第9章 光導纖維與光纖傳感器

第9章光導纖維與光纖傳感器光纖的基礎知識光導纖維的應用光導纖維的分類及構(gòu)成功能型光纖傳感器非功能型光纖傳感器9.1光導纖維基礎知識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。外套起到保護光纖的作用。纖芯、包層及外套的折射率關系如下：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。可是纖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。因此光在傳播中會自動地從折射率小的界面處向中心會聚。光線偏離中心軸線越遠，則傳播路程越長。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。如果此波在一個往復（入射和反射）中相位變化為2π的整數(shù)倍，就會形成駐波。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，能傳播幾百個以上的模，而纖芯很細（5～10微米），只能傳播一個模。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時光線在界面上發(fā)生的反射

當光線以較小的入射角，由光密媒質(zhì)進入光疏媒質(zhì)時，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時光線在界面上發(fā)生的反射圖9-3(c)θ1＞θc時光線在界面上發(fā)生的反射

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

當繼續(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。當光線以不同角度入射到光纖端面時，在端面發(fā)生折射后進入光纖。當φ1大于臨界角φ1（θ0

小于臨界角θc時

）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?，光纖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。入射角的最大值為：將sinθc定義為光導纖維的數(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，光線會進入包層漏光。一般NA越大集光能力越強，光纖與光源間耦合會更容易。但NA越大光信號畸變越大，要選擇適當。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)男盘柮}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：材料折射率隨波長的變化,使不同波長的群速度不同，造成時延差,發(fā)生脈沖展寬。波導色散：由于波導結(jié)構(gòu)不同，某一波導模式的傳播常數(shù)β隨著信號角頻率ω

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

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

式中，c為真空中的光速，，。4、抗拉強度

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

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

光纖的耦合分為強耦合和弱耦合兩種。光纖強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,進行光學研磨,拋光,將經(jīng)研磨后的兩根光纖拼接在一起,經(jīng)透過纖芯-包層界面的消逝場產(chǎn)生耦合將兩根裸光纖扭絞一起,高溫加熱熔融,同時在熔融過程中拉伸光纖形成雙錐型耦合器。用化學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光導纖維的應用9.2.1光纖在直接導光方面的應用利用光纖柔軟可彎曲的特點，可按需要制作各種導光器。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-光電探測器；2-物鏡；3-Z型導光管；4-轉(zhuǎn)換器；5-條形光源；6-待測物

利用直線-圓環(huán)光纖轉(zhuǎn)換器和Z型導光管可以對移動目標實現(xiàn)圖像信號的采集，如下圖所示。9.2.1光纖在直接導光方面的應用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、光纖圖像導管、頂端的目鏡和控制手柄組成。照明光是通過圖像導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)各部位疾病和進行某些外科手術的重要儀器。2、光纖圖像轉(zhuǎn)換器光纖圖像轉(zhuǎn)換器原理

在許多場合需要對多處目標進行切換觀察，這可采用光纖圖像換向系統(tǒng)來實現(xiàn)。如下圖所示。它是由目標圖像采集系統(tǒng)、圖像切換系統(tǒng)，以及觀察和記錄系統(tǒng)等部分組成。3、光學纖維面板

光學纖維面板具有傳光效率高，級間耦合損失小，傳像清晰、真實，在光學上具有零厚度等特點。最典型的應用是作為微光像增強器的光學輸入、輸出窗口，對提高成像器件的品質(zhì)起著重要作用。光纖面板的應用主要有：像增強器、光纖平像場器、光纖扭像器和光纖錐等。各種光學纖維面板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外界被測對象具有敏感能力和檢測功能，光纖不僅起到傳光作用，而且在被測對象作用下，如光強、相位、偏振態(tài)等光學特性得到調(diào)制，調(diào)制后的信號攜帶了被測信息。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高。缺點：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：無需特殊光纖及其他特殊技術，比較容易實現(xiàn)，成本低。缺點：靈敏度較低。

非功能型光纖傳感器的光纖只當作傳播光的媒介，待測對象的調(diào)制功能是由其它光電轉(zhuǎn)換元件實現(xiàn)的，光纖只起傳光作用。實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，根據(jù)系統(tǒng)的用途和所用光纖的類型，對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，有時也用電荷耦合器件、光電導體和光電倍增管等。9.3.3光纖傳感器的優(yōu)點1、靈敏度很高。2、良好的安全性。3、抗電磁干擾。4、幾何形狀適應性強。5、傳輸頻帶寬。6、體積小，對測量現(xiàn)場的分布特性影響小。7、耐水性和抗腐蝕性強。8、通常既是信息探測器件，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對象對敏感元件的作用，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，通過檢測干涉條紋的變化量來確定光的相位變化量，從而得到被測對象的信息。

當一束波長為的相干光在光纖中傳播時，光波的相位角與光纖的長度L、纖芯折射率n1和纖芯直徑d的關系為：

當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對象的環(huán)境中，感受壓力或溫度信號；參考光纖不感受被測物理量。這兩根單模光纖構(gòu)成干涉儀的兩個臂，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光強調(diào)制型光纖傳感器光纖微彎對傳播光的影響

當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。當光線射入微彎曲段的界面上時，入射角將小于臨界角（φ1<φc）。此時，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入包層，從而導致光能的損耗?；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傳輸光強調(diào)制型光纖傳感器

傳輸光強調(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械式或

光學式的敏感元件。半導體吸收式光纖溫度傳感器結(jié)構(gòu)圖

當溫度發(fā)生變化時半導體光吸收片的透光率會發(fā)生變化，透過半導體的光強也會隨之變化。通過檢測透射光的強度或透射率，即可檢測溫度變化。9.5.2反射光強調(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，當膜片受壓變形時，使光纖束與膜片間的距離發(fā)生變化，從而使輸出光強受到調(diào)制。探測器光源被測面?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物體，其反射光由接收光纖收集，送到探測器，接收光強將隨著反射物體表面與光纖探頭端面的距離變化。通過信號處理得到光纖端面與被測面之間距離的變化（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