在長(zhǎng)距離、高數(shù)據(jù)率通信系統(tǒng)中使用單模光纖或漸變折射率多模光纖。在光纖傳感應(yīng)用中，光強(qiáng)度調(diào)制型或傳光型光纖傳感器絕大多數(shù)采用多模（階躍或漸變折射率）光纖。相位調(diào)制型和偏振態(tài)凋制型光纖傳感器采用單模光纖，例如，滿足特殊要求的保偏光纖、低雙折射光纖、高雙折射光纖等。2022/12/97實(shí)際設(shè)計(jì)與使用的光纖，其性能也各不相同。2022/12/9598.1.3光纖傳輸特性光纖的衰減（或損耗）和色散（或帶寬）是描述光纖傳輸特性的兩個(gè)重要參量。8.1.3.1光纖的損耗光纖的損耗主要包括吸收損耗、散射損耗和微擾損耗，這里主要介紹前2種。（1）吸收損耗玻璃材料的吸收損耗主要是由它們所含的過渡金屬離子所造成的（如銅、鐵、鉻等正離子）。此外氫氧根（OH-）引起的吸收損耗亦是極為重要的因素。2022/12/988.1.3光纖傳輸特性（1）吸收損耗（2）散射損耗一切透明物體都具有因密度不均勻而引起的折射率不均勻，因而使光向各個(gè)方向散射造成光能量的損耗，這種散射稱為瑞利散射，它代表了光纖損耗的最低極限。當(dāng)波長(zhǎng)小于0.8μm時(shí)，瑞利散射引起的損耗隨波長(zhǎng)的縮短而明顯增加。因此目前使用的石英玻璃光纖，其使用波段限于0.8~1.7μm波段之間。此外，光纖在制造過程中造成的缺陷，如纖芯與包層的界面不規(guī)則、光纖粗細(xì)不均勻等都會(huì)引起模式耦合而使一部分能量轉(zhuǎn)移到輻射模而逸出纖芯，造成散射損耗。光纖彎曲時(shí)亦會(huì)引起模式耦合而造成“彎曲損耗”。（2）散射損耗此外，光纖在制造過程中造成的缺陷，如纖芯與包層8.1.3.2光纖的色散與脈沖展寬光纖色散是指輸入光脈沖在光纖中傳輸時(shí)，產(chǎn)生的光脈沖展寬的現(xiàn)象。色散的存在使傳輸?shù)男盘?hào)脈沖發(fā)生畸變，從而限制了光纖的傳輸帶寬。光纖色散可分為三種：即材料色散、波導(dǎo)色散和模間色散。前兩種色散通常均稱為模內(nèi)色散。（1）模間色散（2）材料色散光纖中光的傳播速度與纖芯介質(zhì)的折射率n1有關(guān)，而對(duì)于不同波長(zhǎng)的光其折射率是不同的。與模間色散相比，材料色散要小得多。（3）波導(dǎo)色散波導(dǎo)色散比材料色散小得多，在0.85μm波長(zhǎng)附近約小一個(gè)數(shù)量級(jí)。在1.25μm波長(zhǎng)附近，材料色散顯著減小，兩者大致相同。（4）光纖的沖擊響應(yīng)與脈沖展寬光纖的帶寬（或脈沖展寬）是表征光纖傳輸特性的一個(gè)重要參數(shù)，它決定了光纖正確地傳輸脈沖信息的最高速率（即信息容量）。8.1.3.2光纖的色散與脈沖展寬8.1.4單模光纖的偏振與模式雙折射由于光纖制造過程中的不確定性因素、光纖的不圓程度、內(nèi)應(yīng)力的不均勻程度；來自外部的壓力、環(huán)境溫度的變化，敷設(shè)時(shí)產(chǎn)生的彎曲等等，都會(huì)對(duì)光纖造成偏振模色散（一種模間色散）。8.1.5光纖的連接耦合技術(shù)8.1.5.1光纖的拉制①“雙坩堝法”拉制②現(xiàn)代多數(shù)低損耗光纖大多用化學(xué)汽相沉積法（CVD）或改進(jìn)化學(xué)汽相沉積法（MCVD）制造8.1.5.2光纖的連接 對(duì)光纖傳感器來說，互連引起的插入損耗也可能要占光纖傳感器總損耗的大部分互連可分成三類：①連接器—用于光纖之間或光纖與某個(gè)元器件之間的互連；②固定接頭—用于兩根光纖之間或光纖與某個(gè)元器件之間的熔接或永久性連接；③耦合器連接。8.1.4單模光纖的偏振與模式雙折射8.1.5光纖的2022/12/963（1）光纖連接損耗在光纖連接器和固定接頭中，功率損耗可分成兩類：固有損耗和附加損耗。階躍折射率光纖的端面間隙將引起附加損耗，端面間隙對(duì)耦合損耗的影響也與數(shù)值孔徑有關(guān)。數(shù)值孔徑越大，未入射到接收光纖纖芯中的光所占的百分比越大。對(duì)光纖傳感器使用的光纖，NA大多接近于0.15。10%的纖芯直徑偏差只產(chǎn)生0.2dB的損耗。而纖芯直徑一半的端面間隙將產(chǎn)生0.7dB左右的耦合損耗。如果是固定接頭，則不存在這種損耗。2022/12/912（1）光纖連接損耗2022/12/9648.1.5.3光纖固定接頭光纖固定接頭是一種永久性的連接，其基本要求是：以最短的時(shí)間與最低的成本獲得最低的穩(wěn)定插入損耗。光纖熔焊固定接頭技術(shù)是所有光纖接頭中性能最穩(wěn)定，應(yīng)用最普遍的一種。8.1.5.4光纖定向耦合器光耦合器是一種用于傳送和分配光信號(hào)的無源器件。1耦合器的分類（1）透射型M×N耦合器（2）反射型1×N耦合器由N個(gè)端口中任何一個(gè)端口輸入的光信號(hào)都將技一定比例分配至其它所有端口輸出。（3）透反型M×N耦合器2耦合器的基本工作原理耦合器的工作原理可由模式耦合理論來說明（單模光纖），也可由光纖的彎曲損耗理論來分析（多模光纖）。2022/12/9138.1.5.3光纖固定接頭2耦合器2022/12/9653耦合器性能參數(shù)及制備方法

耦合器的性能可從以下幾個(gè)方面來描述。

（1）耦合比：表示由輸入信道i耦合到指定輸出信道j的功率大小，定義為輸出信道功率與輸入功率之比（8.1-28）（2）附加損耗：表示由耦合器帶來的損耗，定義為輸出信道功率之和與輸入功率之比（8.1-29）（3）信道插入損耗：表示由輸入信道i至指定信道j的損耗，定義為（8.1-30）(4)隔離比：表示透射式耦合器中同側(cè)端口之間的隔離程度，定義為由非指定輸出信道k測(cè)得的功率與輸入信道i功率之比，以分貝表示為（8.1-31）回波損耗：表示由輸入信道返回功率的大小，定義為信道返回信道返回功率與輸入功率之比（8.1-32）耦合器的制備方法主要有三種（1）浸濕法（2）磨削法（3）熔錐法。2022/12/9143耦合器性能參數(shù)及制備方法（8.12022/12/966§8.2光纖傳感器的原理與實(shí)現(xiàn) 光纖傳感器按被調(diào)制的光波參數(shù)不同又可分為強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器、相位調(diào)制光纖傳感器、頻率調(diào)制光纖傳感器、偏振調(diào)制光纖傳感器和波長(zhǎng)（顏色）調(diào)制光纖傳感器。光纖傳感器按檢測(cè)對(duì)象的不同、又可分為光纖溫度傳感器、光纖位移傳感器、光纖濃度傳感器、光纖電流傳感器、光纖流速傳感器等。2022/12/915§8.2光纖傳感器的原理與實(shí)現(xiàn) 2022/12/967傳感器光學(xué)現(xiàn)象被測(cè)量光纖分類干涉型相位調(diào)制光纖傳感器干涉（磁致伸縮）干涉（電致伸縮）SFFgnFFe效應(yīng)光彈效應(yīng)干涉電流、磁場(chǎng)電場(chǎng)、電壓角速度振動(dòng)、壓力、加速度、位移溫度SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PMFFFFFFFFFF非干涉型強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器遮光板遮斷光路

半導(dǎo)體透射率的變化熒光輻射、黑體輻射光纖微彎損耗振動(dòng)膜或液晶的反射氣體分子吸收光纖漏泄膜溫度、振動(dòng)、壓力、加速度、位移MMNF溫度MMNF溫度MMNF振動(dòng)、壓力、加速度、位移SMNF振動(dòng)、壓力、位移MMNF氣體濃度MM

NF

液位MMNF偏振調(diào)制光纖傳感器法拉第效應(yīng)泡克爾斯效應(yīng)雙折射變化光彈效應(yīng)電流、磁場(chǎng)電場(chǎng)、電壓溫度振動(dòng)、壓力、加速度、位移SMMMSMMM

NF、FFNFNF頻率調(diào)制光纖傳感器多普勒效應(yīng)受激喇曼散射光致發(fā)光速度、流速、振動(dòng)、加速度氣體濃度溫度MMMMMMNFNFNF2022/12/916傳感器光學(xué)現(xiàn)象被測(cè)量光纖分類干涉（磁致2022/12/968

8.2.1強(qiáng)度調(diào)制傳感器

強(qiáng)度調(diào)制方式很多，大致分為以下幾種：反射式強(qiáng)度調(diào)制、投射式強(qiáng)度調(diào)制、光模式強(qiáng)度調(diào)制以及折射率和吸收系數(shù)強(qiáng)度調(diào)制等。一般透射式、反射式和折射率強(qiáng)度調(diào)制稱為外調(diào)制式，光模是稱為內(nèi)調(diào)制模式。圖8.2-1強(qiáng)度調(diào)制原理2022/12/9178.2.1強(qiáng)度調(diào)制傳感器2022/12/9692022/12/9182022/12/9702022/12/9192022/12/9712022/12/9202022/12/972

2.反射式強(qiáng)度調(diào)制

這種光強(qiáng)度調(diào)制大致有單光纖、雙光纖及傳光束等形式。圖8.2-5光柵遮光屏透射式調(diào)制透光周期性變化圖8.2-6反射式強(qiáng)度調(diào)制2022/12/9212.反射式強(qiáng)度調(diào)制圖8.2-52022/12/9733．其它光強(qiáng)度調(diào)制方式利用光纖微彎產(chǎn)生損耗進(jìn)行光強(qiáng)度調(diào)制：當(dāng)光纖受到彎曲后，有少量的芯模能量會(huì)轉(zhuǎn)換成包層模能量而損失掉，通過測(cè)量包層?；蛐灸Ｄ芰康淖兓瞳@得外界待測(cè)物理量的變化。。利用折射率變化的光強(qiáng)度調(diào)制：折射率變化的光調(diào)制是利用光纖芯的化學(xué)性質(zhì)。光纖的吸收實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)度調(diào)制：光纖的吸收指的是在光纖芯中摻入產(chǎn)生吸收光譜的材料（如選用鉛玻璃制成光纖），若有諸如x射線、γ射線輻射到鉛玻璃光纖上，則由于光纖的吸收損耗的增大導(dǎo)致輸出功率的降低，也就產(chǎn)生了這種吸收構(gòu)成的光強(qiáng)度調(diào)制的光纖輻射量傳感器。利用數(shù)字編碼技術(shù)的光強(qiáng)度調(diào)制：用線性或轉(zhuǎn)動(dòng)的數(shù)字編碼技術(shù)，能有效地消除長(zhǎng)期漂移和光強(qiáng)變化對(duì)強(qiáng)度調(diào)制帶來的誤差影響。2022/12/9223．其它光強(qiáng)度調(diào)制方式2022/12/9748.2.2相位調(diào)制光纖傳感器

相位調(diào)制光纖傳感器的基本原理是：通過被測(cè)能量場(chǎng)的作用，使光纖內(nèi)傳播的光波相位發(fā)生變化，再用干涉測(cè)量技術(shù)把相位變化轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)度變化，從而檢測(cè)出待測(cè)的物理量。

與其它調(diào)制方式相比，相位調(diào)制技術(shù)由于采用干涉技術(shù)而具有很高的檢靈敏度，對(duì)溫度為，對(duì)壓力，對(duì)應(yīng)變（軸向）為。如果信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)可以檢測(cè)（一般式這個(gè)數(shù)量級(jí)）的相位移，那么，每米光纖的檢測(cè)靈敏度對(duì)溫度為對(duì)壓力為，對(duì)應(yīng)變?yōu)?。?dòng)態(tài)測(cè)量范圍大，可達(dá)，且探頭形式靈活多樣，適用于不同的測(cè)試環(huán)境，同時(shí)響應(yīng)速度也快。2022/12/9238.2.2相位調(diào)制光纖傳感器2022/12/975

當(dāng)光纖受到縱向（軸向）的機(jī)械應(yīng)力作用時(shí)，光纖的長(zhǎng)度、芯徑和纖芯折射率都將發(fā)生變化，這些變化將導(dǎo)致光波的相位變化。

光波通過長(zhǎng)度為L(zhǎng)的光纖后，出射光波的相位延遲為（8.2-2）

式中，為光波在光纖中的傳播常數(shù)，是光波在光纖中的傳播長(zhǎng)，是光波在真空中的傳播波長(zhǎng)。那么，光波在外界因素的作用下，相位的變化可以寫成如下形式（8.2-3）

式中，a為光纖芯的半徑；第一項(xiàng)表示由光纖長(zhǎng)度變化引起的相位延遲（應(yīng)變效應(yīng)）；第二項(xiàng)表示感應(yīng)折射率變化引起的相位延遲（光隙效應(yīng)）；第三項(xiàng)則表示光纖的半徑改變所產(chǎn)生的相位延遲（泊松效應(yīng)）。2022/12/924當(dāng)光纖受到縱向（軸向）的機(jī)2022/12/976實(shí)現(xiàn)縱向、徑向應(yīng)變最簡(jiǎn)便的方法是，采用一個(gè)空心的壓電陶瓷圓柱筒（PZT），在這個(gè)圓柱筒上纏繞一圈或多圈光纖，并在其徑向或軸向施加驅(qū)動(dòng)信號(hào)。對(duì)于光彈效應(yīng)，為了加強(qiáng)其效應(yīng)，通常采用大費(fèi)爾德常數(shù)材料作光纖包層，并把光纖繞在PZT圓筒上。利用光纖的光彈效應(yīng)可構(gòu)成相位調(diào)制的干涉型光纖水聽器及壓力、扳動(dòng)等光纖傳感器。溫度應(yīng)變效應(yīng)與應(yīng)力應(yīng)變效應(yīng)相似。若光纖放置在變化的溫度場(chǎng)中，并把溫度場(chǎng)變化等效為作用力F時(shí)，那么作用力F將同時(shí)影響光纖折射率n和長(zhǎng)度L的變化。下面將介紹幾種常用的光纖相位干涉儀。2022/12/925實(shí)現(xiàn)縱向、徑向應(yīng)變最簡(jiǎn)便的方法是，采用2022/12/977一、邁克爾遜（M5chlsM）光纖干涉儀圖8。2-7光纖邁克爾遜干涉儀的原理圖

和普通光學(xué)干涉儀相比，圖中以一個(gè)3dB耦合器取代了分離器，光纖光程取代了空氣光程，而且一敏感光纖作為相位調(diào)制元件。這種全光纖結(jié)構(gòu)不僅避免了非待測(cè)場(chǎng)的干擾影響，而且免除了每次測(cè)量要調(diào)光路準(zhǔn)直等繁瑣的工作，使其更適于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，更接近實(shí)用化。2022/12/926一、邁克爾遜（M5chlsM）光纖干涉2022/12/978二、馬赫-澤德（Mach-Zehder）光纖干涉儀圖8.2-8表示馬赫-澤德全光纖干涉儀的基本結(jié)構(gòu)，它的兩個(gè)臂都使用光纖，且光的分路與合路也都是用3dB光纖耦合器。圖8.2-8馬赫-澤德全光纖干涉儀2022/12/927二、馬赫-澤德（Mach-Zehder2022/12/979三、法布里-珀羅光纖干涉儀

圖8.2-9法布里-珀羅光纖干涉儀法布里-珀羅光纖干涉儀如圖所示。它與一般法布里-珀羅光纖干涉儀的區(qū)別在于以光纖光程替代了空氣光程，以光纖特性變化來調(diào)制相位代替了以傳感器控制反射鏡那個(gè)實(shí)現(xiàn)了調(diào)相。2022/12/928三、法布里-珀羅光纖干涉儀2022/12/980四、賽格納克（Sagnac）光纖干涉儀

把這種干涉儀裝在一個(gè)可繞垂直于光束平面軸旋轉(zhuǎn)的平臺(tái)上，且平臺(tái)已角速度?轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)賽格納克效應(yīng)，兩束傳播方向到達(dá)探測(cè)器的延遲不同。若平臺(tái)以順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，則在順時(shí)針方向的傳播的光較逆方向傳播的光延遲大。這個(gè)相位延遲量可表示為

（8.2-4）

式中，A是光路圍成的面積；C是真空中的光束；是真空中的光波長(zhǎng)。這樣，通過探測(cè)器檢測(cè)干涉光強(qiáng)的變化，以便確定旋轉(zhuǎn)角速度。2022/12/929四、賽格納克（Sagnac）光纖干涉儀2022/12/9812022/12/9302022/12/982

光纖陀螺儀的結(jié)構(gòu)如圖8.2-11所示。其靈敏度比空氣光程的賽格納克干涉儀要高出若干個(gè)數(shù)量級(jí)。首先是由于采用若干圈光纖增加了干涉儀環(huán)的有效面積，其次是由于利用了電子探測(cè)技術(shù)。其相移表達(dá)式為（8.2-5）式中，N是光纖環(huán)的匝數(shù)。圖8.2-11光纖陀螺儀結(jié)構(gòu)及原理2022/12/931光纖陀螺儀的結(jié)構(gòu)如圖8.22022/12/9838.2.3頻率調(diào)制光纖傳感器

采用頻率調(diào)制技術(shù)可以對(duì)有限的幾個(gè)物理量進(jìn)行測(cè)量。它主要是利用運(yùn)動(dòng)物體反射或散射光的多普勒效應(yīng)來檢測(cè)其運(yùn)動(dòng)速度。當(dāng)然，頻率調(diào)制還有一些其他方法，如某些材料的吸收和熒光現(xiàn)象隨外界參量也發(fā)生頻率變化，以及量子相互作用產(chǎn)生的布里淵和喇曼散射也是一種頻率調(diào)制現(xiàn)象。這里主要討論光纖多普勒傳感器的頻率調(diào)制機(jī)理。

當(dāng)光源和觀察者做相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者接收到光頻率和光源發(fā)射的頻率不同，這種現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)。設(shè)光源和觀察者處于同一位置。如果頻率的光照射在相對(duì)光速度為v的運(yùn)動(dòng)物體上，那么觀察者接收的運(yùn)動(dòng)物體反射光頻率f為（8-38）

式中，c是真空中的光速；是光源至觀察者方向與運(yùn)動(dòng)方向的夾角。

多普勒效應(yīng)廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、氣象、光學(xué)、聲學(xué)以及核物理學(xué)等領(lǐng)域，大多用于測(cè)量物體運(yùn)動(dòng)速度，液體的流量、流速等。光學(xué)多普勒位移檢測(cè)方法，具有高的靈敏度。例如，用He-Ne激光器做光源，運(yùn)動(dòng)速度為1m/s的頻移達(dá)1.6MHZ，可測(cè)速度范圍為。2022/12/9328.2.3頻率調(diào)制光纖傳感器2022/12/984

圖8.2-13光纖多普勒測(cè)速裝置2022/12/9332022/12/9858.2.4偏振調(diào)制光纖傳感器在許多光纖系統(tǒng)中．尤其是包含單模光纖的那些系統(tǒng)，偏振起著重要作用。許多物理效應(yīng)都會(huì)影響或改變光的偏振狀態(tài)，有些效應(yīng)可引起雙折射現(xiàn)象。所謂“雙折射現(xiàn)象”，就是對(duì)于光學(xué)性質(zhì)隨方向而異的一些晶體，一束入射光常分解為兩束折射光的現(xiàn)象。光通過雙折射媒質(zhì)的相位延遲是輸入光偏振狀態(tài)的函數(shù)。光纖偏振調(diào)制技術(shù)可用于溫度、壓力、振動(dòng)、機(jī)械形變、電流和電場(chǎng)等檢測(cè)。然而，目前主要應(yīng)用還是監(jiān)測(cè)強(qiáng)電流。這里將側(cè)重介紹幾種在偏振調(diào)制中常用的物理效應(yīng)并討論其偏振調(diào)制機(jī)制。2022/12/9348.2.4偏振調(diào)制光纖傳感器2022/12/986

1.法拉第磁光旋轉(zhuǎn)效應(yīng)

法拉第磁光旋轉(zhuǎn)式一種磁感應(yīng)旋光性。在磁場(chǎng)作用下，對(duì)于線性輸入偏振通常光矢量的旋轉(zhuǎn)角來表示，即

（8.2-7）

式中，：賽德爾（Verdet）常數(shù)；L：光在物質(zhì)中通過的距離；B：磁感應(yīng)強(qiáng)度。

若有電流I通過繞有N匝光纖的長(zhǎng)直導(dǎo)線，則法拉第旋轉(zhuǎn)角為

（8.2-10）

利用式（8.2-7）就可以制作光纖電流傳感器。根據(jù)式（8.2-10）則可以制作光纖磁場(chǎng)傳感器。2022/12/9351.法拉第磁光旋轉(zhuǎn)效應(yīng)2022/12/9872.克爾電光效應(yīng)

克爾電光效應(yīng)是一種電感應(yīng)雙折射的二級(jí)（平方）電光效應(yīng)。由光的雙折射現(xiàn)象得知（8.2-11）

式中，折射率變化，光折率，光折射率，K;克爾系統(tǒng)，

：光波在真空的波長(zhǎng)，E：外加場(chǎng)強(qiáng)度。

線偏振光沿著與電場(chǎng)垂直的方向通知通過克爾盒時(shí)即會(huì)分解成兩束線偏振光，其中一束為o光矢量；另一束為e光矢量，其光矢量與電場(chǎng)垂直。

若外電壓為u,克爾盒中光程場(chǎng)為L(zhǎng)，電場(chǎng)兩極距離為d，則折射率各異的這兩束線偏振光通過克爾盒后產(chǎn)生的相位差為（8.2-12）

若檢測(cè)器與起偏器正交，且與電場(chǎng)方向成45?夾角，則射出光波的光強(qiáng)為（8.2-13）

克爾效應(yīng)是極為快速的可認(rèn)為是瞬間發(fā)生的電光效應(yīng)，也是材料中最為普通的非線性效應(yīng)。2022/12/9362.克爾電光效應(yīng)（8.2-11）2022/12/9883.光彈性效應(yīng)

光彈性效應(yīng)又稱應(yīng)力雙折射。垂直于光波傳播k的方向施加應(yīng)力（壓力或張力）時(shí)，則應(yīng)力方向的折射率會(huì)和其它方向不同。若應(yīng)力方向上的偏振光率為；對(duì)應(yīng)垂直方向上的偏振光的折射率為，在此前提下的折射率的變化與外加壓強(qiáng)p的關(guān)系為

（8.2-14）式中，k:物質(zhì)的壓強(qiáng)光學(xué)系數(shù)。若光波通過的物質(zhì)（如鈮酸鋰等）厚度為L(zhǎng)，則差生的相位差為

（8.2-15）相應(yīng)的出射光強(qiáng)為

（8.2-16）

無論是靜態(tài)還是動(dòng)態(tài)應(yīng)用，光彈性效應(yīng)都可以用作檢測(cè)壓力，應(yīng)變等諸如構(gòu)成壓力、聲（水聽器）、振動(dòng)和位移等光纖傳感器。2022/12/9373.光彈性效應(yīng)光彈性效應(yīng)2022/12/989

圖8.2-14光波偏振測(cè)電流5.光波偏振態(tài)的檢測(cè)

光波偏振態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)有