第9章 光導(dǎo)纖維與光纖傳感器

第9章光導(dǎo)纖維與光纖傳感器光纖的基礎(chǔ)知識(shí)光導(dǎo)纖維的應(yīng)用光導(dǎo)纖維的分類及構(gòu)成功能型光纖傳感器非功能型光纖傳感器9.1光導(dǎo)纖維基礎(chǔ)知識(shí)9.1.1光纖的結(jié)構(gòu)圖9-1光纖的結(jié)構(gòu)示意圖

光纖由纖芯、包層及外套組成，如圖9-1所示。

纖芯一般由玻璃、石英或塑料等組成，一般直徑為5~150um。包層的材料也是玻璃或塑料。外套起到保護(hù)光纖的作用。纖芯、包層及外套的折射率關(guān)系如下：纖芯＞包層外套＞包層9.1.1光纖的種類

依據(jù)折射率的變化規(guī)律，光纖被分為階躍型和梯度型。階躍剖面n(r)an2n1r

纖芯圖9-2（a）階躍型多模光纖

圖9-2(a)所示為階躍型光纖，纖芯的折射率n1分布均勻，固定不變，不隨半徑變化。包層內(nèi)的折射率n2分布也大體均勻?？墒抢w芯與包層之間折射率的變化呈階梯狀。在纖芯內(nèi)，中心光線沿光纖軸線傳播。通過軸線平面的不同方向入射的光線（子午光線）呈鋸齒形軌跡傳播。an2n1r纖芯圖9-2（b）梯度型多模光纖

圖9-2(b)所示為梯度型光纖，纖芯的折射率n1不是常數(shù)，從中心軸線開始沿徑向大致按拋物線規(guī)律逐漸減小。因此光在傳播中會(huì)自動(dòng)地從折射率小的界面處向中心會(huì)聚。光線偏離中心軸線越遠(yuǎn)，則傳播路程越長(zhǎng)。傳播的軌跡類似正弦波曲線。這種光纖又稱自聚焦光纖。右下圖所示為經(jīng)過軸線的子午光線傳播的軌跡。9.1.3光纖的傳輸模式

在纖芯內(nèi)傳播的光波，可以分解為沿軸向傳播的平面波和沿半徑方向（剖面方向）傳播的平面波。沿半徑方向傳播的平面波在纖芯與包層的界面上將產(chǎn)生反射。如果此波在一個(gè)往復(fù)（入射和反射）中相位變化為2π的整數(shù)倍，就會(huì)形成駐波。只有能形成駐波的那些特定角度射入光纖的光才能在光纖內(nèi)傳播，這些光波就稱為模。在光纖內(nèi)只能傳輸一定數(shù)量的模。通常纖芯直徑較粗（幾十微米以上）時(shí)，能傳播幾百個(gè)以上的模，而纖芯很細(xì)（5～10微米），只能傳播一個(gè)模。前者稱為多模光纖，后者為單模光纖。階躍型和梯度型光纖為多模光纖。9.1.4光纖的傳光原理圖9-3(a)θ1<θc時(shí)光線在界面上發(fā)生的反射

當(dāng)光線以較小的入射角，由光密媒質(zhì)進(jìn)入光疏媒質(zhì)時(shí)，一部分光線被反射，另一部分折射入光疏媒質(zhì)。如圖所示。折射角滿足斯奈爾（Snell）定律則圖9-3(b)θ1＝θc時(shí)光線在界面上發(fā)生的反射圖9-3(c)θ1＞θc時(shí)光線在界面上發(fā)生的反射

當(dāng)逐漸加大入射角θ1，一直到θc，折射光就會(huì)沿著界面?zhèn)鞑?，此時(shí)如右圖所示折射角θ1＝90o。這時(shí)，入射角θ1＝θc，θc稱為臨界角，由下式?jīng)Q定：

當(dāng)繼續(xù)加大入射角θ1，（即θ1>θc)，光不再產(chǎn)生折射，只有反射，形成光的全反射現(xiàn)象，如右圖所示。圖9-4階躍型光纖中子午光線的傳播

以階躍型光纖為例，來說明光纖的傳光原理。

光纖的傳播基于光的全反射。當(dāng)光線以不同角度入射到光纖端面時(shí)，在端面發(fā)生折射后進(jìn)入光纖。當(dāng)φ1大于臨界角φ1（θ0

小于臨界角θc時(shí)

）光在纖芯和包層界面上經(jīng)若干次全反射向前傳播，最后從另一端面射出。若光纖兩端同處于空氣之中，則出射角也將為θ0。由斯奈爾（Snell）定律：若滿足即就能產(chǎn)生全反射?？梢姡饫w臨界入射角的大小是由光纖本身的性質(zhì)（n1、n2）決定的，與光纖的幾何尺寸無關(guān)。入射角的最大值為：將sinθc定義為光導(dǎo)纖維的數(shù)值孔徑,用NA表示,則NA意義討論：NA表示光纖的集光能力，無論光源的發(fā)射功率有多大，只要在2θc張角之內(nèi)的入射光才能被光纖接收、傳播。若入射角超出這一范圍，光線會(huì)進(jìn)入包層漏光。一般NA越大集光能力越強(qiáng)，光纖與光源間耦合會(huì)更容易。但NA越大光信號(hào)畸變?cè)酱?，要選擇適當(dāng)。產(chǎn)品光纖不給出折射率N，只給數(shù)值孔徑NA。9.1.5光纖的傳輸特性1、傳輸損耗

光纖傳光中，由于存在費(fèi)涅耳反射損耗、光吸收損耗、全反射損耗以及彎曲損耗等，一部分光在途中就損耗了。損耗一般用損耗系數(shù)α表示：(單位：dB/km)（其中L是光纖長(zhǎng)度，Pin和Pout分別是輸入和輸出光功率）

光纖損耗可歸結(jié)為吸收損耗和散射損耗兩類。吸收損耗是物質(zhì)的吸收作用使光能變成熱能引起的；散射損耗是由于光纖的材料及其不均勻性或幾何尺寸的缺陷引起的。光纖的彎曲也會(huì)造成散射損耗。2、色散

色散就是輸入脈沖在光纖內(nèi)的傳輸過程中，由于光波的群速度不同而出現(xiàn)的脈沖展寬現(xiàn)象。光纖色散使傳輸?shù)男盘?hào)脈沖發(fā)生畸變，從而限制了光纖的傳輸帶寬，光纖的色散有以下幾種。材料色散：材料折射率隨波長(zhǎng)的變化,使不同波長(zhǎng)的群速度不同，造成時(shí)延差,發(fā)生脈沖展寬。波導(dǎo)色散：由于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)不同，某一波導(dǎo)模式的傳播常數(shù)β隨著信號(hào)角頻率ω

變化而引起的色散。多模色散：不同模按不同速度傳播，到達(dá)端點(diǎn)產(chǎn)生的延遲不同，使一個(gè)窄的脈沖彌散而導(dǎo)致寬度展寬。一般，三種色散的大小順序是：多模>材料>波導(dǎo)3、容量

光脈沖的展寬程度可以用延遲時(shí)間來反映，設(shè)光源中心頻率為f0,，帶寬為△f，某一模式光的傳播常數(shù)為β則總的延時(shí)量△τ為

式中，c為真空中的光速，，。4、抗拉強(qiáng)度

光纖的抗拉強(qiáng)度取決于材料的純度、分子結(jié)構(gòu)狀態(tài)、光纖的粗細(xì)及缺陷等因素。5、集光本領(lǐng)

光纖的集光本領(lǐng)與數(shù)值孔徑有密切的關(guān)系。數(shù)值孔徑越大，光纖的集光能力就越強(qiáng)。9.1.6光纖的耦合

光纖的耦合分為強(qiáng)耦合和弱耦合兩種。光纖強(qiáng)耦合是光纖纖芯間形成直通。光纖弱耦合是通過光纖的彎曲，或使其耦合處成錐狀。拋磨法熔錐法腐蝕法制作過程近似模型弱耦合理論強(qiáng)耦合理論弱耦合理論將裸光纖固定在石英制成的弧形槽中,進(jìn)行光學(xué)研磨,拋光,將經(jīng)研磨后的兩根光纖拼接在一起,經(jīng)透過纖芯-包層界面的消逝場(chǎng)產(chǎn)生耦合將兩根裸光纖扭絞一起,高溫加熱熔融,同時(shí)在熔融過程中拉伸光纖形成雙錐型耦合器。用化學(xué)方法將光纖腐蝕掉大部分包層,再把兩根腐蝕后的光纖扭絞在一起構(gòu)成光纖耦合器。

常用的耦合器有3種結(jié)構(gòu)形式。這些耦合器的制作方法如表1所示。表1光纖耦合器制作方法9.2光導(dǎo)纖維的應(yīng)用9.2.1光纖在直接導(dǎo)光方面的應(yīng)用利用光纖柔軟可彎曲的特點(diǎn)，可按需要制作各種導(dǎo)光器。1、光纖照明器2、光纖束行掃描器圖9-11光纖束行掃描原理1-光電探測(cè)器；2-物鏡；3-Z型導(dǎo)光管；4-轉(zhuǎn)換器；5-條形光源；6-待測(cè)物

利用直線-圓環(huán)光纖轉(zhuǎn)換器和Z型導(dǎo)光管可以對(duì)移動(dòng)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)圖像信號(hào)的采集，如下圖所示。9.2.1光纖在直接導(dǎo)光方面的應(yīng)用1、各種內(nèi)窺鏡

完成傳像功能的光纖制品主要是光纖傳像束和硬性光纖器件。醫(yī)用內(nèi)窺鏡的示意圖如圖所示，它由末端的物鏡、光纖圖像導(dǎo)管、頂端的目鏡和控制手柄組成。照明光是通過圖像導(dǎo)管外層光纖照射到被觀察物體上，反射光通過傳像束輸出。由于光纖柔軟、自由度大，末端通過手柄控制能偏轉(zhuǎn)，傳輸圖像失真小，因此，它是檢查和診斷人體內(nèi)各部位疾病和進(jìn)行某些外科手術(shù)的重要儀器。2、光纖圖像轉(zhuǎn)換器光纖圖像轉(zhuǎn)換器原理

在許多場(chǎng)合需要對(duì)多處目標(biāo)進(jìn)行切換觀察，這可采用光纖圖像換向系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。如下圖所示。它是由目標(biāo)圖像采集系統(tǒng)、圖像切換系統(tǒng)，以及觀察和記錄系統(tǒng)等部分組成。3、光學(xué)纖維面板

光學(xué)纖維面板具有傳光效率高，級(jí)間耦合損失小，傳像清晰、真實(shí)，在光學(xué)上具有零厚度等特點(diǎn)。最典型的應(yīng)用是作為微光像增強(qiáng)器的光學(xué)輸入、輸出窗口，對(duì)提高成像器件的品質(zhì)起著重要作用。光纖面板的應(yīng)用主要有：像增強(qiáng)器、光纖平像場(chǎng)器、光纖扭像器和光纖錐等。各種光學(xué)纖維面板9.3光纖傳感器的分類及構(gòu)成9.3.1光纖傳感器的分類

光纖傳感器一般可分為兩大類：一類是功能型傳感器；另一類是非功能型傳感器。1、功能型光纖傳感器這類傳感器利用光纖本身對(duì)外界被測(cè)對(duì)象具有敏感能力和檢測(cè)功能，光纖不僅起到傳光作用，而且在被測(cè)對(duì)象作用下，如光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)等光學(xué)特性得到調(diào)制，調(diào)制后的信號(hào)攜帶了被測(cè)信息。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高。缺點(diǎn)：須用特殊光纖，成本高。典型例子：光纖陀螺、光纖水聽器等。2、非功能型光纖傳感器優(yōu)點(diǎn)：無需特殊光纖及其他特殊技術(shù)，比較容易實(shí)現(xiàn)，成本低。缺點(diǎn)：靈敏度較低。

非功能型光纖傳感器的光纖只當(dāng)作傳播光的媒介，待測(cè)對(duì)象的調(diào)制功能是由其它光電轉(zhuǎn)換元件實(shí)現(xiàn)的，光纖只起傳光作用。實(shí)用化的大都是非功能型的光纖傳感器。9.3.2光纖傳感器的基本構(gòu)成

光纖傳感器的基本組成除光纖以外，還有光源和光電元件。1、光源

一般選擇光源時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)的用途和所用光纖的類型，對(duì)光源還要提出功率和調(diào)制的要求2、光電元件

光纖傳感器常用如下4種光電元件作探測(cè)器：普通光電二極管、雪崩光電二極管、肖特基光電二極管、光電晶體管，有時(shí)也用電荷耦合器件、光電導(dǎo)體和光電倍增管等。9.3.3光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)1、靈敏度很高。2、良好的安全性。3、抗電磁干擾。4、幾何形狀適應(yīng)性強(qiáng)。5、傳輸頻帶寬。6、體積小，對(duì)測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的分布特性影響小。7、耐水性和抗腐蝕性強(qiáng)。8、通常既是信息探測(cè)器件，又是傳遞器件。9.4功能型光纖傳感器9.4.1相位調(diào)制型光纖傳感器1、相位調(diào)制的原理

相位調(diào)制的基本原理是利用被測(cè)對(duì)象對(duì)敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或傳播常數(shù)發(fā)生變化，而導(dǎo)致光的相位變化，使兩束單色光所產(chǎn)生的干涉條紋發(fā)生變化，通過檢測(cè)干涉條紋的變化量來確定光的相位變化量，從而得到被測(cè)對(duì)象的信息。

當(dāng)一束波長(zhǎng)為的相干光在光纖中傳播時(shí)，光波的相位角與光纖的長(zhǎng)度L、纖芯折射率n1和纖芯直徑d的關(guān)系為：

當(dāng)光纖受到外界物理量的作用，則光波的相位角變化Δ為：

利用光的相位變化可測(cè)量出溫度、壓力、加速度、電流等物理量。2、相位調(diào)制型光纖壓力和溫度傳感器壓力（溫度）利用馬赫=澤德干涉儀測(cè)量壓力或溫度的相位調(diào)制型光纖傳感器組成原理。激光器發(fā)出一束相干光經(jīng)過擴(kuò)束以后，被分束器分成兩束光，分別耦合到傳感光纖和參考光纖中。傳感光纖被置于被測(cè)對(duì)象的環(huán)境中，感受壓力或溫度信號(hào)；參考光纖不感受被測(cè)物理量。這兩根單模光纖構(gòu)成干涉儀的兩個(gè)臂，在通過光纖耦合器組合起來，以便產(chǎn)生相互干涉，形成干涉條紋9.4.2光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器光纖微彎對(duì)傳播光的影響

當(dāng)光線在光纖的直線段以大于臨界角入射界面（φ1>φc），

則光線在界面上產(chǎn)生全反射。當(dāng)光線射入微彎曲段的界面上時(shí)，入射角將小于臨界角（φ1<φc）。此時(shí)，一部分光在纖芯和包層的界面上反射；另一部分光則透射進(jìn)入包層，從而導(dǎo)致光能的損耗?；谶@一原理，研制成光纖微彎曲傳感器光纖微彎曲位移（壓力）傳感器原理圖9.5非功能型光纖傳感器9.5.1傳輸光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器

傳輸光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器，一般在輸入光纖與輸出光纖之間放置有機(jī)械式或

光學(xué)式的敏感元件。半導(dǎo)體吸收式光纖溫度傳感器結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)半導(dǎo)體光吸收片的透光率會(huì)發(fā)生變化，透過半導(dǎo)體的光強(qiáng)也會(huì)隨之變化。通過檢測(cè)透射光的強(qiáng)度或透射率，即可檢測(cè)溫度變化。9.5.2反射光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器膜片反射型光纖壓力傳感器Y形光纖束的膜片反射型光纖壓力傳感器如圖。在Y形光纖束前端放置一感壓膜片，當(dāng)膜片受壓變形時(shí)，使光纖束與膜片間的距離發(fā)生變化，從而使輸出光強(qiáng)受到調(diào)制。探測(cè)器光源被測(cè)面?zhèn)鬏敼饫w接收光纖反射式位移傳感器

反射式位移傳感器，其基本原理如圖所示。光源發(fā)出的光通過光纖射向被測(cè)物體，其反射光由接收光纖收集，送到探測(cè)器，接收光強(qiáng)將隨著反射物體表面與光纖探頭端面的距離變化。通過信號(hào)處理得到光纖端面與被測(cè)面之間距離的變化（位移）。9.5.3頻率調(diào)制型光纖傳感器頻率調(diào)制型光纖傳感器的