光纖傳感原理

1、1 第三講第三講 光纖傳感技術(shù)基礎（二）光纖傳感技術(shù)基礎（二） 光纖傳感原理光纖傳感原理 光纖傳感的物理基礎光纖傳感的物理基礎 光纖傳感基本器件光纖傳感基本器件 本講小結(jié)本講小結(jié) 2 光纖傳感的物理基礎光纖傳感的物理基礎 1 基本基本 重要重要特殊特殊 3 1. 1.基本原理基本原理 () 0 () i r Ii I i 22 00 2 0 () ( )exp 2(/)2 I I I 4 光纖通常由許多根光纖組成。發(fā)射和接收光纖的組合方式有混合式、對半分 式、共軸內(nèi)發(fā)射分布等。 5 入射光束中的一部分光線，由于其入射角小于臨界角而折射進人溶液之中，其反射光通量很小， 因此在光電接收器件CCD的

2、接收面上形成了“暗區(qū)”; 入射光束中的另一部分光線，由于其入 射角大于臨界角而產(chǎn)生全反射，從而在光電器件CCD的接收面上形成了“亮區(qū)”。亮、暗區(qū)的 交界線位，取決于臨界角的大小，亦即與被測溶液的濃度(或者說折射率)相對應。當被測溶液 的濃度變化時，亮、暗區(qū)交界線在CCD上的位置也發(fā)生變化。據(jù)此就可以測得溶液濃度。 6 l 光在空氣與液體中具有不同的折射率。 l 幾十根光纖排列成束，每一根光纖在 不同的高度具有極小彎曲。如果彎曲部 分暴露在空氣中，光通過光纖將發(fā)生全 內(nèi)反射。如果彎曲部分完全浸入液體中， 全內(nèi)反射條件不滿足，光通過光纖后強 度將急劇下降。 9 l 基于全光緩存器的光纖甲烷檢測系統(tǒng)

3、 10 2.2.重要效應重要效應 0 0 0 0 0 0 0 1/000 /1/000 /1/000 0002(1) /00 00002(1) /0 000002(1) / xxx yyy zzz yzyzyz zxzxzx xyxyxy EEE EEE EEE E E E l 應變張量l 彈性系數(shù) 力致雙折射力致雙折射 11 1111212 2121112 3121211 0 444 544 644 000 000 000 00000 00000 00000 x y z yz zx xy ppp ppp ppp p p p 3 1 /2 x nn 3 2 /2 y nn 3 3 /2 z n

4、n l 介電張量 l 彈光系數(shù) l 折射率變化 12 纖芯應力分布 （一階近似） 1 2 3 4 30 210 60 240 90 270 120 300 150 330 1800 x y xy x y xy r r 1 2 3 30 210 60 240 90 270 120 300 150 330 1800 r 1 2 3 30 210 60 240 90 270 120 300 150 330 1800 0.5 1 1.5 2 30 210 60 240 90 270 120 300 150 330 1800 r r 13 222 2 1 4cos8cos 1 4cos(2 ) r Pr

5、 Rr 22 2 3 44cos 1 4cos(2 ) Pr Rr 2 2 2(1)sin(2 ) 1 4cos(2 ) r Pr Rr 纖芯中的非零應力分量 （二階近似） -5 -2.5 0 2.5 5 -5 -2.5 0 2.5 5 -3.08 -3.07 -3.06 -3.05 -3.04 -3.03 -3.02 -3.01 x 10 6 x/m y/m x Pa -5 -2.5 0 2.5 5 -5 -2.5 0 2.5 5 0.99 1 1.01 1.02 1.03 1.04 1.05 1.06 1.07 x 10 6 x/m y/m y Pa -5-4 -3 -2-1 01 23

6、4 5 -5 -2.5 0 2.5 5 -3 -2 -1 0 1 2 3 x 10 4 x/m y/m xy Pa 纖芯應力分布 （二階近似） 14 -1 -0.5 0 0.5 1 -1 -0.5 0 0.5 1 -1 -0.5 0 0.5 1 S2 S1 S3 =0 =45 =90 =135 =180 B0 實 驗 結(jié) 果 實 驗 原 理 15 ComputerComputer Tunable Laser Source Pol. State Generator In-line PA & PA Fiber Under Press 16 17 光纖應力雙折射光纖應力雙折射 3 1211 (1)(

7、)() 2 xyxy n nnnpp E l : 泊松比 例題 已知：SMF光纖 E=7.01010 Pa, =0.17，p11=0.121, p12=0.270, n=1.5， 求：該SMF在50000Pa的壓應力作用下，對1550nm的光信號引起的相 移. 其他應用其他應用 l 殘余 內(nèi)應力 n=2.110-7=48.8/m 18 電致雙折射電致雙折射 eo nnnrE r：線性電光系數(shù) z AE A：電場感量系數(shù) 19 介質(zhì)感生雙折射是外加電場強度的二次函數(shù)（克爾效應）。這類介質(zhì)有晶體 （如鉭鈮酸鉀）和液體（如硝基苯、溴化苯等）。 2 2 () eo nn dd KE 應用應用 l 電光

8、調(diào)制器 20 雙路式光纖電壓傳感原理 鍺酸鉍 （BGO） 21 磁致雙折射磁致雙折射 材料在外加磁場作用下呈現(xiàn)光學各向異性，從而使通過材料的 光波偏振 性質(zhì)發(fā)生改變。 磁光效應具有獨特的光學非互易性，有特殊重要的應用價值 u 1845年，F(xiàn)araday磁光旋轉(zhuǎn)效應（光活性） u 1876年，Kerr磁光旋轉(zhuǎn)效應 u 19世紀末，Zeeman效應、 磁致雙折射效應（Cotton-Mouton、Voigt） 22 u 某些物質(zhì)（如石英、氯酸鈉、糖的水溶液、酒石酸溶液、松節(jié)油等）具有能使 線偏振光的振動面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的性質(zhì)，稱為旋光性(optical activity)(optical activity

9、)。 u 振動面旋轉(zhuǎn)角度=VHd，V：Verdet系數(shù)，104 105 m-1 T-1 應用應用 23 u 偏振態(tài)調(diào)制型 u 光纖回轉(zhuǎn)儀是MOCT（光纖電流互感器）的核心部件，它由光源，探測器，調(diào)節(jié)器， 以及纏繞電流導線的光電探頭組成。 （最早由波音公司和霍尼韋爾公司共同研制，主要用于導彈巡航系統(tǒng)，1994年開始在 電流測量領域的研發(fā)工作，1998年第一此投入商業(yè)應用。目前主要的生產(chǎn)廠家有： TRENCH，RITZ，ABB，ALSTOM，GE，SIEMENS，NGK，NXTPHASE等） u 屬敏感及禁止出口器件 l 光纖回轉(zhuǎn)儀 24 聲致雙折射聲致雙折射 超聲波通過介質(zhì)時會造成介質(zhì)的局部壓縮

10、和伸長而產(chǎn)生 彈性應變, 該應變隨時間和空間作周期性變化,使介質(zhì)出現(xiàn) 疏密相間的現(xiàn)象, 如同一個相位光柵.當光通過這一受到超 聲波擾動的介質(zhì)時就會發(fā)生衍射現(xiàn)象,這種現(xiàn)象稱之為聲光 效應。 衍射光偏轉(zhuǎn)角隨超聲波頻率的變化現(xiàn)象稱為聲光偏轉(zhuǎn)； 衍射光強度隨超聲波功率而變化的現(xiàn)象稱為聲光調(diào)制。 聲光調(diào)制器件，聲光偏轉(zhuǎn)器件，聲光調(diào)Q開關(guān)，可調(diào)諧 濾光器，等。 u 聲光調(diào)制器通常由電聲換能 器、聲光介質(zhì)和吸聲裝置組成。 u 聲光調(diào)制具有驅(qū)動功率低、 光損耗小、消光比高等優(yōu)點。 25 3. 3.特殊效應特殊效應 2 0 0 2 0 1 1cos u v c v u c 雙光束流量測量 l 應用 26 l d

11、r cc L l dr c l d c tcw 22 111 l dr cc L tccw 2 1 c S tcL c S l dr c l dr c t l drS l dr c t 4422 2 1 2 222 2 Stokes Stokes 定理定理 27 l 光纖陀螺 原理圖 CSN/8 l 1976年，美國Utah大學的Vali和R.W. Shorthill成功地制作了第一個光纖陀螺(FOG- Fiber Optic Gyroscope)。它標志著第二代光學陀螺、光纖陀螺的誕生(第一代光學陀 螺為激光陀螺)。 l I-FOG l R-FOG 28 光聲顯微鏡裝置 29 u光譜吸收原理

12、。光譜吸收原理。 u彈光、電光、磁光、聲光效應原理。彈光、電光、磁光、聲光效應原理。 uSagnacSagnac效應、光纖陀螺原理。效應、光纖陀螺原理。 內(nèi) 容 小 結(jié)內(nèi) 容 小 結(jié) 30 Any questions ? 31 光纖傳感基本器件光纖傳感基本器件 2 光纖器件光纖器件 體光學器件體光學器件 光電器件光電器件機械器件機械器件 32 光纖耦合器（Coupler）：將光信號從一條光纖中分至多條光纖中的元件，或 從多條光纖合入一根光纖，或從多條光纖到多條光纖。 33 34 偏振控制器(PC)是光纖傳感與通信系統(tǒng)中一個非常重要的器件。其功能是將輸入 的任意偏振態(tài),轉(zhuǎn)換成任意所需偏振態(tài)輸出。

13、 ( )( ) outin SuM u S 1 outin ( ) i mii SM u S S2 S3 S1 35 36 類型類型原理原理優(yōu)點優(yōu)點缺點缺點 光纖彎曲或 擠壓型 彈光效應 極低的極低的ILIL、PDLPDL，線性，線性 特性好，易于控制特性好，易于控制 速度較低 Faraday 旋轉(zhuǎn)型 磁光效應較低的IL、PDL 需大電流控制， 速度慢 電光晶體電光效應響應速度快響應速度快 插入損耗太大 （5dB） 液晶電光、磁光效應控制電壓低控制電壓低速度慢、損耗大 光纖偏振態(tài)控制方法比較 37 光纖圈型手動偏振控制器的制作 原原 理理 光纖彎曲產(chǎn)生彈光效應，形成感生雙折射。對于半徑 為R的

14、光纖圈，折射率差為： 2 0.133( /)na R 2 2| /0.133/RnaR 38 計算：對1550nm的光波，若要求光纖圈直徑為50mm，問制作1/4、1/2波 片需繞SMF多少圈？（SMF：125微米） 1/41/21/4 39 光纖偏振器（Polarizer）：或稱起/檢偏器，其功能是將任意偏振態(tài)的輸入光 變成線偏振光輸出。 由上式可知PDL器件的Mueller 矩陣具有對稱特性。當 = 0 時，任意偏振態(tài)的光信號 經(jīng)過該器件后只保留S1 分量，而 S3 = S2 = 0，這種PDL器件常稱為水平線偏振器。 當 = 90時，光信號經(jīng)過該器件后只保留- S1方向的分量，則稱為垂直

15、線偏振器。 40 l 光隔離器主要利用磁光晶體的法拉第效應 偏振相關(guān)型偏振相關(guān)型 光隔離器光隔離器 偏振無關(guān)型偏振無關(guān)型 光隔離器光隔離器 偏振無關(guān)型光隔離器由兩塊雙折射晶體（采用楔形，光軸互成45 ）和FR組成。自然 光經(jīng)第一塊雙折射晶體C1分成兩束光為偏振方向垂直的e光和o光進入FR偏振面方 向分別旋轉(zhuǎn)45，進入第二塊雙折射晶體C2，分別為O光和e光合成為一束光而出射。 反向傳輸時，由C2分開的O光和e光經(jīng)FR旋轉(zhuǎn)后再進入C1，還相當于O光和e光，只會 被分得更開而不能被合成一束光，不能被耦合進光路。 41 l 3端口光纖器件，端口1的輸入光能傳輸?shù)蕉丝?，端口2的輸入光能傳送 到端口3，

16、反之則光被隔離。 1 2 3 l 如何利用一只12耦合器與 一只隔離器組成環(huán)行器？ 42 43 l 加拿大通信中心的K.O.Hill 等人在1978年首次在摻鍺光纖中采用駐波寫入法制成 光纖Bragg光柵。后來Meltz等人利用高強度紫外光源所形成的干涉條紋對光纖進行側(cè) 面橫向曝光在該光纖芯中產(chǎn)生折射率調(diào)制或相位光柵。1989年，第一支Bragg諧振波 長位于通信波段的光纖光柵研制成功。 l 光纖光柵是目前最有發(fā)展前途、最具代表性和發(fā)展最為迅速的光纖無源器件之一。 原理原理 44 l 按空間周期和折射率系數(shù)分布特性分為： 均勻周期光纖布喇格光柵：應用最廣，其折射率調(diào)制深度和柵格周期均為常數(shù)，

17、光柵波矢方向跟光纖軸向一致。廣泛應用于光纖傳感、光纖激光器、光纖通信。 啁啾光柵：柵格間距不等的光柵。有線性啁啾和分段啁啾光柵，主要用來做色 散補償和光纖放大器的增益平坦。 閃耀光柵：當光柵制作時，紫外側(cè)寫光束與光纖軸不垂直時，造成其折射率的 空間分布與光纖軸有一個小角度，形成閃耀光柵。 長周期光柵：柵格周期遠大于一般的光纖光柵，將某個波長的光耦合到包層， 主要用于EDFA的增益平坦和光纖傳感。 相移光柵：在普通光柵的某些點上，光柵折射率空間分布不連續(xù)而得到的。在 周期性光柵光譜阻帶內(nèi)打開一個透射窗口，提高選擇度，用來構(gòu)造多通道濾波器件。 此外還有Tapered光纖光柵，取樣光纖光柵、Toph

18、at光柵、超結(jié)構(gòu)光柵等。 45 刻光柵刻光柵 46 47 波分復用器(WDM：Wavelength Division Demultiplexer ) ：能耦合許多數(shù)目的波長在相同 光纖中，增加光纖傳輸容量、提高帶寬利用率； 高密度分波多任務器(DWDM：Dense WDM)：是一種比WDM系統(tǒng)能耦合更多波長數(shù)目的技術(shù)， DWDM網(wǎng)絡城為光纖網(wǎng)絡發(fā)展的主要動力，制造方式：薄膜濾光片TFF (Thin Film Filter)、陣列 波導光柵 AWG (Array Wave guide Grating)、光纖光柵 FBG (Fiber Bragg Grating) 1 2 原理原理 48 49 光

19、源光源 SLED光源（SL3200） 應用 光纖傳感系統(tǒng) 光纖陀螺 國防軍事研究 無源器件 測試 實驗室測試 特點 臺式、模塊式、1U機架式結(jié) 構(gòu)可選 高功率輸出：最大功率可達 20mW 超寬帶工作帶寬：最大可達 12001700nm 共500nm帶 寬 在光譜范圍內(nèi)具有極好的平 坦度 采用微處理器控制 操作智能化 高穩(wěn)定性和高可靠性 LCD顯示 具有高精度的ATC和APC控 制電路 l 按結(jié)構(gòu)原理不同分: 半導體激光源； He-Ne激光源； 固體激光源； l 按波長特點分: 單波長或雙波長激光源； 可調(diào)諧激光源（Tunable Laser Source） 寬帶光源 (Superlumines

20、cent Light Emitting Diode) l 非相干、相干光源 50 光探測器光探測器 l 按結(jié)構(gòu)原理不同分: 半導體光探測器、光電倍增管 l 半導體光探測器: 硅光電二極管；PIN；APD 光電池； CCD （Charge-Coupled Device） 51 課 外 作 業(yè)課 外 作 業(yè) 請論述請論述1-21-2兩種傳感用光纖器件的原理、結(jié)構(gòu)、功兩種傳感用光纖器件的原理、結(jié)構(gòu)、功 能及應用？能及應用？ Any questions ? 52 53 l 光在空氣與液體中具有不同的折射率。 l 幾十根光纖排列成束，每一根光纖在 不同的高度具有極小彎曲。如果彎曲部 分暴露在空氣中，光通

21、過光纖將發(fā)生全 內(nèi)反射。如果彎曲部分完全浸入液體中， 全內(nèi)反射條件不滿足，光通過光纖后強 度將急劇下降。 54 2.2.重要效應重要效應 0 0 0 0 0 0 0 1/000 /1/000 /1/000 0002(1) /00 00002(1) /0 000002(1) / xxx yyy zzz yzyzyz zxzxzx xyxyxy EEE EEE EEE E E E l 應變張量l 彈性系數(shù) 力致雙折射力致雙折射 55 纖芯應力分布 （一階近似） 1 2 3 4 30 210 60 240 90 270 120 300 150 330 1800 x y xy x y xy r r 1 2 3 30 210 60 240 90 270 120 300 150 330 1800 r 1 2 3 30 210 60 240 90 270 120 300 150 330 1800 0.5 1 1.5 2 30 210 60 240 90 270 120 300 150 330 1800 r r 56 222 2 1 4cos8cos 1