第10章 光學(xué)傳感器(下)

10.3光纖傳感器光纖（Opticalfiber）是光導(dǎo)纖維的簡(jiǎn)稱。它是一種傳輸光波的介質(zhì)波導(dǎo)。光纖的分類：①按制作材料分：高純度石英玻璃光纖、塑料光纖、多組分玻璃光纖；②按傳輸模式分：?jiǎn)文９饫w、多模光纖；③按光纖折射率的徑向分布分：階躍光纖、梯度光纖；④按用途分：通信光纖、非通信光纖（低雙折射率光纖、高雙折高射率光纖、涂層光纖、液芯光纖、激光光纖、紅外光纖等）。光纖傳感器是利用光在光纖中傳播引起光干涉、衍射、偏振、反射、損耗等物理特征的變化，進(jìn)行各種物理量測(cè)量的裝置和器件。光纖傳感器一般由光源、接口、光導(dǎo)纖維、光電探測(cè)器、光調(diào)制機(jī)構(gòu)和信號(hào)處理器等部分組成。光纖傳感器有三種分類方法：①按光纖與光的作用機(jī)理分，可分為本征型（傳感型、功能型）和非本征型（傳光型、非功能型）;②按模數(shù)分，光纖傳感器也可分為單模器件和多模器件;③按信號(hào)在光纖中被調(diào)制的不同方式分，還可將光纖傳感器分為強(qiáng)度調(diào)制、相位調(diào)制、偏振態(tài)調(diào)制、頻率調(diào)制和波長(zhǎng)調(diào)制等多種不同類型。10.3.1通信用光纖圖10-36光纖結(jié)構(gòu)示意圖圖10-37光臨界角及全反射圖10-38光纖的導(dǎo)光原理。（a）—階躍折射率光纖；（b）—漸變折射率光纖。圖10-39光纖中的散射示意圖圖10-40光纖彎曲損耗示意圖圖10-41橢圓形光纖對(duì)偏振的影響10.3.2非通信光纖圖10-42雙外套聲學(xué)傳感光纖圖10-43用磁致伸縮材料作光纖外套圖10-44陶瓷骨架石英線圈圖10-45偏心孔石英棒圖10-46

(a)橢圓芯光纖,(b)蝴蝶結(jié)光纖,(c)熊貓光纖圖10-47D截面型光纖圖10-48中空截面光纖與金屬光纖圖10-49用改進(jìn)的MCVD法制作摻釹光纖圖10-50二次插棒法制成的W型光纖10.3.3光纖器件圖10-51布拉格光柵全息制作示意圖圖10-52光纖光柵的結(jié)構(gòu)及原理圖10-53光纖光柵傳感器原理圖⒉光纖耦合器利用連接器和熔接的方法都可以將兩段光纖連接起來(lái)，這樣可以滿足兩個(gè)器件之間的光信號(hào)的傳輸。但是，在很多應(yīng)用中，需要連接的不只是儀器的兩個(gè)端頭。耦合器就是用來(lái)連接3個(gè)或者更多的連接點(diǎn)。耦合器是將輸入信號(hào)分成兩路或更多路輸出，或?qū)陕坊蚋嗦份斎牒喜⒊梢宦份敵觥９庑盘?hào)在每條支路中的分配比例可以相同，也可以不同。在光纖耦合器的使用過(guò)程中，有幾個(gè)方面需要考慮：①輸入端口和輸出端口的數(shù)量；②信號(hào)的衰減和分束；③光傳輸?shù)姆较蛐裕ü獯┻^(guò)耦合器的方式）；④波長(zhǎng)選擇性；⑤光纖類型，即單?；蚨嗄＃虎奁衩舾泻推裣嚓P(guān)損耗。⒊光纖隔離器及環(huán)形器與光纖耦合器不同，光纖隔離器只能沿一個(gè)方向傳輸光信號(hào)。它們?cè)诠饫w系統(tǒng)中起著非常重要的作用，可以阻止后向反射和散射的光到達(dá)敏感器件，尤其是激光器。光隔離器的內(nèi)部工作機(jī)制依賴于偏振，因此光隔離器內(nèi)有一對(duì)線偏振器，兩個(gè)偏振器的偏振面放置成45°角。在兩個(gè)偏振器之間是法拉第旋轉(zhuǎn)器，它將偏振器的偏振面旋轉(zhuǎn)45°。光環(huán)形器在其功能和設(shè)計(jì)上都屬于光隔離器的“遠(yuǎn)親”。它的功能是作為一個(gè)單行道使光通過(guò)一系列的端口，也就是進(jìn)入端口1的光必須到端口2，進(jìn)入端口2的光必須到端口3，以此類推。和光隔離器一樣，環(huán)形器的工作也利用了偏振現(xiàn)象。⒋光開(kāi)關(guān)光開(kāi)關(guān)是光纖通信中光交換系統(tǒng)的基本元件，并廣泛應(yīng)用于光路監(jiān)控系統(tǒng)和光纖傳感系統(tǒng)。光開(kāi)關(guān)在光傳輸過(guò)程中的作用有3類：其一是將某一光纖通道的光信號(hào)切斷或開(kāi)通；其二是將某波長(zhǎng)的光信號(hào)由一條光纖通道轉(zhuǎn)換到另一條光纖通道去；其三是在同一條光纖通道中將一種波長(zhǎng)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為另一波長(zhǎng)的光信號(hào)（波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器）。光開(kāi)關(guān)的特性參數(shù)主要有插入損耗、回波損耗、隔離度、串?dāng)_、工作波長(zhǎng)、消光比和開(kāi)關(guān)時(shí)間等。⒌波分復(fù)用器波分復(fù)用（WDM）技術(shù)，就是為了充分利用單模光纖低損耗區(qū)帶來(lái)的巨大寬帶資源，根據(jù)每一信道光波的頻率（或波長(zhǎng)）不同，將光纖的低損耗窗口劃分成若干個(gè)信道，把光波作為信號(hào)的載波，在發(fā)送端采用波分復(fù)用器（合波器）將不同規(guī)定波長(zhǎng)的信號(hào)光載波合并起來(lái)送入一根光纖進(jìn)行傳輸，在接收端由一個(gè)波分復(fù)用器（分波器）將這些不同波長(zhǎng)承載不同信號(hào)的光載波分開(kāi)的復(fù)用方式。由于不同波長(zhǎng)的光載波信號(hào)可以看作相互獨(dú)立（不考慮光纖非線性時(shí)），從而在一根光纖中可實(shí)現(xiàn)多路光信號(hào)的復(fù)用傳輸。⒍自聚焦透鏡自聚焦透鏡又稱為梯度折射率透鏡，是指其內(nèi)部的折射率分布沿徑向逐漸減小的柱狀透鏡。由于梯度折射率透鏡具有端面準(zhǔn)直、耦合和成像特性，加上它圓柱狀小巧的外形特點(diǎn)，在多種不同的集成光學(xué)系統(tǒng)如醫(yī)用光學(xué)儀器、光學(xué)復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)、掃描儀中有著廣泛的應(yīng)用。梯度折射率透鏡是光通信無(wú)源器件中必不可少的基礎(chǔ)元器件，應(yīng)用于要求聚焦和準(zhǔn)直功能的各種場(chǎng)合，分別使用在光耦合器、準(zhǔn)直器、光隔離器、光開(kāi)關(guān)和激光器上。⒎光源光源的作用是將電信號(hào)電流變換為光信號(hào)功率，即實(shí)現(xiàn)電-光的轉(zhuǎn)換，以便在光纖中傳輸。由于光纖傳感器的工作環(huán)境特殊，要求光源的體積小，便于和光纖耦合。光源發(fā)出的光波長(zhǎng)應(yīng)合適，以減小在光纖中傳輸?shù)哪芰繐p耗。光源要有足夠的亮度。在相當(dāng)多的光纖傳感器中還對(duì)光源的相干性有一定要求。此外，要求光源的穩(wěn)定性好，能在室溫下連續(xù)長(zhǎng)期工作，還要求光源的噪聲小和使用方便等。目前光纖傳感系統(tǒng)中常用的光源主要有半導(dǎo)體激光器LD、半導(dǎo)體發(fā)光二極管LED、放大自發(fā)輻射ASE光源和半導(dǎo)體分布反饋激光器等。⒏光電探測(cè)器光纖傳感常用光電探測(cè)器有PIN光電二極管、雪崩光電二極管（AvalanchePhotoDiode，APD）、光敏電阻、硅光電池、硅光電二極管和光電倍增管（PMT）等。10.3.4光纖Fabry-Perot傳感器圖10-54Fabry-Perot干涉腔圖10-55內(nèi)F-P腔應(yīng)變傳感器圖10-56外F-P腔應(yīng)變傳感器10.3.5光纖水聽(tīng)器圖10-57（a）是基于Michelson光纖干涉儀光纖水聽(tīng)器的原理示意圖。圖10-57（b）是基于Mach-Zehnder光纖干涉儀光纖水聽(tīng)器的原理示意圖。圖10-57（c）是基于Fabry-Perot光纖干涉儀光纖水