第9章 光导纤维与光纤传感器

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5~150um。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。阶跃剖面n(r)an2n1r

纤芯图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分布均匀，固定不变，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。an2n1r纤芯图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2π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（5～10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)θ1<θc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。如图所示。折射角满足斯奈尔（Snell）定律则图9-3(b)θ1＝θc时光线在界面上发生的反射图9-3(c)θ1＞θc时光线在界面上发生的反射

当逐渐加大入射角θ1，一直到θc，折射光就会沿着界面传播，此时如右图所示折射角θ1＝90o。这时，入射角θ1＝θc，θc称为临界角，由下式决定：

当继续加大入射角θ1，（即θ1>θc)，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φ1大于临界角φ1（θ0

小于临界角θc时

）光在纤芯和包层界面上经若干次全反射向前传播，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θ0。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sinθc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2θc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。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α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

色散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。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，光纤的色散有以下几种。材料色散：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β随着信号角频率ω

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β则总的延时量△τ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。抛磨法熔锥法腐蚀法制作过程近似模型弱耦合理论强耦合理论弱耦合理论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9.3.1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Δ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）利用马赫=泽德干涉仪测量压力或温度的相位调制型光纤传感器组成原理。激光器发出一束相干光经过扩束以后，被分束器分成两束光，分别耦合到传感光纤和参考光纤中。传感光纤被置于被测对象的环境中，感受压力或温度信号；参考光纤不感受被测物理量。这两根单模光纤构成干涉仪的两个臂，在通过光纤耦合器组合起来，以便产生相互干涉，形成干涉条纹9.4.2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（φ1>φc），

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（φ1<φc）。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9.5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。探测器光源被测面传输光纤接收光纤反射式位移传感器

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