第10章 光學傳感器(下)

10.3光纖傳感器光纖（Opticalfiber）是光導纖維的簡稱。它是一種傳輸光波的介質(zhì)波導。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：單模光纖、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，進行各種物理量測量的裝置和器件。光纖傳感器一般由光源、接口、光導纖維、光電探測器、光調(diào)制機構和信號處理器等部分組成。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度調(diào)制、相位調(diào)制、偏振態(tài)調(diào)制、頻率調(diào)制和波長調(diào)制等多種不同類型。10.3.1通信用光纖圖10-36光纖結構示意圖圖10-37光臨界角及全反射圖10-38光纖的導光原理。（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橢圓形光纖對偏振的影響10.3.2非通信光纖圖10-42雙外套聲學傳感光纖圖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光纖光柵的結構及原理圖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，這樣可以滿足兩個器件之間的光信號的傳輸。但是，在很多應用中，需要連接的不只是儀器的兩個端頭。耦合器就是用來連接3個或者更多的連接點。耦合器是將輸入信號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?。光信號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程中，有幾個方面需要考慮：①輸入端口和輸出端口的數(shù)量；②信號的衰減和分束；③光傳輸?shù)姆较蛐裕ü獯┻^耦合器的方式）；④波長選擇性；⑤光纖類型，即單?；蚨嗄?；⑥偏振敏感和偏振相關損耗。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方向傳輸光信號。它們在光纖系統(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敏感器件，尤其是激光器。光隔離器的內(nèi)部工作機制依賴于偏振，因此光隔離器內(nèi)有一對線偏振器，兩個偏振器的偏振面放置成45°角。在兩個偏振器之間是法拉第旋轉器，它將偏振器的偏振面旋轉45°。光環(huán)形器在其功能和設計上都屬于光隔離器的“遠親”。它的功能是作為一個單行道使光通過一系列的端口，也就是進入端口1的光必須到端口2，進入端口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光開關光開關是光纖通信中光交換系統(tǒng)的基本元件，并廣泛應用于光路監(jiān)控系統(tǒng)和光纖傳感系統(tǒng)。光開關在光傳輸過程中的作用有3類：其一是將某一光纖通道的光信號切斷或開通；其二是將某波長的光信號由一條光纖通道轉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的光信號轉換為另一波長的光信號（波長轉換器）。光開關的特性參數(shù)主要有插入損耗、回波損耗、隔離度、串擾、工作波長、消光比和開關時間等。⒌波分復用器波分復用（WDM）技術，就是為了充分利用單模光纖低損耗區(qū)帶來的巨大寬帶資源，根據(jù)每一信道光波的頻率（或波長）不同，將光纖的低損耗窗口劃分成若干個信道，把光波作為信號的載波，在發(fā)送端采用波分復用器（合波器）將不同規(guī)定波長的信號光載波合并起來送入一根光纖進行傳輸，在接收端由一個波分復用器（分波器）將這些不同波長承載不同信號的光載波分開的復用方式。由于不同波長的光載波信號可以看作相互獨立（不考慮光纖非線性時），從而在一根光纖中可實現(xiàn)多路光信號的復用傳輸。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直、耦合和成像特性，加上它圓柱狀小巧的外形特點，在多種不同的集成光學系統(tǒng)如醫(yī)用光學儀器、光學復印機、傳真機、掃描儀中有著廣泛的應用。梯度折射率透鏡是光通信無源器件中必不可少的基礎元器件，應用于要求聚焦和準直功能的各種場合，分別使用在光耦合器、準直器、光隔離器、光開關和激光器上。⒎光源光源的作用是將電信號電流變換為光信號功率，即實現(xiàn)電-光的轉換，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)出的光波長應合適，以減小在光纖中傳輸?shù)哪芰繐p耗。光源要有足夠的亮度。在相當多的光纖傳感器中還對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體激光器LD、半導體發(fā)光二極管LED、放大自發(fā)輻射ASE光源和半導體分布反饋激光器等。⒏光電探測器光纖傳感常用光電探測器有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腔應變傳感器圖10-56外F-P腔應變傳感器10.3.5光纖水聽器圖10-57（a）是基于Michelson光纖干涉儀光纖水聽器的原理示意圖。圖10-57（b）是基于Mach-Zehnder光纖干涉儀光纖水聽器的原理示意圖。圖10-57（c）是基于Fabry-Perot光纖干涉儀光纖水