光电检测技术与光纤基础课件：第九章 光导纤维与光纤传感器

1、光纤是上世纪人类的重要发明之一光纤之父高锟起很大作用，曾获诺贝尔奖长距离大容量通信（容量大、衰减少、成本低等）各种光纤传感器优点：灵敏度高、反应速度快、抗电磁干扰强、体积小，耐腐蚀、成本低等缺点：系统复杂第九章 光导纤维与光纤传感器2第九章 光导纤维与光纤传感器9.1 光导纤维基础知识9.1.1 光纤的结构纤芯包层外套纤芯：多为石英玻璃或塑料,直径为5150m. 折射率n1包层：直径为100200m,也为玻璃或塑料但折射率低于纤芯. 折射率n2外套：用于提高光纤的机械强度，保护光纤,其折射率大于纤芯的折射率n1n2345多模光纤-在给定的工作波长上，光纤中可以传播多个特征角的光波能够在光纤中传

2、播的光波的特征角不是连续的，而是一系列分立的值特征角从“射线光学”的角度定性的理解多模光纤和单模光纤：单模光纤-在给定的工作波长上，光纤中只能传输一种特征角的光波单模光纤纤芯与包层的折射率差很小，且纤芯很小，所以其中传播的光近似的平行于纤芯多模光纤的芯径较大9.1.3 光纤的传输模式相同特征角，不同波长相同的波长，不同特征角不同特征角或不同波长不同模式：不同的波长，不同特征角67能在光纤中发生全反射的入射光的入射角不能大于C：数值孔径越大，光纤集光能力越强数值孔径NA最大张角例：石英光纤的NA=0.20.4 张角为：11.523.68当光纤有弯曲，但弯曲程度不大时，仍然认为，光在整个传播过程中

3、，入射角1不变.12但当有相对较急剧的穹曲时，则会产生漏光1199.1.5 光纤的传输特性1.传输损耗吸收损耗：光能转化为热能（石英在0.16及812微米有吸收）散射损耗：由光纤材料的不均匀性或材料的缺陷引起弯曲损耗1210（1） 材料色散（折射率色散）材料的折射率随入射光波长的改变而稍有不同，所以当入射的光信号由多种波长的光组成时，不同波长的光不同时到达光纤的另一端，而产生色散（3） 多模色散（模式色散）种种模式的传输路径不同，所以同时射入光纤而传播模式不同的光，并不同时到达光纤的输出端，从而引起色散光脉冲在传输过程中的展宽现像2.色散（2） 波导色散（结构色散）光纤的结构引起的不同波长的光

4、沿轴线的传播速度的不同而引起的色散 113.容量由于光脉冲在传输过程中的色散展宽，而影响到光纤的信息容量和品质。4. 抗拉程度取决于材料的纯度、分子结构状态、光纤的粗细及缺陷5. 集光本领由光纤的数值孔径决定表示光锥半角大小，反映集光能力。由光纤的折射率决定，与空气折射率有关。与其直径无关。129.1.6 光纤的耦合3种结构形式（1）（2）（3）（b）熔融拉锥型强耦合与弱耦合139.2 光导纤维应用9.2.1光纤在直接导光方面的应用测量光强度（浓度）、光谱（荧光），偏振等1. 光纤照明142. 光纤束扫描器3. 光纤直接导光的其它应用利用光纤束做光的合成（OCT等）利用光纤传输光的激光手术刀（

5、美容、肿瘤）激光加工、加热、海底供能等159.2.2光纤制品在传像方面的应用1. 各种内窥镜胶囊式内窥镜162. 光纤图像换向器3. 光学纤维面板17光学面板的特点:传光效 率高、级间耦合损失小、传象清晰、真实、在光学上具有零厚度等 在真空摄像器件中，主要用于充当输入窗口、输出窗口、管内传像器件(ICCD)。在第一代像增强器中，它是做为级间耦合元件制作工艺：光纤棒压制后再切片抛光而成。三种玻璃组成：芯玻璃（氧化钡等）、包皮玻璃（石英等）及吸收玻璃（氧化铁等）18平像场器-在摄影，特别是广角摄影中，利用光纤面板做成校正原件，用来消除场曲和畸变光纤扭像器光纤光锥传感器概述传感器及应用传感器是用来直

6、接或间接与被测对象发生联系，把被测参数（机械、物理、化学、压力及温度等非电量）转化成电信号为系统处理与决策提供原始信息。阿波罗10登月系统有2077（火箭部分）及1218（宇宙飞船）传感器；现代机器人的感觉系统也有传感器（视觉、听见、嗅觉及触觉等）；Apple Watch背部有很多感应器，当用户抬手时，显示屏会自动打开；实现体形状况以及心跳次数等实时监测。以后可能有血压、体温等功能。传感器分类按测量对象分：温度、质量、湿度、速度、位移等按能量传递方式分：无源与有源按转换原理分：电磁式、光学式、核辐射式、超声式、微波 式等229.3 光纤传感器的分类及构成9.3.1光纤传感器的分类特点：1、既是

7、传输介质也是传感元件；2、一般以长度成正比；3、灵敏度高；4、结构复杂，技术难度高；5、单模光纤。例子：温度传感器、法拉第电流传感器、位移传感器等光纤同时起到信号的感知和信号的传输功能。利用光纤在物理作用下产生变化，从而引起在其间传输的光的强度、相位、偏振态、波长等的变化来反应出传达光纤所受的物理作用的种类、强度等可测速度、压力、位移、温度、浓度及场强等70多物理量1.功能型光纤传感器2.非功能型光纤传感器光纤仅仅是传输元件，因此通常需要另外加敏感元件才能构成传感器。特点：1、多模光纤；2、主要探测光强变化信号；3、结构简单，技术难度低；4、灵敏度低；例子：多普勒速度传感器、辐射温度传感器、液

8、位传感器等24但也有例外微区温度或辐射测量。光纤谱仪9.3.2光纤传感器的基本构成1. 光源2. 光电元件除光纤外还有-常用光源有：激光二极管（发射波段0.80.9m) 发光二极管（发射波段0.31.1m)石英光纤的损耗比较小也可用白炽灯等光电二极管、雪崩光电二极管、肖特基光电二极管、光电晶体管及各种红外探测器等259.3.2光纤传感器的优点与其它电量传感器个比较，光纤传感器具有以下优点P2049.4 功能型光纤传感器9.4.1 相位调制型光纤传感器1. 相位调制的原理可用于检测温度、压力、加速度、电流等光的相位调制通过干涉转化为振幅调制262. 相位调制型光纤压力和温度传感器检测温度灵敏度约

9、0.001C27正常范围内的穹曲，各个位置的光基本上都能满足全反射条件。9.4.2 光强调制型光纤传感器可以测量压力、应变、振动等FF变形器光纤固定板活动板优点：具有灵敏度高、结构简单、动态范围宽性能稳定等当有相对较急剧的穹曲时，则会产生漏光9.4.3 *偏振态调制型光纤传感器法拉第效应当线偏振光通过磁场时，其偏振方向会发生旋转的现象。偏转角度与磁场强度成正比 V为菲德尔（Verdet）常数 ，H为磁场强度，L为长度。可以用来测量磁场强度，或电流强度等。299.4.3 *偏振态调制型光纤传感器光纤电流传感器-高折射率浸油I1I2激光器光探测器渥拉斯顿棱镜透镜透镜起偏器高压输电线信号处理I电PM

10、N电电适合于高压电线大电流的测量，非接触、不间断、绝缘、范围大I1N45I2MI030高折射率浸油空气包层高折射率浸油可以消除包层中传输的光，减小对纤芯中传输光的影响319.5 非功能型光纤传感器9.5.1 传输光强调制型光纤传感器半导体吸收式光纤温度传感器测温系统原理 温度测量范围为-20300精度为3响应时间为2S能在强电场环境下工作329.5.2 反射光强调制型光纤传感器339.5.3* 频率调制型光纤传感器利用多普勒效应进行频率调制来测量物体的运动速度34激光多谱勒光纤测束系统359.5.3 光纤液位传感器1n1n2空气液体辐射损耗也可以测量液体折射率及浓度1、对于阶跃光纤及梯度光纤，通过子午面的光线轨迹分别有何特点？2、何谓功能型及非功能型光纤传感器？请举例。3、光纤的集光本领与哪些因素有关？376-2、简述光电导型摄像管的结构和工作过程基本结构包括：光电导靶，电子束扫描区；工作过程：进入摄像管的光学图像在光电导靶上由于光电效应转换成与光照对应的电位图像；随后于扫描周期内积累并储存于靶上；电子枪发出电子束扫