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河北大学物理学院 光纤传输与传感 引 论 纤维光学与光纤传感器的发展 早 期 阶 段 1854年，英国的Tyndall指出光线能够沿着盛水的弯曲通道通过内全反射而传播。 光从小孔Ａ对面的玻璃窗口射入Ａ，当水从Ａ流出时，可清楚地看到光线沿弯曲水柱传播的现象。 早 期 阶 段 1881年,美国的沃勒工程师申请了一项在建筑物内传输光线的专利，实际上传输的光十分微弱。但想法应用到光纤。 干净的玻璃棒也能导光。在20世纪早期，被用来照明显微镜玻璃片，此外还申请了一系列的专利，比如用弯曲的玻璃棒引导光照明人的口腔内侧，便于牙科医生进行治疗。而在此之前，是在病人嘴里放一个气体灯。 1927年，英国的J.C.Baird（贝尔德）首先指出了利用光的全反射现象而制成的石英光纤来传播光线，并申请了专利。 　早 期 阶 段 把玻璃棒做成非常纤细的小棒，即玻璃光纤，它能够以同样的方式传播光，而且玻璃光纤能够弯曲，如果将光纤集合成束，可以将图像从一端传到另一端。 1930年，德国的拉姆（H．Lamm） 首先制作出了图像光纤传像束。他把直径为40μm 的石英光学纤维有规则地排列起来，做成了肠胃检查镜。但是得到的图像模糊不清。 此后廿年内由于技术水平和材料的限制，进展不大。 第二阶段的三个特征 特征一：光导纤维制造的工艺完善 使光纤实用化的关键是增加包层防止光泄露，改善光纤性能。 1953年，荷兰的Van Heel将一种折射率为1.47的塑料涂散在玻璃纤维上，制成了玻璃（芯）－ 塑料（涂层）光学纤维，但塑料涂层难以均匀，效果不理想； 1955年，美国人希斯乔威兹（B.I.Hicechowity）把高折射率的玻璃棒插在低折射率的玻璃管中，放在高温炉中拉制，得到了玻璃―玻璃光学纤维。初步解决了光学纤维的绝缘问题，为今天的光学纤维制作工艺奠定了基础。 特征二：建立了纤维光学理论，基础是传统几何光学。 1956年英国的卡帕尼（N.S.Kapany） 首次提出了“纤维光学”的理论命名。 特征三：实 用 性 增 加 由于光学纤维理论的发展，光纤制作工艺的改进，纤维光学元件的质量有了很大的提高应用范围也日益广泛。 早在1954年，卡帕尼曾用50微米的光学纤维排列成光学纤维传像束，但由于一些技术问题没有解决，实际应用受到限制。 1960年，美国首先解决了光学纤维的排列工艺，做出了可弯曲的、分辨率较高的光学纤维传像束，并在医疗仪器中使用。从此以后，光学纤维束开始成为商品，并有了广泛的应用。20世纪60年代的整个工业都在围绕着光纤成像和光输运进行生产。 特征三：实 用 性 增 加 例如，利用光学纤维柔软可弯曲传像的特性而制成的潜望镜、内窥镜，在工业、国防和医疗上都有重要的应用； 利用光学纤维柔软的特点制作的各种图像变换器，可以改变光源或图像的形状、大小，在光电控制和记录系统中用处很大； 利用光学纤维元件可以传递图像、移动像面及耐真空的特性而制作的纤维光学面板，在电子光学器件（如像增强器、变像管等）中可作端窗和极间耦合元件，对改进器件性能、简化器件结构作用很大。 第三阶段 光学纤维的新发展 这一阶段的两个标志 标志一：理 论 纤维光学的理论获得了新发展：以几何光学中的费马原理和分析力学中的哈密顿原理的等价性为基础建立起来的哈密顿光学的基本概念和方法被用来处理光线在光纤中的传播问题，从而形成了光纤的光线理论。 以波动理论为基础形成的光波导理论，使纤维光学理论进一步完善。 第三阶段的两个标志 标志二：技 术 把半导体工艺引入了光学纤维的制造中，低损耗，低色散光学纤维问世，促进了激光通信、波导光学、微型光学的发展。 光纤传感器的出现，开拓了纤维光学的新应用。 以透明高分子材料为基本材料制作的塑料光纤由于有广阔前景，也获得了长足发展。 二、光纤传感器的发展 光纤传感技术是伴随着光通讯技术和半导体技术发展而衍生的一种新的传感技术，是光传感、光通讯、电子技术互相交叉、互相渗透的高科技技术，是国家“十五”重点支持发展的信息产业的重要组成部分。 产 生 背 景 在光通信系统中，光纤被用作远距离传输光波信号的媒质。 显然，在此类应用中要尽量避免光纤传输的光信号少受外界干扰。但是，在实际的光传输过程中，外界环境因素的变化，如温度、压力、电磁场等外界条件的改变，将不可避免地引起光纤光波参数如光强、相位、频率、偏振、波长等的变化。 反之，如果能测出光波参数的变化，就可以知道引起光波参数变化的物理量之大小，光纤传感技术就是在此背景下产生的。 什 么 是 光 纤 传 感 器 光纤传感器是利用光导纤维在欲测媒质中的偏