第7章 光纤.ppt

式中n0为光纤所处环境的折射率，一般为空气，则n0=1。n0sin θc称为光纤的数值孔径，用NA表示。它表示当入射光从折射率为n0的外部介质进入光纤时，只有入射角小于θc的光才能在光纤中传播。否则，光线会从包层中 逸出而产生漏光。NA是光纤的一个重要参数，NA值越大，光源到光纤的耦合效率越高。 ② 渐变型（梯度光纤） 光纤纤芯内的折射率不是常量，而是从中心轴线开始沿径向大致按抛物线形状递减，中心轴折射率最大。因此，光纤在纤芯中传播时会自动地从折射率小的界面向中心会聚，光纤传播的轨迹类似正弦波形。梯度光纤又称为自聚焦光纤。 盐城工学院电气学院 * 光(导)纤(维)是20世纪70年代（1977）的重要发明之一，它与激光器、半导体探测器一起构成了新的光学技术，创造了光电子学的新天地(领域)。光纤的出现产生了光纤通信技术，特别是光纤在有线通信广的优势越来越突出，它为人类21世纪的通信基础一—信息高速公路奠定了基础，为多媒体(符号、数字、语音、图形和动态图像)通信提供了实现的必需条件。 光纤传感器和传统的各类传感器相比有一定的优点，如不受电磁干扰，体积小，重量轻，可绕曲，灵敏度高，耐腐蚀， 高绝缘强度，防爆性好，集传感与传输于一体，能与数字通信系统兼容等。光纤传感器能用于温度、压力、应变、位移、速度、加速度、磁、电、 声和PH值等70多个物理量的测量，在自动控制、 在线检测、 故障诊断、安全报警等方面具有极为广泛的应用潜力和发展前景。 第二部分 光纤传感器 一、光纤结构和传输原理 光导纤维简称光纤，它是一种特殊结构的光学纤维，结构如图所示。中心的圆柱体叫纤芯，围绕着纤芯的圆形外层叫包层。纤芯和包层通常由不同掺杂的石英玻璃制成。纤芯的折射率n1略大于包层的折射率n2，光纤的导光能力取决于纤芯和包层的性质。在包层外面还常有一层保护套，多为尼龙材料，以增加机械强度。 7.5.1 光导纤维 设有一段圆柱形光纤,如图所示, 当光线射入一个端面并与圆柱的轴线成θ角时,根据斯涅耳光的折射定律,在光纤内折射成θ′,然后以φ角入射至纤芯与包层的界面。若要在界面上发生全反射,则纤芯与界面的光线入射角φ应大于临界角φc,即 则射入的光线在光纤的界面上产生全反射，并在光线内部以同样的角度反复逐次反射，直至穿射到另一面 根据斯奈尔（Snell）定律，在端面入射的光满足全反射条件时入射角θc为临界入射角 二、光纤分类 1. 光导纤维按其折射变化情况分为： ①阶跃型 阶跃光纤的纤芯与包层间的折射率阶跃变化的，即纤芯内的折射率分布大体上是均匀的，包层内的折射率分布也大体均匀，均可视为常数，但是纤芯和包层的折射率不同，在界面上发生突变，如下图所示。光线的传播，依靠光在纤芯和包层界面上发生的内全反射现象。 2．按传榆模式分类 单模光纤纤芯直径仅有几微米，接近光的波长。单模光纤通常是指跃变光纤中，内芯尺寸很小，光纤传输模数很少，原则上只能传送一种模式的光纤，常用于光纤传感器。这类光纤传输性能好、频带很宽，具有较好的线性度；但因内芯尺寸小，难以制造和耦合。 多模光纤纤芯直径约为50μm，纤芯直径远大于光的波长。通常是指跃变光纤中，内芯尺寸较大，传输模数很多的光纤。这类光纤性能较差，带宽较窄；但由于芯子的截面积大，容易制造、 连接耦合比较方便，也得到 了广泛应用。 1．光纤传感器基本工作原理 光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与输入调制区的光相互作用后，导致光的某些特性(如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等)发生变化，成为被调制的信号光，再经过光纤送入光探测器，经解调器解调后获得被测参数。 2．光纤传感器的类型 光纤传感器按其传感器原理分为两大类：一类是传光型，也称为非功能型光纤传感器；另一类是传感型，或称为功能型光纤传感器。 7.5.2 光纤传感器的工作原理 ①功能型光纤 其光纤不仅作为光传播的波导而且具有测量的功能。它可以利用外界物理因素改变光纤中光的强度、相位、偏振态或波长，从而对外界因素进行测量和数据传输。 分为振幅调制型、相位调制型及偏振态调制型。 根据模态理论，当光纤轴向受力而发生微小弯曲时，光纤中的部分光会折射到纤芯