光导纤维与光纤传感器

1、关于光导纤维与光纤传感器现在学习的是第一页，共36页 例如，在石英中加入折射率低于石英例如，在石英中加入折射率低于石英的的B2O3，即包层材料为，即包层材料为B2O3SiO2 例如，在石英中加入折射率高于石英例如，在石英中加入折射率高于石英的的GeO2或或P2O3；称为锗；称为锗-硅光纤或磷硅光纤或磷-硅光硅光纤。纤。 纤芯纤芯是由玻璃、石英或塑料等制成的圆柱体，一般直径约是由玻璃、石英或塑料等制成的圆柱体，一般直径约为为5150微米微米. . 围绕着纤芯的那一层叫包层，材料也是玻璃或塑料等。围绕着纤芯的那一层叫包层，材料也是玻璃或塑料等。 纤芯的折射率纤芯的折射率n1(1.5) 包层的折射率

2、包层的折射率n2(1.485)。 外套外套起保护光纤的作用，其折射率起保护光纤的作用，其折射率n3 包层的折射率包层的折射率 由于纤芯和包层构成了一个由于纤芯和包层构成了一个同心圆双层结构同心圆双层结构，所以光纤，所以光纤具有使光束封闭在纤芯里面传输的功能。具有使光束封闭在纤芯里面传输的功能。通常人们又把较长的或多股的光纤称之为通常人们又把较长的或多股的光纤称之为光缆光缆。一一 光导纤维基础知识光导纤维基础知识（一）光纤的结构（一）光纤的结构光纤由纤芯、包层及外套组成光纤由纤芯、包层及外套组成纤芯纤芯包层包层套塑套塑涂覆层涂覆层121nnn 2211 () / 2nn 01. 0芯包间芯包间相

3、对折射率差为相对折射率差为:现在学习的是第二页，共36页 梯度型光纤：梯度型光纤：纤芯内的折射率从中心轴线开始沿径纤芯内的折射率从中心轴线开始沿径向按抛物线规律变化向按抛物线规律变化, ,中心轴线折射率最大中心轴线折射率最大, ,光在传播中光在传播中会自动地从折射率小的界面处向中心会聚会自动地从折射率小的界面处向中心会聚. . 在纤芯内，中心光线沿光纤的轴线传播，通过轴在纤芯内，中心光线沿光纤的轴线传播，通过轴线的子午光线呈正弦波曲线。线的子午光线呈正弦波曲线。 梯度型光纤梯度型光纤又称为自聚焦光纤又称为自聚焦光纤,其折射率分布为其折射率分布为 纤芯的折射率纤芯的折射率n1分布均匀，固定不变；

4、包层内的折分布均匀，固定不变；包层内的折射率射率n2 2分布也大体均匀，但纤芯到包层的折射率变化呈分布也大体均匀，但纤芯到包层的折射率变化呈台阶状。台阶状。 在纤芯内，中心光线沿光纤的轴线传播，通过在纤芯内，中心光线沿光纤的轴线传播，通过轴线的子午光线呈锯齿形轨迹。那么什么是子午光轴线的子午光线呈锯齿形轨迹。那么什么是子午光线？线？( (二二) )光纤的种类光纤的种类 (1) (1) 根据折射率的变化规律，光纤分为阶跃型根据折射率的变化规律，光纤分为阶跃型(Step Index Fiber)和梯度型和梯度型(Graded Index Fiber)两种两种 阶跃型光纤阶跃型光纤: : 折射率折射

5、率折射率折射率g121 2 () nr aranna rb 现在学习的是第三页，共36页 归一化频率是光纤的最重要的结构参数，是一个归一化频率是光纤的最重要的结构参数，是一个直接与频率成正比的无量纲的量，它能表征光纤中传直接与频率成正比的无量纲的量，它能表征光纤中传播模式的数量。播模式的数量。 光纤中只允许传播一个模式，即基模。光纤中只允许传播一个模式，即基模。V2.405也就是单模光纤单模传输的条件也就是单模光纤单模传输的条件 单模光纤在给定的工作波长上，只能传输单一基单模光纤在给定的工作波长上，只能传输单一基模（模（HE11），其它高阶模均被截止。），其它高阶模均被截止。 (3) (3)

6、根据传播波长，光纤分为根据传播波长，光纤分为短波长短波长和和长波长长波长两种：两种：短波长是短波长是0.85微米，长波长是微米，长波长是1.3和和1.55微米微米 “麦氏方程组麦氏方程组+光纤的边界条件光纤的边界条件”的解就是光纤中的解就是光纤中的可能传播的模式。的可能传播的模式。 光纤中的光纤中的模和光纤的性能参数有关：模和光纤的性能参数有关：如纤芯直径大小，如纤芯直径大小，折射率分布因子，光纤芯包的相对折射率差，数值孔径和传折射率分布因子，光纤芯包的相对折射率差，数值孔径和传播的波长等有关。播的波长等有关。 (2) (2) 根据传输模式，光纤分为根据传输模式，光纤分为单模单模和和多模多模两

7、种两种 什么是光纤中的什么是光纤中的模式？模式？ 光纤中的光纤中的模式：模式：是指电磁场在光纤中可能的存在方是指电磁场在光纤中可能的存在方式，可能的传播方式。式，可能的传播方式。 光纤中的光纤中的模大略可分为两类：模大略可分为两类：传导模和辐射模传导模和辐射模 在在光纤中还有一个比较有用的归一化频率参数光纤中还有一个比较有用的归一化频率参数V22212221nannaV405. 2V221VN 现在学习的是第四页，共36页（三）光纤的传光原理（三）光纤的传光原理 当光线以较小的入射角当光线以较小的入射角由光密媒质由光密媒质n1射入光疏射入光疏媒质媒质n2时时2211sinsinnn若继续加大入

8、射角若继续加大入射角,使得折射角为使得折射角为90度，此时入射角为？度，此时入射角为？ 2折射光折射光反射光反射光1入射光入射光折射率折射率n2折射率折射率n1界面法线界面法线 折射光折射光 若继续加大入射角若继续加大入射角, 光不再产生折射，而只有在光密媒质光不再产生折射，而只有在光密媒质中的反射，即形成了光的全反射现象中的反射，即形成了光的全反射现象2c1arcsin()nn现在学习的是第五页，共36页 本征吸收本征吸收是物质固有的是物质固有的, ,主要由紫外红外波段电子跃迁与振主要由紫外红外波段电子跃迁与振动跃迁引起动跃迁引起. .杂质吸收杂质吸收由于材料的正过渡离子的电子跃迁和由于材料

9、的正过渡离子的电子跃迁和OHOH- -的分子振动引起的分子振动引起. .原子吸收原子吸收由于强烈的热和光或者辐射使光纤材料受由于强烈的热和光或者辐射使光纤材料受激出现缺陷而致激出现缺陷而致. . 光纤的弯曲也会造成散射损耗光纤的弯曲也会造成散射损耗：光纤边界条件的变化，使光：光纤边界条件的变化，使光在光纤中无法进行全反射传输。光纤的弯曲半径越小，造成在光纤中无法进行全反射传输。光纤的弯曲半径越小，造成的散射损耗越大。的散射损耗越大。 多模短波长多模短波长( (0.8-0.9m) )光纤为光纤为2.5dB/km-3dB/km；多模光纤损耗的指标大致为：多模光纤损耗的指标大致为： 散射损耗散射损耗

10、是由于光纤材料的不均匀或存在缺陷引起的。如是由于光纤材料的不均匀或存在缺陷引起的。如瑞利散射就是由于材料的缺陷引起折射率随机性变化所致。瑞利散射就是由于材料的缺陷引起折射率随机性变化所致。 例如例如: :“1966“1966年，年，高锟高锟用纯度极高的玻璃纤维在超过用纯度极高的玻璃纤维在超过100km的距离以上成功传输了光信号的距离以上成功传输了光信号，而在，而在60年代普通的纤维年代普通的纤维只能传输光信号只能传输光信号20m远。远。” 物质对光的吸收物质对光的吸收作用将使传输的光能变成热能，造成光能的损作用将使传输的光能变成热能，造成光能的损失失 入射光纤中的光，由于存在着费涅耳反射损耗、

11、吸收损耗、入射光纤中的光，由于存在着费涅耳反射损耗、吸收损耗、全反射损耗以及弯曲损耗等，光纤不可能百分之百地将入射光的能全反射损耗以及弯曲损耗等，光纤不可能百分之百地将入射光的能量传播出去。量传播出去。( (四四) )光纤的传输特性光纤的传输特性表征光纤时的特性参数有表征光纤时的特性参数有：传输损耗传输损耗色散色散容量容量 抗拉强度抗拉强度 集光本领集光本领1 1、传输损耗、传输损耗 当光纤长度为当光纤长度为L，输入与输出的光功率分别为，输入与输出的光功率分别为Pi和和P0时时, ,光纤光纤的损耗系数的损耗系数光纤损耗主要包括光纤损耗主要包括吸收损耗和散射损耗吸收损耗和散射损耗 OH-离子难以

12、根除离子难以根除,其分子振动跃迁在波段其分子振动跃迁在波段0.85m,1.31m,1.55m吸收很少吸收很少,最小在最小在1.55m 吸收损耗包括吸收损耗包括: :本征吸收本征吸收, ,杂质吸收和原子吸收杂质吸收和原子吸收. .dB/km)(lg10ioPPL多模长波长多模长波长( (1.5m) )光纤为光纤为1dB/km-1.5dB/km；单模长波长光纤为单模长波长光纤为0.2dB/km-0.5dB/km。 杂质：金属离子杂质：金属离子Fe、Co、Ni、Mn现在学习的是第六页，共36页)km/s (221cnLG梯度型光纤的时延差为：梯度型光纤的时延差为： 对长波长光纤来说，在对长波长光纤来

13、说，在1.31.3m m附近有零色散区，这是目前附近有零色散区，这是目前较长距离大容量光纤通信选择较长距离大容量光纤通信选择1.31.3m m为中心波长的主要原因！为中心波长的主要原因！ 模式色散实际是指光线到达接收端的时延差！模式色散实际是指光线到达接收端的时延差！)km/s (1cnLs阶跃型光纤的时延差为：阶跃型光纤的时延差为： 材料的折射率随波长的变化而变化，因光信号中各波长分量材料的折射率随波长的变化而变化，因光信号中各波长分量的群速度不同而引起的色散称为材料色散的群速度不同而引起的色散称为材料色散( (又称为又称为折射率色散折射率色散) )； 光纤的色散光纤的色散就是输入脉冲在光纤

14、内的传输过程中，由就是输入脉冲在光纤内的传输过程中，由于光波的群速度不同而出现的脉冲展宽现象。于光波的群速度不同而出现的脉冲展宽现象。 由于波导结构不同，某一波导模式的传播常数随着信由于波导结构不同，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称为波导色散号角频率变化而引起的色散称为波导色散( (结构色散结构色散) )； 在多模光纤中由于各个模式在同一角频率下的传播常数不在多模光纤中由于各个模式在同一角频率下的传播常数不同，群速度不同而产生的色散称为多模色散同，群速度不同而产生的色散称为多模色散( (又称为又称为模式色散模式色散) ) 。 光纤色散使传输的信号脉冲发生畸变，从而限制了光

15、纤的传输光纤色散使传输的信号脉冲发生畸变，从而限制了光纤的传输带宽带宽. .2.2.色散色散 (1)(1)材料色散材料色散(2)(2)波导色散波导色散(3)(3)多模色散多模色散三种色散的大小顺序是三种色散的大小顺序是: :多模色散多模色散材料色散材料色散波导色散波导色散光纤色散光纤色散材料色散材料色散波导色散波导色散多模色散多模色散)kmnm/ps(d)(dd22ncLm 单模光纤不存在模式色散单模光纤不存在模式色散, ,但由于它存在两个但由于它存在两个相互垂直的线偏模相互垂直的线偏模, ,因此存在偏振色散因此存在偏振色散对单模光纤而言：对单模光纤而言：m3 . 1处衰减量较大，但总色散为处

16、衰减量较大，但总色散为0 0；m55. 1处衰减量最小，但色散值较大；处衰减量最小，但色散值较大； 为了得到衰减量小，色散值为为了得到衰减量小，色散值为0 0的光纤，采用的光纤，采用0 0色散迁移的色散迁移的办法，把办法，把0 0色散位置从色散位置从m3 . 1m55. 1现在学习的是第七页，共36页 输入光纤的可能是强度连续变化的光束输入光纤的可能是强度连续变化的光束, ,也可能是一组光脉也可能是一组光脉冲冲, ,由于光纤色散现象由于光纤色散现象, ,会使脉冲展宽会使脉冲展宽, ,造成信号畸变造成信号畸变, ,从而限制从而限制了光纤的信息容量和品质。了光纤的信息容量和品质。 设光源的中心频率

17、为设光源的中心频率为 ，带宽为，带宽为 ，某一模式光，某一模式光的传播常数为的传播常数为 ，则总的延迟增量为，则总的延迟增量为 0ff0|12200ffdkdkffc式中：式中： ； ，c c为真空中的光速。为真空中的光速。cf2k00cf2k3.3.容量容量光脉冲的展宽程度可以用延迟时间来反映。光脉冲的展宽程度可以用延迟时间来反映。 光纤的弯曲性与光纤的抗拉强度有很大关系。抗拉强度大的光光纤的弯曲性与光纤的抗拉强度有很大关系。抗拉强度大的光纤纤, ,不仅强度高不仅强度高, ,可挠性也好。同时可挠性也好。同时, ,其环境适应性能也强。其环境适应性能也强。 4.4.抗拉强度抗拉强度 光纤的抗拉强

18、度取决于材料的纯度、分子结构状态、光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。纤的粗细及缺陷等因素。现在学习的是第八页，共36页0.01 121nnn 如果如果那么那么 光纤波导的弱导条件是光纤与微波介质圆波导之间的重要光纤波导的弱导条件是光纤与微波介质圆波导之间的重要差别之一差别之一. . 弱导的基本含义：弱导的基本含义：很小的折射率差就可能构成良好的很小的折射率差就可能构成良好的光纤波导结构，而且为工艺制造提供了方便。光纤波导结构，而且为工艺制造提供了方便。2211 () / 2nn 假设芯包间的相对折射率差为假设芯包间的相对折射率差为： 5.5.收光本领收光本

19、领cNsinA 光纤的数值孔径光纤的数值孔径NA定义为：定义为：当光从空气中入射到光纤端当光从空气中入射到光纤端面时的光锥半角之正弦：面时的光锥半角之正弦： 光锥的大小是使此角锥内所有方位的光线一旦进入光纤，就光锥的大小是使此角锥内所有方位的光线一旦进入光纤，就被截留在纤芯中，沿着光纤传播。被截留在纤芯中，沿着光纤传播。 对于阶跃型光纤，其数值孔径可表示为对于阶跃型光纤，其数值孔径可表示为222101sinAnnnNc 光纤的集光本领与数值光纤的集光本领与数值孔径有密切的关系孔径有密切的关系: :2221AnnN数值孔径只决数值孔径只决定于光纤的折定于光纤的折射率，与光纤射率，与光纤的尺寸无关

20、的尺寸无关从真空入射时从真空入射时：1 21(2 )NAn光纤波导的光纤波导的弱导条件弱导条件想一想：想一想：该公式是怎么得到的？该公式是怎么得到的？ 光纤可以做得很细使之柔软、弯曲。当光纤的数值孔径光纤可以做得很细使之柔软、弯曲。当光纤的数值孔径最大时，光纤的集光本领也最大。最大时，光纤的集光本领也最大。数值孔径的数值一般为：数值孔径的数值一般为：0.20-0.25kA现在学习的是第九页，共36页光纤耦合器是实现光信号分路光纤耦合器是实现光信号分路/ /合路的功能器件合路的功能器件。 光纤弱耦合光纤弱耦合是通过光纤的弯曲或使其耦合处成锥状是通过光纤的弯曲或使其耦合处成锥状. .于于是是, ,

21、纤芯中的部分传导模变为包层模纤芯中的部分传导模变为包层模, ,再由包层进入耦合臂再由包层进入耦合臂中的纤芯中的纤芯, ,形成传导模。形成传导模。 把光纤埋入玻璃块的弧形槽中，将其侧面研磨抛光，使光纤耦把光纤埋入玻璃块的弧形槽中，将其侧面研磨抛光，使光纤耦合处的包层厚度达到一定的要求，然后将两根光纤拼接在一起。合处的包层厚度达到一定的要求，然后将两根光纤拼接在一起。( (五五) )光纤的耦合光纤的耦合光纤的耦合分为光纤的耦合分为强耦合强耦合和和弱耦合弱耦合两种两种 光纤强耦合光纤强耦合是光纤纤芯间形成直通，传输模直接进人耦合臂是光纤纤芯间形成直通，传输模直接进人耦合臂 常用的耦合方式有三种常用的

22、耦合方式有三种：拼接拼接型型(2) (2) 将两根光纤稍加扭绞，用微火炬对耦合部位进行加热，将两根光纤稍加扭绞，用微火炬对耦合部位进行加热，在熔融过程中拉伸光纤，最后拉细成型。在熔融过程中拉伸光纤，最后拉细成型。熔融拉熔融拉锥型锥型 此时此时, ,在两根光纤的耦合部位形成双锥区在两根光纤的耦合部位形成双锥区, ,两根光纤包层合两根光纤包层合并在一起并在一起, ,纤芯变细并靠近纤芯变细并靠近, ,形成了一个新的合成光波通路形成了一个新的合成光波通路. .根据靠根据靠近程度的不同近程度的不同, ,可构成弱耦合或强耦合。可构成弱耦合或强耦合。 Pin耦合臂耦合臂直通臂直通臂现在学习的是第十页，共36

23、页 还可通过控制扭力或张力，调节光纤间距，以还可通过控制扭力或张力，调节光纤间距，以达到调节光纤耦合强弱的目的。达到调节光纤耦合强弱的目的。(3) (3) 将光纤的局部外套去掉将光纤的局部外套去掉剥离护剥离护套扭绞套扭绞固化固化然后进行加固然后进行加固。腐蚀腐蚀 腐蚀掉光纤耦合部位的大部腐蚀掉光纤耦合部位的大部分包层，并将两根光纤的纤芯紧分包层，并将两根光纤的纤芯紧紧扭绞在一起；紧扭绞在一起；现在学习的是第十一页，共36页 在检测技术中光纤照明器常制成叉型，在检测技术中光纤照明器常制成叉型，又叫做又叫做Y Y形光纤耦合器形光纤耦合器。合成一端作为探头，探测待测信息；两枝。合成一端作为探头，探测

24、待测信息；两枝分束光纤一枝接受光源的光，另一枝输出返回探头的光，分束光纤一枝接受光源的光，另一枝输出返回探头的光，从而使光电探测器获得所需的光信息。从而使光电探测器获得所需的光信息。 二二 光导纤维的应用光导纤维的应用 光导纤维除应用于光通信光导纤维除应用于光通信, ,传感器外传感器外, ,还可用于导还可用于导光和传像。光和传像。（一）光纤在直接导光方面的应用（一）光纤在直接导光方面的应用 利用光纤柔软可弯曲的特点，可按需要制成各种利用光纤柔软可弯曲的特点，可按需要制成各种导光器导光器1.1.光纤照明器光纤照明器 1)1) 线状照明线状照明 光源所发之光经透镜进入圆形光纤束的一端，光源所发之光

25、经透镜进入圆形光纤束的一端，另一端可以排成另一端可以排成圆形、方形或三角形圆形、方形或三角形等多种形状，等多种形状，实现所需形状的光输出。实现所需形状的光输出。 光源所发的光汇聚进入光纤束的一端，另一端光源所发的光汇聚进入光纤束的一端，另一端按需要由多束光纤输出，分别照明所需照明的位置按需要由多束光纤输出，分别照明所需照明的位置。2) 2) 多路照明多路照明3 3）检测照明检测照明现在学习的是第十二页，共36页2 2光纤束行扫描器光纤束行扫描器条状光条状光源源 待测物待测物 光电探光电探测器测器 转换器转换器 多种光的合成多种光的合成: :利用光纤比利用光学系统方便得多。利用光纤比利用光学系统

26、方便得多。 3 3光纤直接导光的应用光纤直接导光的应用 激光手术刀激光手术刀: :利用光纤束传输激光，使激光能量以高入射功利用光纤束传输激光，使激光能量以高入射功率密度率密度(110W)聚焦在人体某部分组织表面上，辐射能被人聚焦在人体某部分组织表面上，辐射能被人体组织吸收、升温、最后气化而切除。体组织吸收、升温、最后气化而切除。 激光加工、加热，以及海底供能激光加工、加热，以及海底供能: :采用光纤束传输能采用光纤束传输能量是最佳的方案。量是最佳的方案。 直线直线-圆环光纤转换器和圆环光纤转换器和Z Z型导光管型导光管可以对移动目标实现图可以对移动目标实现图象信号的采集。象信号的采集。 条状光

27、源条状光源照明移动的带状待测物的一行照明移动的带状待测物的一行, ,线状排列的光纤线状排列的光纤将光源所照明的那一行物体的信息采入，并传递到光纤圆环将光源所照明的那一行物体的信息采入，并传递到光纤圆环上。上。 Z Z型导光管型导光管以输出光轴为旋转轴扫描圆环，将圆环光纤输以输出光轴为旋转轴扫描圆环，将圆环光纤输出信息按时序由聚光镜会聚于光电探测器上。光电探测器输出出信息按时序由聚光镜会聚于光电探测器上。光电探测器输出的时序信号就是对待测物的扫描信号。的时序信号就是对待测物的扫描信号。现在学习的是第十三页，共36页 利用光纤传像束可弯曲的特点，可制成各种内窥镜，以实现对利用光纤传像束可弯曲的特点

28、，可制成各种内窥镜，以实现对用一般光学方法难以观察到的地方进行窥视。用一般光学方法难以观察到的地方进行窥视。医用光纤内窥镜主要医用光纤内窥镜主要由光源及传光部分，成像部分、传像部分和观察记录部分组成由光源及传光部分，成像部分、传像部分和观察记录部分组成。 许多工作场合需要对多处目标进行切换观察，可采用光纤图像换许多工作场合需要对多处目标进行切换观察，可采用光纤图像换向系统来实现。向系统来实现。它由目标图像采集系统、图像切换系统，以及观它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组成察和记录系统等组成。 完成传像功能的光纤制品主要是完成传像功能的光纤制品主要是光纤传像束光纤传像束和和

29、硬性光纤硬性光纤器件器件( (光纤面板、扭像器和光纤锥等光纤面板、扭像器和光纤锥等) )。( (二二) ) 光纤制品在传像方面的应用光纤制品在传像方面的应用1.1.各种内窥镜各种内窥镜2.2.光纤图像换向器光纤图像换向器光纤传像束光纤传像束 物镜物镜L L 图像切换系统由图像切换系统由旋转棱镜旋转棱镜P P及有关机构组成。棱镜及有关机构组成。棱镜P P按要求按要求转动，使待观察的目标像引入棱镜后或转到转动，使待观察的目标像引入棱镜后或转到观察系统观察系统B B供人眼供人眼观看。或转到观看。或转到记录器记录器A A记录图像。只需转动棱镜记录图像。只需转动棱镜P P就可对就可对N N个目标进个目标

30、进行依次观察或选择观察。行依次观察或选择观察。 现在学习的是第十四页，共36页 生产生产OFPOFP的材料主要是稀有金属、金属和非金属的氧化物。的材料主要是稀有金属、金属和非金属的氧化物。芯芯要选用高折射系数的原料要选用高折射系数的原料, ,如氧化钡、氧化锆等如氧化钡、氧化锆等; ;包皮包皮要选用低要选用低折射系数的原料折射系数的原料, ,如如: :二氧化硅、氧化钾、氧化钠、三氧化二铝等二氧化硅、氧化钾、氧化钠、三氧化二铝等; ;光吸收层光吸收层是在包皮玻璃的基础上再加入着色剂如是在包皮玻璃的基础上再加入着色剂如: :氧化钴、氧化铁、氧化钴、氧化铁、二氧化锰、氧化镍等。二氧化锰、氧化镍等。光吸

31、收玻璃是一种不透明的黑色玻璃光吸收玻璃是一种不透明的黑色玻璃, ,其作用是将穿透包皮玻璃其作用是将穿透包皮玻璃的杂散光吸收掉的杂散光吸收掉, ,以提高图像的对比度及分辨率。以提高图像的对比度及分辨率。 OFP：用多根单光纤经热压工艺而制成真空气密性良好的光用多根单光纤经热压工艺而制成真空气密性良好的光纤棒，然后进行切片、抛光而成的一种可传递光学图像的光纤器纤棒，然后进行切片、抛光而成的一种可传递光学图像的光纤器件；是一种板状传像元件，其形状各式各样件；是一种板状传像元件，其形状各式各样: : 据端面的形据端面的形状分：双平面状分：双平面型和平型和平- -凹球面凹球面型；型； 平平- -凹球面型

32、的凹球面型的OFPOFP用于制作准用于制作准球对称电子光球对称电子光学系统的像管学系统的像管 据传像性能分据传像性能分为普通为普通OFPOFP、变、变放大率的锥形放大率的锥形OFPOFP和传递倒像和传递倒像的扭像器的扭像器 OFP OFP主要由三种玻璃组成主要由三种玻璃组成: :芯玻璃、包皮玻璃、光吸收玻璃芯玻璃、包皮玻璃、光吸收玻璃 如前所述如前所述, ,光纤面板属于工艺性较强的技术产品。工艺过程中光纤面板属于工艺性较强的技术产品。工艺过程中有许多技术秘密有许多技术秘密 , , 每种玻璃的配方是生产光纤面板的技术关每种玻璃的配方是生产光纤面板的技术关键键, ,国外有不少这方面的专利。国内各厂

33、家对配料均为保密技国外有不少这方面的专利。国内各厂家对配料均为保密技术术, ,生产工艺也不尽完全相同。生产工艺也不尽完全相同。 用光纤面板作为单管的输入和输出窗用光纤面板作为单管的输入和输出窗, ,使级间直接耦合使级间直接耦合, ,会极会极大地提高光能的利用率大地提高光能的利用率, ,光纤面板还可校正电子光学系统产生的光纤面板还可校正电子光学系统产生的场曲场曲, ,例如例如光纤面板平像场器光纤面板平像场器 在真空光电器件和真空摄像器件中，在真空光电器件和真空摄像器件中，光纤面板主要是用来充光纤面板主要是用来充当输入窗口、输出窗口或管内传像器件当输入窗口、输出窗口或管内传像器件。 光纤面板的基本

34、生产过程和工艺流程为光纤面板的基本生产过程和工艺流程为: :玻璃的配料玻璃的配料及熔制、拉丝、排板、热压、冷加工、检验。其中化料、及熔制、拉丝、排板、热压、冷加工、检验。其中化料、拉丝和热压是关键工序。拉丝和热压是关键工序。 光学面板具有光学面板具有传光效率高，级间耦合损失小，传像清晰、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真实，在光学上具有零厚度等特点。等特点。 为了正确传递图像，为了正确传递图像，光纤间必须相关排列光纤间必须相关排列，由棒中切出的，由棒中切出的每块面板的输入与输出端面空间阵列相对应。每块面板的输入与输出端面空间阵列相对应。3 3 光纤面板光纤面板 O

35、FP( (Optic Fiber Plates ) )场曲：场曲：指整个指整个像平面是一个像平面是一个曲面曲面 芯玻璃是一种高折射率玻璃芯玻璃是一种高折射率玻璃, ,是光的通路是光的通路; ;包皮玻璃为低折射率玻璃包皮玻璃为低折射率玻璃, ,起界面全反射作用起界面全反射作用; ;22102nnn 一代像增强器：一代像增强器：输入和输出输入和输出窗均由窗均由OFP构成；这是利用了构成；这是利用了OFP之间通过光学接触即可传之间通过光学接触即可传像的性能，可直接耦合像的性能，可直接耦合OFP使得像增强器获得的优点是：使得像增强器获得的优点是： 增加了传递图像的传光效率；增加了传递图像的传光效率；提

36、供了采用准球对称电子光学系统的可能性，改善了像质；提供了采用准球对称电子光学系统的可能性，改善了像质；可制成锥形可制成锥形OFPOFP或光纤扭像器。或光纤扭像器。现在学习的是第十五页，共36页 锥形光纤所组成的锥形光纤所组成的OFPOFP称为称为锥形锥形OFP,OFP,具有放大和缩小图具有放大和缩小图像的作用；锥形像的作用；锥形OFPOFP传递图像传递图像的原理和普通的原理和普通OFPOFP相同，只是相同，只是图像传递的放大率不为图像传递的放大率不为1 1 若若OFP能成倒像这种能成倒像这种OFP称之为称之为光纤倒像器；光纤扭像器是光纤倒像器；光纤扭像器是将图像旋转将图像旋转180o后输出，使

37、倒像转为正像。后输出，使倒像转为正像。 光纤倒像器目前主要光纤倒像器目前主要用来代替微光夜视仪中的用来代替微光夜视仪中的中继透镜系统，也被广泛中继透镜系统，也被广泛应用于需要倒像的装置中应用于需要倒像的装置中通过倒像器通过倒像器光锥广泛应用于像增光锥广泛应用于像增强器耦合以及电视成强器耦合以及电视成像和先进的光电成像像和先进的光电成像应用方面应用方面现在学习的是第十六页，共36页第三环带光：第三环带光：是光纤外皮是光纤外皮向内芯串光产生的光环向内芯串光产生的光环OFP在光纤内只传递入射角小于孔径角在光纤内只传递入射角小于孔径角的光线，大于孔径角的光线的一部分将的光线，大于孔径角的光线的一部分将

38、要由光纤芯折射到外皮中形成杂散光，要由光纤芯折射到外皮中形成杂散光，从而破坏图像的传递特性从而破坏图像的传递特性221201sinNA=nnn表征光学元件集光性能的参数是数值孔径表征光学元件集光性能的参数是数值孔径当入射面与子午面夹角为当入射面与子午面夹角为时，数值孔径为时，数值孔径为0sin1sincoscosNA=nNAOFP的有效传光效率总是小于的有效传光效率总是小于1降低有效传光效率的因素有降低有效传光效率的因素有入射到光纤外皮的入射到光纤外皮的光全部是无效的，一般光全部是无效的，一般OFP的外皮截面的外皮截面积占总截面积的比列约为积占总截面积的比列约为30%；光线在光线在OFP的的端

39、面上及界面处的反射损失；的的端面上及界面处的反射损失；光线在光线在光纤之间的串光损失。光纤之间的串光损失。串光损失原因：串光损失原因：三环效应（出射角最三环效应（出射角最小的第一环带光；出射角相等的第二小的第一环带光；出射角相等的第二环带光；出射角最大的第三环带光）环带光；出射角最大的第三环带光）220isinsinsin0isinsin220isinsinsin第一环带光：第一环带光：是光纤内芯是光纤内芯向外皮串光产生的光环向外皮串光产生的光环第二环带光：第二环带光：是光纤内芯经是光纤内芯经全反射产生的光环；也有入全反射产生的光环；也有入射到光纤外皮又由外皮出射射到光纤外皮又由外皮出射的光的

40、光现在学习的是第十七页，共36页也叫探针型光纤传感器。典型的例子有光纤激光多普勒速度传也叫探针型光纤传感器。典型的例子有光纤激光多普勒速度传感器、光纤辐射温度传感器和光纤液位传感器等感器、光纤辐射温度传感器和光纤液位传感器等 光纤传感器：光纤传感器：可作为加速度、角加速度、速度、角速度、位可作为加速度、角加速度、速度、角速度、位移、角位移、压力、弯曲、应变、转矩、温度、电压、电流、液位、移、角位移、压力、弯曲、应变、转矩、温度、电压、电流、液位、流量，流速、浓度、流量，流速、浓度、pHpH值、磁场、声强、光强、射线等值、磁场、声强、光强、射线等7070多个物多个物理量的传感器。但实用的还很少，

41、是一个发展潜力极大的理量的传感器。但实用的还很少，是一个发展潜力极大的领域。领域。三三 光纤传感器的分类及构成光纤传感器的分类及构成（一）光纤传感器分类（一）光纤传感器分类光纤在传感器中所起的作用光纤在传感器中所起的作用功能型（功能型（传感型传感型）非功能型（非功能型（传光型传光型） 传感型传感型( (功能型功能型) )光纤本身光纤本身既是传输介质又是敏感元件既是传输介质又是敏感元件 这种非功能型光纤传感器这种非功能型光纤传感器, ,不需要外加敏感元件不需要外加敏感元件, ,光纤把测量对象所光纤把测量对象所辐射、反射的光信号传输到光电元件辐射、反射的光信号传输到光电元件 非功能型光纤只是信息传

42、输介质，而敏感元件（或没有非功能型光纤只是信息传输介质，而敏感元件（或没有敏感元件）要采用其它元件敏感元件）要采用其它元件特点特点: :非接触式测量，精度较高非接触式测量，精度较高现在学习的是第十八页，共36页 非功能型光纤传感器的特点：非功能型光纤传感器的特点：结构简单、可靠，技术上易实结构简单、可靠，技术上易实现。但其灵敏度、测量精度一般低于功能型光纤传感器。现。但其灵敏度、测量精度一般低于功能型光纤传感器。 功能型传感器的特点功能型传感器的特点: :具有很高的灵敏度具有很高的灵敏度。尤其是利用。尤其是利用各种干涉技术对光的相位变化进行测量的光纤传感器，具各种干涉技术对光的相位变化进行测量

43、的光纤传感器，具有极高的灵敏度。有极高的灵敏度。 功能型传感器的缺点是：功能型传感器的缺点是：技术难度大，结构复杂，调技术难度大，结构复杂，调整较困难。整较困难。 功能型光纤传感器功能型光纤传感器 利用光纤本身的特性利用光纤本身的特性受被测物理量受被测物理量的作用而发生变化的作用而发生变化, ,使光使光纤中光的属性纤中光的属性( (光强、相位、偏振态、波长光强、相位、偏振态、波长) )被调制这一特点而被调制这一特点而构成的一类传感器。构成的一类传感器。光强调制型光强调制型相位调制型相位调制型偏振态调制型偏振态调制型波长调制波长调制 功能功能/ /非功能型非功能型典型例子典型例子光纤电压传感器光

44、纤电压传感器光纤电流传感器光纤电流传感器光纤位移光纤位移( (压力压力) )传感器传感器泡克耳效应泡克耳效应法拉第效应法拉第效应微弯效应微弯效应20nnEhE现在学习的是第十九页，共36页（二）光纤传感器的基本构成（二）光纤传感器的基本构成光纤传感器的光纤传感器的基本组成光纤、光源和光电探测器基本组成光纤、光源和光电探测器1.1.光源光源白炽灯、激光二极管（白炽灯、激光二极管（LD）和发光二极管）和发光二极管( (LED) )等等0.80.80.90.9m 选择光源时，根据系统的用途和所用光纤的类型，对光源还选择光源时，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要提出功率和

45、调制的要求0.30.31.1 1.1 m2.2.光电元件光电元件 普通光电二极管普通光电二极管雪崩光电二极管雪崩光电二极管肖特基光电二极管肖特基光电二极管光电晶体管光电晶体管电荷耦合器件电荷耦合器件光电导体光电导体光电倍增管光电倍增管光纤传感器常光纤传感器常用光电探测器用光电探测器比较比较常用常用激光二极管具有亮度高易于进行上吉赫的直接调制、激光二极管具有亮度高易于进行上吉赫的直接调制、尺寸小等优点尺寸小等优点现在学习的是第二十页，共36页2 2）光纤传感器的几何形状适应性强。由于光纤所具有的柔光纤传感器的几何形状适应性强。由于光纤所具有的柔性，使用及放置均较为方便。性，使用及放置均较为方便。

46、8 8）光纤传感器的最大优点在于它们探测信息的灵敏度很高。光纤传感器的最大优点在于它们探测信息的灵敏度很高。 3 3）光纤传感器的传输频带宽，带宽与距离之积可达光纤传感器的传输频带宽，带宽与距离之积可达30MH30MHZ Zkm-10GHkm-10GHZ Zkmkm之多。之多。5 5）光纤传感器通常既是信息探测器件，又是信息传递器件。光纤传感器通常既是信息探测器件，又是信息传递器件。4 4）光纤传感器无可动部分、无电源，可视为无源系统，因光纤传感器无可动部分、无电源，可视为无源系统，因此使用安全，特别是在易燃易爆的场合更为适用。此使用安全，特别是在易燃易爆的场合更为适用。6 6）光纤传感器的材

47、料决定了它有强的耐水性和强的抗腐蚀性。光纤传感器的材料决定了它有强的耐水性和强的抗腐蚀性。7 7）由于光纤传感器体积小，因此对测量场的分布特性影由于光纤传感器体积小，因此对测量场的分布特性影响较小。响较小。1 1）光纤传感器的电绝缘性能好光纤传感器的电绝缘性能好, ,表面耐压可达表面耐压可达4kV/cm4kV/cm，且不，且不受周围电磁场的干扰。受周围电磁场的干扰。（三）光纤传感器的优点（三）光纤传感器的优点与电量传感器相比较，光纤传感器有许多优点：与电量传感器相比较，光纤传感器有许多优点：这些优点要理解这些优点要理解, ,要记住要记住, ,要会用要会用现在学习的是第二十一页，共36页 光的频

48、率光的频率约为约为10101414HzHz, ,光电探测器不能跟踪以这样高的光电探测器不能跟踪以这样高的频率变化的瞬时值频率变化的瞬时值, ,因此因此, ,光波的相位变化是不能够直接被检测光波的相位变化是不能够直接被检测到的。为此到的。为此, ,应用干涉技术将相位调制转换成振幅应用干涉技术将相位调制转换成振幅( (强度强度) )调制。调制。 光纤传感器常采用马赫光纤传感器常采用马赫泽德泽德(Mach-Zehnder)(Mach-Zehnder)干涉仪等干涉干涉仪等干涉测量仪。测量仪。光纤轴向光纤轴向应变应变 长为长为L L, ,纤芯折射率为纤芯折射率为n n1 1的单模光纤中的单模光纤中, ,

49、波长为波长为 的输出光相对输入端来的输出光相对输入端来说说, ,相角为相角为 波长为波长为的相干光在光纤中传播时，光波的相位的相干光在光纤中传播时，光波的相位角角与光纤的长度与光纤的长度L、纤芯折射率、纤芯折射率n1和纤芯直径和纤芯直径d有关。有关。光纤受到物理量的作用时，这三个参数就会发生不同程光纤受到物理量的作用时，这三个参数就会发生不同程度的变化，从而引起光的相位角的变化。度的变化，从而引起光的相位角的变化。Ln12（四）功能型光纤传感器（四）功能型光纤传感器（一）相位调制型光纤传感器（一）相位调制型光纤传感器1.1.相位调制原理相位调制原理111122nnLnLLnL 应用光的相位检测

50、技术可以测量温度、压力、加速度、电应用光的相位检测技术可以测量温度、压力、加速度、电流等物理量。流等物理量。当光纤受到当光纤受到物理量的作物理量的作用时用时, ,相位相位角变化量角变化量现在学习的是第二十二页，共36页从而使合成光从而使合成光强的强弱随着强的强弱随着相位的变化而相位的变化而变化。变化。 激光器发出光被分束器激光器发出光被分束器分成两束，分别耦合到分成两束，分别耦合到传感光纤传感光纤和和参考光纤参考光纤中。中。 传感光纤置于被测对象的环传感光纤置于被测对象的环境中感受压力境中感受压力( (或温度或温度) )信号信号; ;参参考光纤不感受被测物理量。这两考光纤不感受被测物理量。这两

51、根单模光纤构成干涉仪的两个臂根单模光纤构成干涉仪的两个臂, ,再通过光纤耦合器组合起来再通过光纤耦合器组合起来, ,以便以便产生相互干涉产生相互干涉, ,形成一系列干涉条形成一系列干涉条纹。纹。 当传感光纤感受到温当传感光纤感受到温度变化时度变化时, ,光纤的折射率光纤的折射率会发生变化。同时光纤的会发生变化。同时光纤的热胀冷缩使其长度发生改热胀冷缩使其长度发生改变。变。通过光电探测器，就通过光电探测器，就可以将合成光强的强可以将合成光强的强弱变化转换成电信号弱变化转换成电信号的大小变化的大小变化? ? 利用马赫利用马赫- -泽德干涉仪测量压力或温度的相位调制型光纤泽德干涉仪测量压力或温度的相

52、位调制型光纤传感器组成原理图传感器组成原理图2.2.相位调制型光纤压力和温度传感器相位调制型光纤压力和温度传感器长度和折射率长度和折射率的变化的变化, ,将会引将会引起相位角变化。起相位角变化。这样这样, ,传感光纤传感光纤和参考光纤的和参考光纤的两束输出光的两束输出光的相位也发生了相位也发生了变化变化?把光电探测器的把光电探测器的光敏面放在干涉光敏面放在干涉场中场中, ,干涉场光强干涉场光强将转换为光电流输将转换为光电流输出出, ,光电流的交流光电流的交流量为量为? ?iKI0cos( )srKIts t 由图可见由图可见,26,26时两光纤中的时两光纤中的光同相光同相, ,输出光电流最大。

53、随输出光电流最大。随着着T T的上升的上升, ,相位增加光电流逐相位增加光电流逐渐咸小。渐咸小。T T为为26.0326.03相移相移 弧弧度度, ,光电流达到最小值。光电流达到最小值。T T上升上升到到26.0626.06相移增加到相移增加到2 2 弧度弧度, ,光电流又上升到最大值。这样光电流又上升到最大值。这样, ,光的相位调制便转换成电流信光的相位调制便转换成电流信号的幅值调制。号的幅值调制。 现在学习的是第二十三页，共36页 当活动板受到微扰作用时，光纤就会发生微小弯曲，使光当活动板受到微扰作用时，光纤就会发生微小弯曲，使光在纤芯中重新分配：在纤芯中重新分配：一部分光从纤芯进入包层；

54、另一部分光反一部分光从纤芯进入包层；另一部分光反射回纤芯。射回纤芯。 当活动板的位移或压力增加时：当活动板的位移或压力增加时：泄漏到包层的散射光随之泄漏到包层的散射光随之增大增大, ,光纤芯模的输出光强度就减小，通过检测光纤输出光的光纤芯模的输出光强度就减小，通过检测光纤输出光的强度就能测出位移强度就能测出位移( (或压力或压力) )信号。信号。 基本原理：基本原理：光纤微弯产生的弯曲损耗。这类传感器常用多模光纤光纤微弯产生的弯曲损耗。这类传感器常用多模光纤制作。制作。 光纤微弯传感器的一个突出优点：光纤微弯传感器的一个突出优点：传输光束基本上束缚在光传输光束基本上束缚在光纤内部，适合在比较恶

55、劣的环境中使用。纤内部，适合在比较恶劣的环境中使用。( (二二) )光强调制型光纤传感器光强调制型光纤传感器 传感器还具有：传感器还具有：分辨率高分辨率高、结构简单、动态范围宽、性能稳、结构简单、动态范围宽、性能稳定等优点定等优点。可以检测到。可以检测到100100PaPa的压力变化的压力变化 光强调制型光纤传感器的典型例子：光强调制型光纤传感器的典型例子：光纤微弯位移和光纤微弯位移和压力传感器压力传感器。 光纤微弯传感器由两块波形板（变形器）构成：光纤微弯传感器由两块波形板（变形器）构成：一块一块固定，另一块可以活动。光纤从一对波形板之间通过。固定，另一块可以活动。光纤从一对波形板之间通过。

56、现在学习的是第二十四页，共36页 受磁场作用后的光束经物镜耦合到偏振棱镜，受磁场作用后的光束经物镜耦合到偏振棱镜，分解成振动分解成振动方向相互垂直的两束偏振光，分别进入两个光探测器，再经信号方向相互垂直的两束偏振光，分别进入两个光探测器，再经信号处理后输出信号：处理后输出信号： 当通过的电流为当通过的电流为I时，时，由此产生的磁场强度由此产生的磁场强度H为为: : RIH2 根据法拉第旋光效应：根据法拉第旋光效应：由电流所形成的磁场会由电流所形成的磁场会引起光纤中线偏振光的偏转。检测偏转角的大小，引起光纤中线偏振光的偏转。检测偏转角的大小，就可得到相应的电流值就可得到相应的电流值只要系统的只要

57、系统的V和和N一经确定，就可一经确定，就可通过输出信号通过输出信号P的的大小，获得被测大小，获得被测输电线上的电流输电线上的电流值。值。 传感器适用于高压输电线大电流的测量，测量范围为传感器适用于高压输电线大电流的测量，测量范围为0 01000A1000A 由法拉第旋光效应引起的由法拉第旋光效应引起的光纤中线偏振光的偏转角为光纤中线偏振光的偏转角为 RVLI2( (三三) ) 偏振态调制型光纤传感器偏振态调制型光纤传感器偏振态调制型光纤电流传感器原理图偏振态调制型光纤电流传感器原理图: :1212sin(2 )2IIVLIPVINIIR2PIVN这公式怎么来的这公式怎么来的? ?E i渥拉斯顿

58、棱镜前偏振渥拉斯顿棱镜前偏振光的方向为光的方向为E0E0光纤是单模光纤光纤是单模光纤222sin(45)(cossin )21sin (45)(1 sin2 )21 2sin (45) sin2从图可以看从图可以看出该传感器出该传感器主要由哪些主要由哪些器件组成器件组成? ?eoEi45E0I渥拉斯顿棱镜渥拉斯顿棱镜放置：放置：e e光或者光或者o o光的振动方向光的振动方向与起偏器轴的方与起偏器轴的方向成向成4545。下面求偏振度下面求偏振度P？I1I2现在学习的是第二十五页，共36页 由右上图可以看出由右上图可以看出，半导体对光的吸收随长波限的变短而，半导体对光的吸收随长波限的变短而急剧增

59、加急剧增加( (在在T T一定时一定时) )，即透过率急剧下降，那么在光源一定的情，即透过率急剧下降，那么在光源一定的情况下，通过半导体的透射光强随温度况下，通过半导体的透射光强随温度T T的增加而减小。的增加而减小。五五 非功能型光纤传感器非功能型光纤传感器（一）（一）传输光强调制型光纤传感器传输光强调制型光纤传感器 传感器光源的光谱应与半导体的吸收光谱互相匹配。传感器光源的光谱应与半导体的吸收光谱互相匹配。该系该系统的温度测量范围为统的温度测量范围为-20-20300300。精确度约为。精确度约为33。响应时间常。响应时间常数约数约2s2s，能在强电场环境中工作。，能在强电场环境中工作。

60、传感器的关键部件是半导体光吸收片，它的本征吸收长波限随传感器的关键部件是半导体光吸收片，它的本征吸收长波限随温度增加而向长波长的方向位移。温度增加而向长波长的方向位移。 传输光强调制型光纤传感器：传输光强调制型光纤传感器：是在输入光纤与输出光纤之是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。间放置有机械式或光学式的敏感元件。 敏感元件在物理量的作用下对传输的光强进行调制，如敏感元件在物理量的作用下对传输的光强进行调制，如吸收光的能量、遮断光路、改变光纤之间的相对位置等。吸收光的能量、遮断光路、改变光纤之间的相对位置等。现在学习的是第二十六页，共36页 系统由光源、压力膜片、光敏二极