傳感器原理與應(yīng)用(中)課件

傳感器原理與應(yīng)用(中)傳感器原理與應(yīng)用(中)傳感器原理與應(yīng)用(中)光纖傳感技術(shù)光纖傳感器是20世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來(lái)的一種基于光導(dǎo)纖維的新型傳感器。它是光纖和光通信技術(shù)迅速發(fā)展的產(chǎn)物，它與以電為基礎(chǔ)的傳感器有本質(zhì)區(qū)別。光纖傳感器用光作為敏感信息的載體，用光纖作為傳遞敏感信息的媒質(zhì)。因此，它同時(shí)具有光纖及光學(xué)測(cè)量的特點(diǎn)。2傳感器原理與應(yīng)用(中)傳感器原理與應(yīng)用(中)傳感器原理與應(yīng)用1光纖傳感技術(shù)光纖傳感器是20世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來(lái)的一種基于光導(dǎo)纖維的新型傳感器。它是光纖和光通信技術(shù)迅速發(fā)展的產(chǎn)物，它與以電為基礎(chǔ)的傳感器有本質(zhì)區(qū)別。光纖傳感器用光作為敏感信息的載體，用光纖作為傳遞敏感信息的媒質(zhì)。因此，它同時(shí)具有光纖及光學(xué)測(cè)量的特點(diǎn)。2光纖傳感技術(shù)光纖傳感器是20世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來(lái)的一種基光纖傳感分類

光纖傳感器一般可分為兩大類：一類是功能型傳感器，又稱FF型光纖傳感器；另一類是非功能型傳感器，又稱NF型光纖傳感器。3光纖傳感分類光纖傳感器一般可分為兩大類：一類是功能型傳功能型光纖傳感這類傳感器利用光纖本身對(duì)外界被測(cè)對(duì)象具有敏感能力和檢測(cè)功能，光纖不僅起到傳光作用，而且在被測(cè)對(duì)象作用下，如光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)等光學(xué)特性得到調(diào)制，調(diào)制后的信號(hào)攜帶了被測(cè)信息。4功能型光纖傳感這類傳感器利用光纖4

全光纖型傳感器利用對(duì)外界信息具有敏感能力和檢測(cè)能力的光纖(或特殊光纖)作傳感元件，將“傳”和“感”合為一體的傳感器。光纖不僅起傳光作用，而且還利用光纖在外界因素(彎曲、相變)的作用，其光學(xué)特性(光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)等)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)“傳”和“感”的功能。因此，傳感器中光纖是連續(xù)的。信號(hào)處理光接收器光纖敏感元件光發(fā)送器5全光纖型傳感器信號(hào)處理光接收器光纖敏感元件光發(fā)送器5

拾光型光纖傳感器用光纖作為探頭，接收由被測(cè)對(duì)象輻射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纖探針、光纖激光多普勒速度計(jì)、輻射式光纖溫度傳感器光纖光柵傳感器等。信號(hào)處理光接收器光發(fā)送器光纖耦合器被測(cè)對(duì)象6拾光型光纖傳感器信號(hào)光接收器光發(fā)送器光纖耦合器被測(cè)對(duì)象非功能型光纖傳感傳光型光纖傳感器的光纖只當(dāng)作傳播光的媒介，待測(cè)對(duì)象的調(diào)制功能是由其它光電轉(zhuǎn)換元件實(shí)現(xiàn)的，光纖的狀態(tài)是不連續(xù)的，光纖只起傳光作用。7非功能型光纖傳感傳光型光纖傳感器的7“有關(guān)光在纖維中的傳輸以用于光學(xué)通信方面”取得了突破性成就2009年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予英國(guó)華裔科學(xué)家高錕高錕-光纖之父

1966年，高錕發(fā)表了一篇題為《光頻率介質(zhì)纖維表面波導(dǎo)》的論文，開(kāi)創(chuàng)性地提出光導(dǎo)纖維在通信上應(yīng)用的基本原理，描述了長(zhǎng)路程及高信息量光通信所需絕緣性纖維的結(jié)構(gòu)和材料特性。簡(jiǎn)單地說(shuō)，只要解決好玻璃純度和成分等問(wèn)題，就能夠利用玻璃制作光學(xué)纖維，從而高效傳輸信息。光纖技術(shù)歷史8“有關(guān)光在纖維中的傳輸以用于光學(xué)通信方面”取得了突破性1960年，梅曼發(fā)明第一臺(tái)“紅寶石激光器”。激光頻譜窄；方向性好；相干性。（理想的光載波）1966年，高錕和霍克哈姆指出利用光纖進(jìn)行信息傳輸?shù)目赡苄院图夹g(shù)途徑。（理論基礎(chǔ)）1970年，康寧公司研制光纖損耗20dB/km（光纖商用）

1970年—1979年，光纖損耗0.2dB/km以下1970年，光源取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。研制成功室溫下連續(xù)振蕩的鎵鋁砷雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器(短波長(zhǎng))

光纖技術(shù)發(fā)展91960年，梅曼發(fā)明第一臺(tái)“紅寶石激光器”。激光頻譜窄；方向

光纖技術(shù)1970-1980，主要以強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器的研究為主。1980-1990，開(kāi)始大規(guī)模研究干涉型光纖傳感技術(shù)。1990-2000，光纖光柵（FBG）傳感技術(shù)進(jìn)入一個(gè)研究熱潮。2000-至今，光纖傳感技術(shù)進(jìn)入商業(yè)化進(jìn)程。光纖傳感光纖通信1976年，美國(guó)在亞特蘭大進(jìn)行第一個(gè)光纖通信現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，速率44.7Mb/s1980年，美國(guó)鋪設(shè)東西干線和南北干線，22個(gè)州1983年，日本南北光纜干線，全長(zhǎng)3400km1989年，第一條橫跨太平洋光纜建成，全長(zhǎng)13200km90年代，我國(guó)光纜干線“八橫八縱”，全長(zhǎng)8萬(wàn)公里10光纖技術(shù)1970-1980，主要以強(qiáng)度調(diào)制型光光纖傳感的形成實(shí)際光纖通信過(guò)程中發(fā)現(xiàn),光纖受到外界環(huán)境因素的影響。如壓力、溫度、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等環(huán)境條件變化時(shí)，將引起光纖傳輸?shù)墓獠浚绻鈴?qiáng)、相位、頻率、偏振態(tài)等變化。因此，測(cè)量出光波量變化的大小，就可以知道導(dǎo)致這些光波量變化的壓力、溫度、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等物理量的大?。谑蔷统霈F(xiàn)了光纖傳感器技術(shù)。11光纖傳感的形成實(shí)際光纖通信過(guò)程中發(fā)現(xiàn),光纖受到外界環(huán)境因素的光纖傳感優(yōu)勢(shì)

電絕緣性能好?？闺姶鸥蓴_能力強(qiáng)。光路可彎曲，對(duì)被測(cè)信號(hào)遠(yuǎn)距離監(jiān)控。非侵入性。高靈敏度。光纖傳感器可測(cè)量位移、速度、加速度、液位、應(yīng)變、壓力、流量、振動(dòng)、溫度、電流、電壓、磁場(chǎng)等物理量12光纖傳感優(yōu)勢(shì)電絕緣性能好。光纖傳感器可測(cè)量位移、速度、加速電絕緣性能好（不可能產(chǎn)生靜電火花）13電絕緣性能好（不可能產(chǎn)生靜電火花）13抗電磁干擾能力強(qiáng)：輻射干擾ElectromagneticInterference（EMI）傳導(dǎo)干擾天電噪聲宇宙射線人為的干擾源EMI是干擾電纜信號(hào)并降低信號(hào)完好性的電子噪音，EMI通常由電磁輻射發(fā)生源如馬達(dá)和機(jī)器產(chǎn)生。在高速PCB及系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，高頻信號(hào)線、集成電路的引腳、各類接插件等都可能成為具有天線特性的輻射干擾源，能發(fā)射電磁波并影響其他系統(tǒng)或本系統(tǒng)內(nèi)其他子系統(tǒng)的正常工作。包括14抗電磁干擾能力強(qiáng)：輻射干擾ElectromagneticI從干擾信號(hào)的頻率范圍來(lái)分，可以把干擾源分為工頻干擾源（50Hz及其諧波）低頻干擾源（30Hz以下）射頻及視頻干擾源（300kHz以上）微波干擾源（300MHz~100GHz）

雖然光和電都屬于電磁波，但頻率范圍相差很大。一般微波干擾頻率在吉赫10GHz，光纖工作頻率在200THz15從干擾信號(hào)的頻率范圍來(lái)分，可以把干擾源分為雖然光和電都屬于電光路可彎曲，對(duì)被測(cè)信號(hào)遠(yuǎn)距離監(jiān)控：16光路可彎曲，對(duì)被測(cè)信號(hào)遠(yuǎn)距離監(jiān)控：16泄漏小，信息的保密性能好光纖傳輸光泄漏非常微弱，彎曲地段無(wú)法竊聽(tīng)沒(méi)有專用的特殊工具，光纖不能分接，信息在光纖中傳輸非常安全。？？？（1）從光纖中折射出來(lái)的光線被設(shè)備中的光學(xué)檢測(cè)設(shè)備拾?。?）然后發(fā)送給光電轉(zhuǎn)換設(shè)備（3）光電轉(zhuǎn)換裝置將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后通過(guò)以太網(wǎng)線將數(shù)據(jù)傳送到黑客的筆記本電腦上。黑客在筆記本電腦上運(yùn)行某種sniffer軟件，可以觀察到目標(biāo)光纖網(wǎng)絡(luò)中傳遞的各種數(shù)據(jù)。17泄漏小，信息的保密性能好（1）從光纖中折射出來(lái)的光線被設(shè)備光纖的結(jié)構(gòu)光纖呈圓柱形，它由纖芯和包層兩個(gè)同心圓柱的雙層結(jié)構(gòu)組成。2R2rn2n1nn2n1纖芯包層光纖結(jié)構(gòu)18光纖的結(jié)構(gòu)光纖呈圓柱形，它由纖芯和包層兩個(gè)同心圓柱的雙層結(jié)構(gòu)纖芯core：折射率較高，用來(lái)傳送光；包層coating：折射率較低，與纖芯一起形成全反射條件；保護(hù)套jacket：強(qiáng)度大，能承受較大沖擊，保護(hù)光纖。纖芯包層保護(hù)套19纖芯core：折射率較高，用來(lái)傳送光；纖芯包層保護(hù)套19光纖的尺寸

外徑一般為125um(一根頭發(fā)平均100um)內(nèi)徑：?jiǎn)文?um

多模50/62.5um12595012562.512520光纖的尺寸

外徑一般為125um(一根頭發(fā)平均100um)1光纖的分類按材料分類：石英光纖：纖芯與包層都是SiO2，損耗小，傳輸距離長(zhǎng)，成本高；聚合物光纖（塑料光纖）：纖芯與包層都是塑料，損耗大，傳輸距離很短，價(jià)格很低。多用于家電、音響，以及短距的圖像傳輸。21光纖的分類按材料分類：21SmartClothing22SmartClothing22光纖的分類按照光纖的模式分類單模（Single-Mode）多模（Multi-Mode）G.651：多模光纖，在光纖通信發(fā)展初期廣泛應(yīng)用于中小容量、中短距離的通信系統(tǒng)。G.652：常規(guī)單模光纖，在波長(zhǎng)1.31μm色散為零，系統(tǒng)的傳輸距離只受損耗的限制。23光纖的分類按照光纖的模式分類G.651：多模光纖，在光纖通信光纖導(dǎo)光原理

斯乃爾定理（Snell'sLaw）當(dāng)光由光密物質(zhì)(折射率大)入射至光疏物質(zhì)時(shí)發(fā)生折射，如圖(a)n1n2θrθi(a)光的折射示意圖

可見(jiàn)，入射角θi增大時(shí)，折射角θr也隨之增大，24光纖導(dǎo)光原理斯乃爾定理（Snell'sLaw）n1NA表示光纖的集光能力，無(wú)論光源的發(fā)射功率有多大，只要在2θi張角之內(nèi)的入射光才能被光纖接收、傳播。若入射角超出這一范圍，光線會(huì)進(jìn)入包層漏光。一般NA越大集光能力越強(qiáng)，光纖與光源間耦合會(huì)更容易。但NA越大光信號(hào)畸變?cè)酱?，要選擇適當(dāng)。產(chǎn)品光纖不給出折射率N，只給數(shù)值孔徑NAθ光纖的集光能力θjθiθkθrABCDEFGKOOn0n2n1數(shù)值孔徑NA25NA表示光纖的集光能力，無(wú)論光源的發(fā)射功率有多大，只要在2θ光纖的傳輸特性單模光纖中損耗的功率可用損耗系數(shù)α來(lái)描述，它表示單位長(zhǎng)度光纖的損耗功率。如果沿長(zhǎng)度方向的損耗是均勻的，那么在知道輸入功率Pi后，沿光纖長(zhǎng)度方向上任一點(diǎn)z處的功率Po便可用損耗系數(shù)表示損耗（Loss）dB(Decibel):表征相對(duì)值的值，純粹的比值，只表示兩個(gè)量的相對(duì)大小關(guān)系，沒(méi)有單位。dBm:表示功率絕對(duì)值的值（也可以認(rèn)為是以1mW功率為基準(zhǔn)的一個(gè)比值）?；A(chǔ)知識(shí)26光纖的傳輸特性單模光纖中損耗的功率可用損耗系數(shù)α來(lái)描述，它表?yè)p耗的機(jī)理吸收損耗：由SiO2材料引起的固有吸收和由雜質(zhì)引起的吸收產(chǎn)生。散射損耗：由材料微觀密度不均勻引起的瑞利散射和由光纖結(jié)構(gòu)缺陷(如氣泡)引起的散射產(chǎn)生的。1550nm:0.2~0.3dB/Km1310nm:0.35~0.5dB/Km850nm:2.3~3.4dB/Km光纖熔接點(diǎn)損耗：0.2dB/點(diǎn)27損耗的機(jī)理1550nm:0.2~0.3dB/Km2

模間色散：只發(fā)生在多模光纖，因?yàn)椴煌Ｊ降墓庋刂煌穆窂絺鬏?。材料色散：不同波長(zhǎng)的光行進(jìn)速度不同。波導(dǎo)色散：發(fā)生原因是光能量在纖芯及包層中傳輸時(shí)，會(huì)以稍有不同的速度行進(jìn)。在單模光纖中，通過(guò)改變光纖內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)改變光纖的色散非常重要。光纖的傳輸特性色散(Dispersion)28模間色散：只發(fā)生在多模光纖，因?yàn)椴煌Ｊ降墓庋刂煌穆窂接捎诠饩€的基本結(jié)構(gòu)不完美，引起的光能量損失，此時(shí)光的傳輸不再具有很好的方向性。光線缺陷光纖的傳輸特性散射（Scattering）29由于光線的基本結(jié)構(gòu)不完美，引起的光能量損失，此時(shí)光的傳輸不再光纖傳感的重要器件：一光源30光纖傳感的重要器件：一光源30光源的分類非相干光源包括白光源與發(fā)光二極管相干光源包括各種激光器：半導(dǎo)體激光器、氦氖激光器、固體激光器31光源的分類非相干光源31相干光源原理能級(jí)的躍遷：原子中的電子可以通過(guò)和外界交換能量的方式發(fā)生量子（能級(jí)）躍遷，對(duì)于大量原子組成的體系來(lái)說(shuō)，同時(shí)存在光的受激吸收、自發(fā)輻射和受激輻射三個(gè)狀態(tài)。32相干光源原理能級(jí)的躍遷：32受激吸收和自發(fā)輻射受激吸收過(guò)程：自發(fā)輻射過(guò)程激發(fā)態(tài)E2E3E4基態(tài)E1自發(fā)幅射的光是非相干光33受激吸收和自發(fā)輻射受激吸收過(guò)程：自發(fā)輻射過(guò)程激發(fā)態(tài)E2E3受激輻射（1917年愛(ài)因斯坦提出）E1E2與外來(lái)光子頻率相同、相位相同、偏振方向和傳播方向相同。特點(diǎn)：受激幅射中，光子成倍增長(zhǎng)，產(chǎn)生了光放大。受激幅射產(chǎn)生的光子與入射光子是完全相干的；34受激輻射（1917年愛(ài)因斯坦提出）E1E2與外來(lái)光子頻率激光(相干光源)的產(chǎn)生1.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)E1E2粒子數(shù)反轉(zhuǎn)產(chǎn)生激光的必要條件：1.實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)2.具有諧振腔結(jié)構(gòu)2.光學(xué)諧振腔諧振腔長(zhǎng)度：35激光(相干光源)的產(chǎn)生1.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)E1E2粒子數(shù)反轉(zhuǎn)產(chǎn)生光纖傳感常用激光器半導(dǎo)體激光器體積小、重量輕、可靠性高、轉(zhuǎn)換效率高、功耗低、驅(qū)動(dòng)電源簡(jiǎn)單、能直接調(diào)制、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、使用安全、其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。半導(dǎo)體激光器36光纖傳感常用激光器半導(dǎo)體激光器體積小、重量輕、可靠性高、轉(zhuǎn)換

半導(dǎo)體激光器工作原理半導(dǎo)體激光器是向半導(dǎo)體PN結(jié)注入電流，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生受激輻射，并利用光學(xué)諧振腔的正反饋實(shí)現(xiàn)光放大而產(chǎn)生激光。37半導(dǎo)體激光器工作原理半導(dǎo)體激光器是向半導(dǎo)體PN結(jié)注入電流，常用的半導(dǎo)體光源FP諧振腔型（DH-LD）分布反饋型（DFB）超輻射發(fā)光二極管（SLD）發(fā)光二極管（LED）38常用的半導(dǎo)體光源FP諧振腔型（DH-LD）38F-P諧振腔激光器結(jié)構(gòu)39F-P諧振腔激光器結(jié)構(gòu)39FP諧振腔型LD40FP諧振腔型LD40DFB激光器由有源層發(fā)射的光，從一個(gè)方向向另一個(gè)方向傳播時(shí)，一部分在光柵波紋峰反射(如光線a)，另一部分繼續(xù)向前傳播，在鄰近的光柵波紋峰反射(如光線b)。如果光線a和b匹配，相互疊加，則產(chǎn)生更強(qiáng)的反饋，而其他波長(zhǎng)的光將相互抵消。41DFB激光器由有源層發(fā)射的光，從一個(gè)方向向另一個(gè)方向傳播時(shí)，只有符合反射條件的光會(huì)得到強(qiáng)烈反射經(jīng)歷放大過(guò)程42只有符合反射條件的42DFB激光器與FP激光器相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：1.單縱模激光器

FP激光器諧振腔的長(zhǎng)度較長(zhǎng)，頻率間隔小選頻困難；DFB激光器的光柵周期Λ相當(dāng)于微型諧振腔，長(zhǎng)度很小，因此頻率間隔大，易于選頻，形成單頻振蕩。2.波長(zhǎng)穩(wěn)定性好由于光柵的作用有助于使發(fā)射波長(zhǎng)鎖定在諧振波長(zhǎng)上，因而波長(zhǎng)的穩(wěn)定性得以改善43DFB激光器與FP激光器相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：1.單縱DFB激光器照片44DFB激光器照片44發(fā)光二極管(LED)發(fā)光二極管(LED)的工作原理與激光器(LD)有所不同，LD發(fā)射的是受激輻射光，LED發(fā)射的是自發(fā)輻射光。LED的結(jié)構(gòu)和LD相似，大多是采用雙異質(zhì)結(jié)(DH)芯片，把有源層夾在P型和N型限制層中間，不同的是LED不需要光學(xué)諧振腔，沒(méi)有閾值。45發(fā)光二極管(LED)發(fā)光二極管(LED)的工作原理與激光器(激光器相比，發(fā)光二極管輸出光功率較小，譜線寬度較寬，調(diào)制頻率較低。但發(fā)光二極管性能穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)，輸出光功率線性范圍寬，而且制造工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉。46激光器相比，發(fā)光二極管輸出光功率較小，譜線寬度較寬，調(diào)制頻率超輻射發(fā)光二極管(SLD)SLD光源是在激光二極管(LD)的基礎(chǔ)上改造而成，通過(guò)對(duì)SLD施加較大的驅(qū)動(dòng)電流，在雙異質(zhì)結(jié)處產(chǎn)生較強(qiáng)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，從而提高自發(fā)輻射光子的單程增益，因此,即便由于抑制激光效應(yīng)而減少了光子在腔內(nèi)的反饋次數(shù),但SLD仍然具有相對(duì)較高的輸出功率。主要應(yīng)用于光纖陀螺47超輻射發(fā)光二極管(SLD)SLD光源是在激光二極管(LD)的光纖陀螺的概述·光纖陀螺是一種輕便的由固體元件組成的全固態(tài)器件，作為新一代角速度敏感器件。光纖陀螺實(shí)物：48光纖陀螺的概述·光纖陀螺是一種輕便的由固體元件組成的全固光纖陀螺的概述

基本原理：Sagnac效應(yīng)

薩納克效應(yīng)是相對(duì)慣性空間轉(zhuǎn)動(dòng)的閉環(huán)光路中所傳播光的一種普遍的相關(guān)效應(yīng)，即在同一閉合光路中從同一光源發(fā)出的兩束特征相等的光，以相反的方向進(jìn)行傳播，最后匯合到同一探測(cè)點(diǎn)。若繞垂直于閉合光路所在平面的軸線，相對(duì)慣性空間存在著轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，則正、反方向傳播的光束走過(guò)的光程不同，就產(chǎn)生光程差，其光程差與旋轉(zhuǎn)的角速度成正比。因而只要知道了光程差及與之相應(yīng)的相位差的信息，即可得到旋轉(zhuǎn)角速度。

系統(tǒng)靜止系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)49光纖陀螺的概述基本原理：Sagnac效應(yīng)傳輸相位差：

如何檢測(cè)相位差？利用光的干涉：振動(dòng)頻率相同、方向相同、相位差恒定

通過(guò)檢測(cè)光強(qiáng)來(lái)檢測(cè)相位差，進(jìn)而檢測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)角速率。光纖陀螺的概述50傳輸相位差：如何檢測(cè)相位差？通過(guò)檢測(cè)光強(qiáng)來(lái)檢測(cè)相光纖陀螺的概述51光纖陀螺的概述51光纖陀螺的優(yōu)點(diǎn)與機(jī)電陀螺或激光陀螺相比，光纖陀螺具有如下特點(diǎn)：(1)較強(qiáng)的抗沖擊和抗加速運(yùn)動(dòng)的能力;(2)檢測(cè)靈敏度和分辨率高精度;(3)較長(zhǎng)的使用壽命；(4)可以實(shí)現(xiàn)不同的精度，并具有較寬的動(dòng)態(tài)范圍;(5)瞬間啟動(dòng)，無(wú)需預(yù)熱;(6)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低，體積小、重量輕．52光纖陀螺的優(yōu)點(diǎn)與機(jī)電陀螺或激光陀螺相比，光纖陀螺具有如下特點(diǎn)光纖陀螺的發(fā)展現(xiàn)狀美國(guó)美國(guó)在光纖陀螺的研究方面一直保持領(lǐng)先地位。目前美國(guó)國(guó)內(nèi)已經(jīng)有多種型號(hào)的光纖陀螺投入使用。

日本日本緊隨美國(guó)之后，在中低精度陀螺實(shí)用化方面走在了世界前列。許多公司都開(kāi)始批量生產(chǎn)多種中低精度的光纖陀螺。中國(guó)我國(guó)光纖陀螺的研究相對(duì)起步較晚，但是在廣大科研工作者的努力下，已經(jīng)逐步拉近了與發(fā)達(dá)國(guó)家間的差距。53光纖陀螺的發(fā)展現(xiàn)狀美國(guó)美國(guó)在光纖陀螺的研究方面一直保持領(lǐng)先地光纖陀螺的發(fā)展現(xiàn)狀級(jí)別零偏穩(wěn)定性(度/小時(shí))標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性速率級(jí)10~10000.1~1%戰(zhàn)術(shù)級(jí)0.1~1010~1000ppm慣性級(jí)0.01<5ppm戰(zhàn)略級(jí)0.001<1ppm光纖陀螺應(yīng)用級(jí)別劃分標(biāo)度因數(shù)：陀螺儀輸出量與輸入角速度的比值，反映陀螺的靈敏度。54光纖陀螺的發(fā)展現(xiàn)狀級(jí)別零偏穩(wěn)定性(度/小時(shí))標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性速光纖陀螺的應(yīng)用速率級(jí)機(jī)器人地下建造隧道管道路徑勘測(cè)裝置汽車(chē)導(dǎo)航55光纖陀螺的應(yīng)用速率級(jí)機(jī)器人地下建造隧道管道路徑勘測(cè)裝置汽車(chē)導(dǎo)光纖陀螺的應(yīng)用戰(zhàn)術(shù)級(jí)戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈近程/中程導(dǎo)彈裝甲車(chē)和坦克制導(dǎo)魚(yú)雷慣性級(jí)、戰(zhàn)略級(jí)光纖陀螺主要是用于空間定位和潛艇導(dǎo)航，其開(kāi)發(fā)和研制正逐步走向成熟，美國(guó)有關(guān)公司和研究機(jī)構(gòu)是研制、生產(chǎn)該級(jí)別光纖陀螺的佼佼者，如Honeywell、Northrop等公司。56光纖陀螺的應(yīng)用戰(zhàn)術(shù)級(jí)戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈近程/中程導(dǎo)彈裝甲車(chē)和坦克光纖陀螺的應(yīng)用最新應(yīng)用：天宮一號(hào)光纖陀螺作用：精確地感知自身的微小動(dòng)作，從而更好地確保飛行姿態(tài)精確控制以及與飛船交會(huì)對(duì)接。57光纖陀螺的應(yīng)用最新應(yīng)用：天宮一號(hào)光纖陀螺作用：精確地感知自身激光器的應(yīng)用激光，作為一種新類型的光登上舞臺(tái)，帶來(lái)光學(xué)應(yīng)用技術(shù)的革命，已在生產(chǎn)、生活、國(guó)防的各個(gè)方面都有著應(yīng)用，幾乎成為所有現(xiàn)代技術(shù)依賴的手段。在此不可能加以詳述，僅就一些常見(jiàn)的應(yīng)用作簡(jiǎn)要介紹。58激光器的應(yīng)用激光，作為一種新類型的光登上舞臺(tái)，帶來(lái)光學(xué)應(yīng)用技1.用激光固定原子：氣態(tài)原子、分子處在永不停息的運(yùn)動(dòng)中（速度接近340m/s），且不斷與其它原子、分子碰撞，要“捕獲”操縱它們十分不易。1997年華裔科學(xué)家、美國(guó)斯坦福大學(xué)朱棣文等人，首次采用激光束將原子束冷卻到極低溫度，使其速度比通常作熱運(yùn)動(dòng)時(shí)降低，達(dá)到“捕獲”操縱的目的。591.用激光固定原子：59具體作法是，用六路兩兩成對(duì)的正交激光束，沿三個(gè)相互垂直的方向射向同一點(diǎn)，光束始終將原子推向這點(diǎn)，于是約106個(gè)原子形成的小區(qū)，其溫度在240μK以下。這樣使原子的速度減至10m/s量級(jí)。后來(lái)又制成抗重力的光-磁陷阱，使原子在約1s內(nèi)從控制區(qū)墜落后被捕獲。60具體作法是，用六路兩兩成對(duì)的正交激光束，沿三個(gè)相互垂直的方向2.激光測(cè)距激光雷達(dá)激光準(zhǔn)直利用激光的高亮度和極好的方向性，做成激光測(cè)距儀、激光雷達(dá)和激光準(zhǔn)直儀。激光制導(dǎo)的導(dǎo)彈，頭部有四個(gè)排成十字形的激光接收器（四象限探測(cè)儀）。如果四個(gè)接收器收到的激光一樣多，就按原來(lái)方向飛行，如果有一個(gè)接收器接收的激光少了，它就自動(dòng)調(diào)整方向。另一類可用激光束照射要打擊的目標(biāo)，經(jīng)目標(biāo)反射的激光被導(dǎo)彈上的接收器收到，引導(dǎo)導(dǎo)彈擊中目標(biāo)。612.激光測(cè)距激光雷達(dá)激光準(zhǔn)直613.全息技術(shù)是1948年英國(guó)科學(xué)家蓋伯提出的一種新的成像原理，“全息”一詞引處希臘語(yǔ)，是“完全”的意思。但由于當(dāng)時(shí)沒(méi)有好的相干光源，因而無(wú)法獲得好的相干像片。激光的出現(xiàn)，使全息術(shù)飛速發(fā)展成為一個(gè)新領(lǐng)域，蓋伯因此獲1971年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。623.全息技術(shù)是1948年英國(guó)科學(xué)家蓋伯提出的一種新的成普通照像是把從物體表面發(fā)出的光經(jīng)過(guò)透鏡，在感光底片上記錄下物體的光強(qiáng)分布，再翻印到相紙上，呈現(xiàn)出物體的平面圖像。普通照像只記錄了物體表面的光強(qiáng)分布，沒(méi)有記錄到物體各部分到觀察者的遠(yuǎn)近和角度，即沒(méi)記錄下物體發(fā)出光線的相位分布，這樣的像沒(méi)有立體感。全息照像是用相干光照射物體，從物體反射或漫射的光不是用透鏡成像而是直接照射到全息底片上，用干涉現(xiàn)象把那些光的光強(qiáng)分布和相位記錄下來(lái)。底片上沒(méi)有被拍物體的形象，在顯微鏡下可看到的是一幅長(zhǎng)短不一、間距不等、走向不同的復(fù)雜干涉條紋，稱為全息圖。63普通照像是把從物體表面發(fā)出的光經(jīng)過(guò)透鏡，在感光底片上記錄下物4.光刻技術(shù)：如光刻集成電路、光盤(pán)。光盤(pán)的外形有點(diǎn)像唱片，寫(xiě)入讀出的原理也和機(jī)械唱片差不多，只是用激光束來(lái)代替唱針，因?yàn)榧す獾南喔尚院芎?，用聚光系統(tǒng)可以把激光聚焦成比針頭還細(xì)小的光束，所以它在介質(zhì)上寫(xiě)入信息所占空間尺寸可以非常小（小于1nm）因而信息存儲(chǔ)密度很大。CD唱片是用聲音調(diào)制了的激光束刻制光盤(pán)，由于在讀寫(xiě)光盤(pán)時(shí)光點(diǎn)與光盤(pán)無(wú)機(jī)械接觸，就不存在由摩擦引起的雜音，同時(shí)也無(wú)磨損，因而光盤(pán)音質(zhì)佳、壽命長(zhǎng)。644.光刻技術(shù)：如光刻集成電路、光盤(pán)。光盤(pán)的外形有點(diǎn)像唱片，5.生物應(yīng)用：生物育種上可以采用“誘發(fā)育種”方法培育良種，誘發(fā)育種也有化學(xué)誘變、核輻射誘變、光誘變等，激光照射屬光誘變。生物組織吸收激光能量后，將會(huì)使生物體發(fā)生光-生物熱效應(yīng)、生物光壓效應(yīng)、生物光化學(xué)效應(yīng)、生物電磁效應(yīng)和生物刺激效應(yīng)，由此引起生物遺傳異變。我國(guó)已用激光照射種子培育新品種，改善品質(zhì)。655.生物應(yīng)用：生物育種上可以采用“誘發(fā)育種”方法培育良種，誘光無(wú)源器件光纖連接器（固定、活動(dòng),FC/PC,FC/APC）光纖耦合器/分路器光分插復(fù)用器（OADM)光波分/密集波分復(fù)用器（WDM/DWDM)光衰減器（固定、連續(xù)）光濾波器（帶通、帶阻）光纖隔離器與環(huán)行器（偏振有關(guān)、無(wú)關(guān)）光偏振態(tài)控制器、光纖光柵光纖傳感的重要器件：二66光無(wú)源器件光纖連接器（固定、活動(dòng),FC/PC,FC/APC）常用連接器類型67常用連接器類型67常用連接器類型FCType68常用連接器類型FCType68常用連接器類型SCType69常用連接器類型SCType69常用連接器類型SC2Type70常用連接器類型SC2Type70常用連接器類型FDDType71常用連接器類型FDDType71常用連接器類型BICONICTypeD4TypeSMA905TypeSMA906TypeMINIBNCType72常用連接器類型BICONICTypeD4TypeSMA連接頭端面類型Ferrule+FlangeInsertionLoss(插入損耗)<0.3dBReturnLoss(回波損耗)PC>40dBSPC>45dBUPC>50dBAPC>60dB73連接頭端面類型Ferrule+FlangeIn光纖熔接機(jī)74光纖熔接機(jī)7475757676耦合器（coupler）基本結(jié)構(gòu)

耦合器是雙向無(wú)源器件

基本形式有樹(shù)型、星型

——與耦合器對(duì)應(yīng)的有分路器（splitter）77耦合器（coupler）基本結(jié)構(gòu)

耦合器是雙向無(wú)源器件

基本光纖拉錐機(jī)78光纖拉錐機(jī)78波分復(fù)用器（WDM）WDM主要是把信號(hào)中的波長(zhǎng)分開(kāi)，耦合器是把信號(hào)中的能量分開(kāi)。1550nmLD1310nmLD13/15WDM光功率計(jì)1310nm1550nmab79波分復(fù)用器（WDM）WDM主要是把信號(hào)中的波長(zhǎng)分開(kāi)，耦合器是隔離器光隔離器的性能是光正向通過(guò)時(shí)衰減很小，但反向通過(guò)時(shí)衰減很大的器件。相當(dāng)于一種光非互易傳輸耦合器，所依據(jù)的基本原理是法拉第旋光效應(yīng)。80隔離器光隔離器的性能是光正向通過(guò)時(shí)衰減很小，但反向通過(guò)時(shí)衰減光隔離器原理81光隔離器原理818282光衰減器光衰減器是用來(lái)在光纖線路中產(chǎn)生可以控制的衰減的一種無(wú)源器件。在光纖測(cè)試系統(tǒng)中，則可用衰減器來(lái)取代一段長(zhǎng)光纖以模擬長(zhǎng)距離傳輸情形。這種衰減器使用的原理是當(dāng)兩根光纖端面間距和角度不同情況下相對(duì)時(shí)，引入的插損。83光衰減器光衰減器是用來(lái)在光纖線路中產(chǎn)生可以控制的衰減的一種無(wú)8484光環(huán)行器85光環(huán)行器85光開(kāi)關(guān)光開(kāi)關(guān)功能：轉(zhuǎn)換光路,實(shí)現(xiàn)光交換。光開(kāi)關(guān)可分兩類：機(jī)械光開(kāi)關(guān)，利用電磁鐵或步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)光纖、棱鏡或反射鏡等光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)光路轉(zhuǎn)換。固體光開(kāi)關(guān)：利用磁光效應(yīng)、電光效應(yīng)或聲光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光路轉(zhuǎn)換。86光開(kāi)關(guān)光開(kāi)關(guān)功能：轉(zhuǎn)換光路,實(shí)現(xiàn)光交換。86光器件與電器件類比87光器件與電器件類比87光檢測(cè)器光纖傳感的重要器件：三“光照產(chǎn)生光電流”原理：光電效應(yīng)光電二極管太陽(yáng)能電池88光檢測(cè)器光纖傳感的重要器件：三“光照產(chǎn)生光電流”原理：光電加反向偏置電壓后形成一個(gè)很寬的耗盡層高摻雜p+型高摻雜n+型i(本征)層：低摻雜n型耗盡區(qū)PIN光電二極管89加反向偏置電壓后形成一個(gè)很寬的耗盡層高摻雜p+型高摻雜n+型雪崩光電二極管90雪崩光電二極管909191929293939494匯報(bào)結(jié)束謝謝大家!請(qǐng)各位批評(píng)指正匯報(bào)結(jié)束謝謝大家!請(qǐng)各位批評(píng)指正95傳感器原理與應(yīng)用(中)傳感器原理與應(yīng)用(中)傳感器原理與應(yīng)用(中)光纖傳感技術(shù)光纖傳感器是20世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來(lái)的一種基于光導(dǎo)纖維的新型傳感器。它是光纖和光通信技術(shù)迅速發(fā)展的產(chǎn)物，它與以電為基礎(chǔ)的傳感器有本質(zhì)區(qū)別。光纖傳感器用光作為敏感信息的載體，用光纖作為傳遞敏感信息的媒質(zhì)。因此，它同時(shí)具有光纖及光學(xué)測(cè)量的特點(diǎn)。2傳感器原理與應(yīng)用(中)傳感器原理與應(yīng)用(中)傳感器原理與應(yīng)用96光纖傳感技術(shù)光纖傳感器是20世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來(lái)的一種基于光導(dǎo)纖維的新型傳感器。它是光纖和光通信技術(shù)迅速發(fā)展的產(chǎn)物，它與以電為基礎(chǔ)的傳感器有本質(zhì)區(qū)別。光纖傳感器用光作為敏感信息的載體，用光纖作為傳遞敏感信息的媒質(zhì)。因此，它同時(shí)具有光纖及光學(xué)測(cè)量的特點(diǎn)。97光纖傳感技術(shù)光纖傳感器是20世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來(lái)的一種基光纖傳感分類

光纖傳感器一般可分為兩大類：一類是功能型傳感器，又稱FF型光纖傳感器；另一類是非功能型傳感器，又稱NF型光纖傳感器。98光纖傳感分類光纖傳感器一般可分為兩大類：一類是功能型傳功能型光纖傳感這類傳感器利用光纖本身對(duì)外界被測(cè)對(duì)象具有敏感能力和檢測(cè)功能，光纖不僅起到傳光作用，而且在被測(cè)對(duì)象作用下，如光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)等光學(xué)特性得到調(diào)制，調(diào)制后的信號(hào)攜帶了被測(cè)信息。99功能型光纖傳感這類傳感器利用光纖4

全光纖型傳感器利用對(duì)外界信息具有敏感能力和檢測(cè)能力的光纖(或特殊光纖)作傳感元件，將“傳”和“感”合為一體的傳感器。光纖不僅起傳光作用，而且還利用光纖在外界因素(彎曲、相變)的作用，其光學(xué)特性(光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)等)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)“傳”和“感”的功能。因此，傳感器中光纖是連續(xù)的。信號(hào)處理光接收器光纖敏感元件光發(fā)送器100全光纖型傳感器信號(hào)處理光接收器光纖敏感元件光發(fā)送器5

拾光型光纖傳感器用光纖作為探頭，接收由被測(cè)對(duì)象輻射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纖探針、光纖激光多普勒速度計(jì)、輻射式光纖溫度傳感器光纖光柵傳感器等。信號(hào)處理光接收器光發(fā)送器光纖耦合器被測(cè)對(duì)象101拾光型光纖傳感器信號(hào)光接收器光發(fā)送器光纖耦合器被測(cè)對(duì)象非功能型光纖傳感傳光型光纖傳感器的光纖只當(dāng)作傳播光的媒介，待測(cè)對(duì)象的調(diào)制功能是由其它光電轉(zhuǎn)換元件實(shí)現(xiàn)的，光纖的狀態(tài)是不連續(xù)的，光纖只起傳光作用。102非功能型光纖傳感傳光型光纖傳感器的7“有關(guān)光在纖維中的傳輸以用于光學(xué)通信方面”取得了突破性成就2009年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予英國(guó)華裔科學(xué)家高錕高錕-光纖之父

1966年，高錕發(fā)表了一篇題為《光頻率介質(zhì)纖維表面波導(dǎo)》的論文，開(kāi)創(chuàng)性地提出光導(dǎo)纖維在通信上應(yīng)用的基本原理，描述了長(zhǎng)路程及高信息量光通信所需絕緣性纖維的結(jié)構(gòu)和材料特性。簡(jiǎn)單地說(shuō)，只要解決好玻璃純度和成分等問(wèn)題，就能夠利用玻璃制作光學(xué)纖維，從而高效傳輸信息。光纖技術(shù)歷史103“有關(guān)光在纖維中的傳輸以用于光學(xué)通信方面”取得了突破性1960年，梅曼發(fā)明第一臺(tái)“紅寶石激光器”。激光頻譜窄；方向性好；相干性。（理想的光載波）1966年，高錕和霍克哈姆指出利用光纖進(jìn)行信息傳輸?shù)目赡苄院图夹g(shù)途徑。（理論基礎(chǔ)）1970年，康寧公司研制光纖損耗20dB/km（光纖商用）

1970年—1979年，光纖損耗0.2dB/km以下1970年，光源取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。研制成功室溫下連續(xù)振蕩的鎵鋁砷雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器(短波長(zhǎng))

光纖技術(shù)發(fā)展1041960年，梅曼發(fā)明第一臺(tái)“紅寶石激光器”。激光頻譜窄；方向

光纖技術(shù)1970-1980，主要以強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器的研究為主。1980-1990，開(kāi)始大規(guī)模研究干涉型光纖傳感技術(shù)。1990-2000，光纖光柵（FBG）傳感技術(shù)進(jìn)入一個(gè)研究熱潮。2000-至今，光纖傳感技術(shù)進(jìn)入商業(yè)化進(jìn)程。光纖傳感光纖通信1976年，美國(guó)在亞特蘭大進(jìn)行第一個(gè)光纖通信現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，速率44.7Mb/s1980年，美國(guó)鋪設(shè)東西干線和南北干線，22個(gè)州1983年，日本南北光纜干線，全長(zhǎng)3400km1989年，第一條橫跨太平洋光纜建成，全長(zhǎng)13200km90年代，我國(guó)光纜干線“八橫八縱”，全長(zhǎng)8萬(wàn)公里105光纖技術(shù)1970-1980，主要以強(qiáng)度調(diào)制型光光纖傳感的形成實(shí)際光纖通信過(guò)程中發(fā)現(xiàn),光纖受到外界環(huán)境因素的影響。如壓力、溫度、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等環(huán)境條件變化時(shí)，將引起光纖傳輸?shù)墓獠浚绻鈴?qiáng)、相位、頻率、偏振態(tài)等變化。因此，測(cè)量出光波量變化的大小，就可以知道導(dǎo)致這些光波量變化的壓力、溫度、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等物理量的大?。谑蔷统霈F(xiàn)了光纖傳感器技術(shù)。106光纖傳感的形成實(shí)際光纖通信過(guò)程中發(fā)現(xiàn),光纖受到外界環(huán)境因素的光纖傳感優(yōu)勢(shì)

電絕緣性能好。抗電磁干擾能力強(qiáng)。光路可彎曲，對(duì)被測(cè)信號(hào)遠(yuǎn)距離監(jiān)控。非侵入性。高靈敏度。光纖傳感器可測(cè)量位移、速度、加速度、液位、應(yīng)變、壓力、流量、振動(dòng)、溫度、電流、電壓、磁場(chǎng)等物理量107光纖傳感優(yōu)勢(shì)電絕緣性能好。光纖傳感器可測(cè)量位移、速度、加速電絕緣性能好（不可能產(chǎn)生靜電火花）108電絕緣性能好（不可能產(chǎn)生靜電火花）13抗電磁干擾能力強(qiáng)：輻射干擾ElectromagneticInterference（EMI）傳導(dǎo)干擾天電噪聲宇宙射線人為的干擾源EMI是干擾電纜信號(hào)并降低信號(hào)完好性的電子噪音，EMI通常由電磁輻射發(fā)生源如馬達(dá)和機(jī)器產(chǎn)生。在高速PCB及系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，高頻信號(hào)線、集成電路的引腳、各類接插件等都可能成為具有天線特性的輻射干擾源，能發(fā)射電磁波并影響其他系統(tǒng)或本系統(tǒng)內(nèi)其他子系統(tǒng)的正常工作。包括109抗電磁干擾能力強(qiáng)：輻射干擾ElectromagneticI從干擾信號(hào)的頻率范圍來(lái)分，可以把干擾源分為工頻干擾源（50Hz及其諧波）低頻干擾源（30Hz以下）射頻及視頻干擾源（300kHz以上）微波干擾源（300MHz~100GHz）

雖然光和電都屬于電磁波，但頻率范圍相差很大。一般微波干擾頻率在吉赫10GHz，光纖工作頻率在200THz110從干擾信號(hào)的頻率范圍來(lái)分，可以把干擾源分為雖然光和電都屬于電光路可彎曲，對(duì)被測(cè)信號(hào)遠(yuǎn)距離監(jiān)控：111光路可彎曲，對(duì)被測(cè)信號(hào)遠(yuǎn)距離監(jiān)控：16泄漏小，信息的保密性能好光纖傳輸光泄漏非常微弱，彎曲地段無(wú)法竊聽(tīng)沒(méi)有專用的特殊工具，光纖不能分接，信息在光纖中傳輸非常安全。？？？（1）從光纖中折射出來(lái)的光線被設(shè)備中的光學(xué)檢測(cè)設(shè)備拾?。?）然后發(fā)送給光電轉(zhuǎn)換設(shè)備（3）光電轉(zhuǎn)換裝置將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后通過(guò)以太網(wǎng)線將數(shù)據(jù)傳送到黑客的筆記本電腦上。黑客在筆記本電腦上運(yùn)行某種sniffer軟件，可以觀察到目標(biāo)光纖網(wǎng)絡(luò)中傳遞的各種數(shù)據(jù)。112泄漏小，信息的保密性能好（1）從光纖中折射出來(lái)的光線被設(shè)備光纖的結(jié)構(gòu)光纖呈圓柱形，它由纖芯和包層兩個(gè)同心圓柱的雙層結(jié)構(gòu)組成。2R2rn2n1nn2n1纖芯包層光纖結(jié)構(gòu)113光纖的結(jié)構(gòu)光纖呈圓柱形，它由纖芯和包層兩個(gè)同心圓柱的雙層結(jié)構(gòu)纖芯core：折射率較高，用來(lái)傳送光；包層coating：折射率較低，與纖芯一起形成全反射條件；保護(hù)套jacket：強(qiáng)度大，能承受較大沖擊，保護(hù)光纖。纖芯包層保護(hù)套114纖芯core：折射率較高，用來(lái)傳送光；纖芯包層保護(hù)套19光纖的尺寸

外徑一般為125um(一根頭發(fā)平均100um)內(nèi)徑：?jiǎn)文?um

多模50/62.5um12595012562.5125115光纖的尺寸

外徑一般為125um(一根頭發(fā)平均100um)1光纖的分類按材料分類：石英光纖：纖芯與包層都是SiO2，損耗小，傳輸距離長(zhǎng)，成本高；聚合物光纖（塑料光纖）：纖芯與包層都是塑料，損耗大，傳輸距離很短，價(jià)格很低。多用于家電、音響，以及短距的圖像傳輸。116光纖的分類按材料分類：21SmartClothing117SmartClothing22光纖的分類按照光纖的模式分類單模（Single-Mode）多模（Multi-Mode）G.651：多模光纖，在光纖通信發(fā)展初期廣泛應(yīng)用于中小容量、中短距離的通信系統(tǒng)。G.652：常規(guī)單模光纖，在波長(zhǎng)1.31μm色散為零，系統(tǒng)的傳輸距離只受損耗的限制。118光纖的分類按照光纖的模式分類G.651：多模光纖，在光纖通信光纖導(dǎo)光原理

斯乃爾定理（Snell'sLaw）當(dāng)光由光密物質(zhì)(折射率大)入射至光疏物質(zhì)時(shí)發(fā)生折射，如圖(a)n1n2θrθi(a)光的折射示意圖

可見(jiàn)，入射角θi增大時(shí)，折射角θr也隨之增大，119光纖導(dǎo)光原理斯乃爾定理（Snell'sLaw）n1NA表示光纖的集光能力，無(wú)論光源的發(fā)射功率有多大，只要在2θi張角之內(nèi)的入射光才能被光纖接收、傳播。若入射角超出這一范圍，光線會(huì)進(jìn)入包層漏光。一般NA越大集光能力越強(qiáng)，光纖與光源間耦合會(huì)更容易。但NA越大光信號(hào)畸變?cè)酱?，要選擇適當(dāng)。產(chǎn)品光纖不給出折射率N，只給數(shù)值孔徑NAθ光纖的集光能力θjθiθkθrABCDEFGKOOn0n2n1數(shù)值孔徑NA120NA表示光纖的集光能力，無(wú)論光源的發(fā)射功率有多大，只要在2θ光纖的傳輸特性單模光纖中損耗的功率可用損耗系數(shù)α來(lái)描述，它表示單位長(zhǎng)度光纖的損耗功率。如果沿長(zhǎng)度方向的損耗是均勻的，那么在知道輸入功率Pi后，沿光纖長(zhǎng)度方向上任一點(diǎn)z處的功率Po便可用損耗系數(shù)表示損耗（Loss）dB(Decibel):表征相對(duì)值的值，純粹的比值，只表示兩個(gè)量的相對(duì)大小關(guān)系，沒(méi)有單位。dBm:表示功率絕對(duì)值的值（也可以認(rèn)為是以1mW功率為基準(zhǔn)的一個(gè)比值）?；A(chǔ)知識(shí)121光纖的傳輸特性單模光纖中損耗的功率可用損耗系數(shù)α來(lái)描述，它表?yè)p耗的機(jī)理吸收損耗：由SiO2材料引起的固有吸收和由雜質(zhì)引起的吸收產(chǎn)生。散射損耗：由材料微觀密度不均勻引起的瑞利散射和由光纖結(jié)構(gòu)缺陷(如氣泡)引起的散射產(chǎn)生的。1550nm:0.2~0.3dB/Km1310nm:0.35~0.5dB/Km850nm:2.3~3.4dB/Km光纖熔接點(diǎn)損耗：0.2dB/點(diǎn)122損耗的機(jī)理1550nm:0.2~0.3dB/Km2

模間色散：只發(fā)生在多模光纖，因?yàn)椴煌Ｊ降墓庋刂煌穆窂絺鬏?。材料色散：不同波長(zhǎng)的光行進(jìn)速度不同。波導(dǎo)色散：發(fā)生原因是光能量在纖芯及包層中傳輸時(shí)，會(huì)以稍有不同的速度行進(jìn)。在單模光纖中，通過(guò)改變光纖內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)改變光纖的色散非常重要。光纖的傳輸特性色散(Dispersion)123模間色散：只發(fā)生在多模光纖，因?yàn)椴煌Ｊ降墓庋刂煌穆窂接捎诠饩€的基本結(jié)構(gòu)不完美，引起的光能量損失，此時(shí)光的傳輸不再具有很好的方向性。光線缺陷光纖的傳輸特性散射（Scattering）124由于光線的基本結(jié)構(gòu)不完美，引起的光能量損失，此時(shí)光的傳輸不再光纖傳感的重要器件：一光源125光纖傳感的重要器件：一光源30光源的分類非相干光源包括白光源與發(fā)光二極管相干光源包括各種激光器：半導(dǎo)體激光器、氦氖激光器、固體激光器126光源的分類非相干光源31相干光源原理能級(jí)的躍遷：原子中的電子可以通過(guò)和外界交換能量的方式發(fā)生量子（能級(jí)）躍遷，對(duì)于大量原子組成的體系來(lái)說(shuō)，同時(shí)存在光的受激吸收、自發(fā)輻射和受激輻射三個(gè)狀態(tài)。127相干光源原理能級(jí)的躍遷：32受激吸收和自發(fā)輻射受激吸收過(guò)程：自發(fā)輻射過(guò)程激發(fā)態(tài)E2E3E4基態(tài)E1自發(fā)幅射的光是非相干光128受激吸收和自發(fā)輻射受激吸收過(guò)程：自發(fā)輻射過(guò)程激發(fā)態(tài)E2E3受激輻射（1917年愛(ài)因斯坦提出）E1E2與外來(lái)光子頻率相同、相位相同、偏振方向和傳播方向相同。特點(diǎn)：受激幅射中，光子成倍增長(zhǎng)，產(chǎn)生了光放大。受激幅射產(chǎn)生的光子與入射光子是完全相干的；129受激輻射（1917年愛(ài)因斯坦提出）E1E2與外來(lái)光子頻率激光(相干光源)的產(chǎn)生1.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)E1E2粒子數(shù)反轉(zhuǎn)產(chǎn)生激光的必要條件：1.實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)2.具有諧振腔結(jié)構(gòu)2.光學(xué)諧振腔諧振腔長(zhǎng)度：130激光(相干光源)的產(chǎn)生1.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)E1E2粒子數(shù)反轉(zhuǎn)產(chǎn)生光纖傳感常用激光器半導(dǎo)體激光器體積小、重量輕、可靠性高、轉(zhuǎn)換效率高、功耗低、驅(qū)動(dòng)電源簡(jiǎn)單、能直接調(diào)制、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、使用安全、其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。半導(dǎo)體激光器131光纖傳感常用激光器半導(dǎo)體激光器體積小、重量輕、可靠性高、轉(zhuǎn)換

半導(dǎo)體激光器工作原理半導(dǎo)體激光器是向半導(dǎo)體PN結(jié)注入電流，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生受激輻射，并利用光學(xué)諧振腔的正反饋實(shí)現(xiàn)光放大而產(chǎn)生激光。132半導(dǎo)體激光器工作原理半導(dǎo)體激光器是向半導(dǎo)體PN結(jié)注入電流，常用的半導(dǎo)體光源FP諧振腔型（DH-LD）分布反饋型（DFB）超輻射發(fā)光二極管（SLD）發(fā)光二極管（LED）133常用的半導(dǎo)體光源FP諧振腔型（DH-LD）38F-P諧振腔激光器結(jié)構(gòu)134F-P諧振腔激光器結(jié)構(gòu)39FP諧振腔型LD135FP諧振腔型LD40DFB激光器由有源層發(fā)射的光，從一個(gè)方向向另一個(gè)方向傳播時(shí)，一部分在光柵波紋峰反射(如光線a)，另一部分繼續(xù)向前傳播，在鄰近的光柵波紋峰反射(如光線b)。如果光線a和b匹配，相互疊加，則產(chǎn)生更強(qiáng)的反饋，而其他波長(zhǎng)的光將相互抵消。136DFB激光器由有源層發(fā)射的光，從一個(gè)方向向另一個(gè)方向傳播時(shí)，只有符合反射條件的光會(huì)得到強(qiáng)烈反射經(jīng)歷放大過(guò)程137只有符合反射條件的42DFB激光器與FP激光器相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：1.單縱模激光器

FP激光器諧振腔的長(zhǎng)度較長(zhǎng)，頻率間隔小選頻困難；DFB激光器的光柵周期Λ相當(dāng)于微型諧振腔，長(zhǎng)度很小，因此頻率間隔大，易于選頻，形成單頻振蕩。2.波長(zhǎng)穩(wěn)定性好由于光柵的作用有助于使發(fā)射波長(zhǎng)鎖定在諧振波長(zhǎng)上，因而波長(zhǎng)的穩(wěn)定性得以改善138DFB激光器與FP激光器相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：1.單縱DFB激光器照片139DFB激光器照片44發(fā)光二極管(LED)發(fā)光二極管(LED)的工作原理與激光器(LD)有所不同，LD發(fā)射的是受激輻射光，LED發(fā)射的是自發(fā)輻射光。LED的結(jié)構(gòu)和LD相似，大多是采用雙異質(zhì)結(jié)(DH)芯片，把有源層夾在P型和N型限制層中間，不同的是LED不需要光學(xué)諧振腔，沒(méi)有閾值。140發(fā)光二極管(LED)發(fā)光二極管(LED)的工作原理與激光器(激光器相比，發(fā)光二極管輸出光功率較小，譜線寬度較寬，調(diào)制頻率較低。但發(fā)光二極管性能穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)，輸出光功率線性范圍寬，而且制造工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉。141激光器相比，發(fā)光二極管輸出光功率較小，譜線寬度較寬，調(diào)制頻率超輻射發(fā)光二極管(SLD)SLD光源是在激光二極管(LD)的基礎(chǔ)上改造而成，通過(guò)對(duì)SLD施加較大的驅(qū)動(dòng)電流，在雙異質(zhì)結(jié)處產(chǎn)生較強(qiáng)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，從而提高自發(fā)輻射光子的單程增益，因此,即便由于抑制激光效應(yīng)而減少了光子在腔內(nèi)的反饋次數(shù),但SLD仍然具有相對(duì)較高的輸出功率。主要應(yīng)用于光纖陀螺142超輻射發(fā)光二極管(SLD)SLD光源是在激光二極管(LD)的光纖陀螺的概述·光纖陀螺是一種輕便的由固體元件組成的全固態(tài)器件，作為新一代角速度敏感器件。光纖陀螺實(shí)物：143光纖陀螺的概述·光纖陀螺是一種輕便的由固體元件組成的全固光纖陀螺的概述

基本原理：Sagnac效應(yīng)

薩納克效應(yīng)是相對(duì)慣性空間轉(zhuǎn)動(dòng)的閉環(huán)光路中所傳播光的一種普遍的相關(guān)效應(yīng)，即在同一閉合光路中從同一光源發(fā)出的兩束特征相等的光，以相反的方向進(jìn)行傳播，最后匯合到同一探測(cè)點(diǎn)。若繞垂直于閉合光路所在平面的軸線，相對(duì)慣性空間存在著轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，則正、反方向傳播的光束走過(guò)的光程不同，就產(chǎn)生光程差，其光程差與旋轉(zhuǎn)的角速度成正比。因而只要知道了光程差及與之相應(yīng)的相位差的信息，即可得到旋轉(zhuǎn)角速度。

系統(tǒng)靜止系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)144光纖陀螺的概述基本原理：Sagnac效應(yīng)傳輸相位差：

如何檢測(cè)相位差？利用光的干涉：振動(dòng)頻率相同、方向相同、相位差恒定

通過(guò)檢測(cè)光強(qiáng)來(lái)檢測(cè)相位差，進(jìn)而檢測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)角速率。光纖陀螺的概述145傳輸相位差：如何檢測(cè)相位差？通過(guò)檢測(cè)光強(qiáng)來(lái)檢測(cè)相光纖陀螺的概述146光纖陀螺的概述51光纖陀螺的優(yōu)點(diǎn)與機(jī)電陀螺或激光陀螺相比，光纖陀螺具有如下特點(diǎn)：(1)較強(qiáng)的抗沖擊和抗加速運(yùn)動(dòng)的能力;(2)檢測(cè)靈敏度和分辨率高精度;(3)較長(zhǎng)的使用壽命；(4)可以實(shí)現(xiàn)不同的精度，并具有較寬的動(dòng)態(tài)范圍;(5)瞬間啟動(dòng)，無(wú)需預(yù)熱;(6)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低，體積小、重量輕．147光纖陀螺的優(yōu)點(diǎn)與機(jī)電陀螺或激光陀螺相比，光纖陀螺具有如下特點(diǎn)光纖陀螺的發(fā)展現(xiàn)狀美國(guó)美國(guó)在光纖陀螺的研究方面一直保持領(lǐng)先地位。目前美國(guó)國(guó)內(nèi)已經(jīng)有多種型號(hào)的光纖陀螺投入使用。

日本日本緊隨美國(guó)之后，在中低精度陀螺實(shí)用化方面走在了世界前列。許多公司都開(kāi)始批量生產(chǎn)多種中低精度的光纖陀螺。中國(guó)我國(guó)光纖陀螺的研究相對(duì)起步較晚，但是在廣大科研工作者的努力下，已經(jīng)逐步拉近了與發(fā)達(dá)國(guó)家間的差距。148光纖陀螺的發(fā)展現(xiàn)狀美國(guó)美國(guó)在光纖陀螺的研究方面一直保持領(lǐng)先地光纖陀螺的發(fā)展現(xiàn)狀級(jí)別零偏穩(wěn)定性(度/小時(shí))標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性速率級(jí)10~10000.1~1%戰(zhàn)術(shù)級(jí)0.1~1010~1000ppm慣性級(jí)0.01<5ppm戰(zhàn)略級(jí)0.001<1ppm光纖陀螺應(yīng)用級(jí)別劃分標(biāo)度因數(shù)：陀螺儀輸出量與輸入角速度的比值，反映陀螺的靈敏度。149光纖陀螺的發(fā)展現(xiàn)狀級(jí)別零偏穩(wěn)定性(度/小時(shí))標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性速光纖陀螺的應(yīng)用速率級(jí)機(jī)器人地下建造隧道管道路徑勘測(cè)裝置汽車(chē)導(dǎo)航150光纖陀螺的應(yīng)用速率級(jí)機(jī)器人地下建造隧道管道路徑勘測(cè)裝置汽車(chē)導(dǎo)光纖陀螺的應(yīng)用戰(zhàn)術(shù)級(jí)戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈近程/中程導(dǎo)彈裝甲車(chē)和坦克制導(dǎo)魚(yú)雷慣性級(jí)、戰(zhàn)略級(jí)光纖陀螺主要是用于空間定位和潛艇導(dǎo)航，其開(kāi)發(fā)和研制正逐步走向成熟，美國(guó)有關(guān)公司和研究機(jī)構(gòu)是研制、生產(chǎn)該級(jí)別光纖陀螺的佼佼者，如Honeywell、Northrop等公司。151光纖陀螺的應(yīng)用戰(zhàn)術(shù)級(jí)戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈近程/中程導(dǎo)彈裝甲車(chē)和坦克光纖陀螺的應(yīng)用最新應(yīng)用：天宮一號(hào)光纖陀螺作用：精確地感知自身的微小動(dòng)作，從而更好地確保飛行姿態(tài)精確控制以及與飛船交會(huì)對(duì)接。152光纖陀螺的應(yīng)用最新應(yīng)用：天宮一號(hào)光纖陀螺作用：精確地感知自身激光器的應(yīng)用激光，作為一種新類型的光登上舞臺(tái)，帶來(lái)光學(xué)應(yīng)用技術(shù)的革命，已在生產(chǎn)、生活、國(guó)防的各個(gè)方面都有著應(yīng)用，幾乎成為所有現(xiàn)代技術(shù)依賴的手段。在此不可能加以詳述，僅就一些常見(jiàn)的應(yīng)用作簡(jiǎn)要介紹。153激光器的應(yīng)用激光，作為一種新類型的光登上舞臺(tái)，帶來(lái)光學(xué)應(yīng)用技1.用激光固定原子：氣態(tài)原子、分子處在永不停息的運(yùn)動(dòng)中（速度接近340m/s），且不斷與其它原子、分子碰撞，要“捕獲”操縱它們十分不易。1997年華裔科學(xué)家、美國(guó)斯坦福大學(xué)朱棣文等人，首次采用激光束將原子束冷卻到極低溫度，使其速度比通常作熱運(yùn)動(dòng)時(shí)降低，達(dá)到“捕獲”操縱的目的。1541.用激光固定原子：59具體作法是，用六路兩兩成對(duì)的正交激光束，沿三個(gè)相互垂直的方向射向同一點(diǎn)，光束始終將原子推向這點(diǎn)，于是約106個(gè)原子形成的小區(qū)，其溫度在240μK以下。這樣使原子的速度減至10m/s量級(jí)。后來(lái)又制成抗重力的光-磁陷阱，使原子在約1s內(nèi)從控制區(qū)墜落后被捕獲。155具體作法是，用六路兩兩成對(duì)的正交激光束，沿三個(gè)相互垂直的方向2.激光測(cè)距激光雷達(dá)激光準(zhǔn)直利用激光的高亮度和極好的方向性，做成激光測(cè)距儀、激光雷達(dá)和激光準(zhǔn)直儀。激光制導(dǎo)的導(dǎo)彈，頭部有四個(gè)排成十字形的激光接收器（四象限探測(cè)儀）。如果四個(gè)接收器收到的激光一樣多，就按原來(lái)方向飛行，如果有一個(gè)接收器接收的激光少了，它就自動(dòng)調(diào)整方向。另一類可用激光束照射要打擊的目標(biāo)，經(jīng)目標(biāo)反射的激光被導(dǎo)彈上的接收器收到，引導(dǎo)導(dǎo)彈擊中目標(biāo)。1562.激光測(cè)距激光雷達(dá)激光準(zhǔn)直613.全息技術(shù)是1948年英國(guó)科學(xué)家蓋伯提出的一種新的成像原理，“全息”一詞引處希臘語(yǔ)，是“完全”的意思。但由于當(dāng)時(shí)沒(méi)有好的相干光源，因而無(wú)法獲得好的相干像片。激光的出現(xiàn)，使全息術(shù)飛速發(fā)展成為一個(gè)新領(lǐng)域，蓋伯因此獲1971年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1573.全息技術(shù)是1948年英國(guó)科學(xué)家蓋伯提出的一種新的成普通照像是把從物體表面發(fā)出的光經(jīng)過(guò)透鏡，在感光底片上記錄下物體的光強(qiáng)分布，再翻印到相紙上，呈現(xiàn)出物體的平面圖像。普通照像只記錄了物體表面的光強(qiáng)分布，沒(méi)有記錄到物體各部分到觀察者