1、1第1章：光纖傳感中的光學原理及效應1.1光學反射原理分為鏡面反射和漫反射鏡面反射和漫反射情況基于反射原理的光纖傳感器結構簡單、工作可靠、成本低廉。主要應用于位移測量，振動 測量，壓力測量，濃度測量和液位測量。/21.2光學折射原理31.3光學吸收原理選擇吸收：介質對某些波長的光的吸收特別顯著郎伯比爾(Lambert-Beer)(Lambert-Beer)定律：Lambert-BeerLambert-Beer 定律是吸收光度法的基本定律，表示物質對某一單色光吸收的強弱與吸光物 質濃度和厚度間的關系。當氣體濃度、光程均很小的時候，可以近似為：J1f*i1I:i:同I1I1.4光學多普勒效應u2f

2、。c2二U01一cos -雷達測速儀檢查機動車速度的雷達測速儀也是利用這種多普勒效應。交通警向行進中 的車輛發射頻率已知的電磁波，通常是紅外線， 同時測量反射波的頻率， 根據 反射波頻率變化的多少就能知道車輛的速度.裝有多普勒測速儀的警車有時就 停在公路旁，在測速的同時把車輛牌號拍攝下來，并把測得的速度自動打印在 照片上。Liquid41.5聲光效應超聲波通過介質時會造成介質的局部壓縮和伸長而產生彈性應變，該應變隨時間和空間作周期性變化，使介質出現疏密相間的現象，如同一個相位光柵。當光通過這一受到超聲波擾動的介質時就會發生衍射現象，這種現象稱之為聲光效應。利用聲光衍射效應制成的器件，稱為聲光器

3、件。聲光器件能快速有效地控制激光束的強 度、方向和頻率，還可把電信號實時轉換 為光信號。此外，聲光衍射還是探測材料聲學性 質的主要手段。主要用途有：制作聲光調制器件，制作聲光偏轉器件，聲光調 Q Q 開關，可調諧濾光器, 在光信號處理和集成光通訊方面的應用。布喇格聲光盒聲光頻譜分析器1.6磁光效應具有固有磁矩的物質在外磁場的作用下，電磁特性發生變化，因而使得光波在其內部傳輸特性也發生變化的現象。A A、 法拉第效應：當線偏振光沿磁場方向通過置于磁場中的磁光介質時，其偏振面發生旋轉的現象，對于給定的介質，偏振面旋轉角度=介質長度 X X 磁場強度 X X 維厄德系數B B、 磁光克爾效應： 指一

4、束線偏振光在磁化了的介質表面反射時，反射光將是橢圓偏振光， 而且以橢圓的長軸為標志的“偏振面”相對于入射偏振光的偏振面旋轉了一定的角度。分類：1極化克爾效應，即磁化強度 M M 與介質表面垂直時的克爾效應，應用于磁光存儲技術中2橫向克爾效應：M M 既平行于介質表面，但垂直于光的入射面3縱向克爾效應：M M 既平行于介質表面，又平行于光的入射面C C、 磁致線雙折射效應： 某些由各向異性分子組成的介質，在不加磁場時表現為各向同性，加上足夠強的外磁場時，分子磁矩受到了力的作用，各分子對外磁場有了一定的取向，使介質宏觀上呈現各向異性，當光以不同于磁場方向通過這樣的介質時，就會出現雙折射現象。1.7

5、電光效應電光效應：指某些晶體的折射率因外加電場而發生變化的一種效應，當光波通過此介質時，其傳輸特性就受到影響而改變。2n = n+ aE +bE +(6-3(6-3 ) )在上式中，a aE是一次項，由該項引起的折射率變化，稱為線性電光效應或泡克耳斯(PockelsPockels ) )效 應；bE是二次項，由該項引起的折射率變化，稱為二次電光效應或克爾( KerrKerr ) )效應。對于大多數晶體，一次電光效應要比二次效應顯著，可略去二次項。但是在具有對稱中心的晶體中，不存在一次電光產效應。電光效應已被廣泛用來實現對光波的控制，并做成光調制器、光偏轉器和電光濾波器件5等。1.8彈光效應由機

6、械應力引起的材料折射率變化的現象稱為彈光效應(Elasto-OpticalElasto-Optical EffectEffect )。由于沿應力方向發生折射率變化，原來同性材料也可變成各向異性，即折射率橢球發生變化， 而呈現雙折射。因此，對彈光物質通光和施加應力時，由于應力和與應力垂直的方向上產生位相差，故可以利用這種效應制作位移、振動和壓力等光學傳感器。1.9光聲效應激光光束照射到固體表面或氣體和液體中，會與被照射物質相互作用產生一定強度和頻率的聲波，這就是光聲效應。光聲效應作為固體物質表面檢測和物質成分含量分析的有效手 段，已經廣泛應用于物理、化學、醫學、海洋、環境和材料等研究領域，有著廣

7、闊的發展前 景。同樣，光聲效應也可以應用于氣體和液體的成分含量的檢測。第2章：光纖傳感原理及應用技術2.12.1 相位調制型光纖傳感器技術相位調制型光纖傳感器的基本傳感機理是：通過被測能量場的作用， 使光纖內傳播的光波相位發生變化，再利用干涉測量技術把相位變化轉換為光強變化，從而檢測出待測的物理量。光纖中光波的相位， 一方面由光纖的物理長度、折射率及其分布、波導橫向幾何尺寸所決定。一般來說，應力、應變、溫度等外界物理量能直接改變上述三個波導參數，從而產生 相位變化，實現光波的相位調制。另一方面也可以由SagnacSagnac 效應產生。光相干條件兩列光波疊加在一起能產生干涉現象，但并非任意兩列

8、光波相遇都能產生干涉現象。必要條件：頻率相同的兩光波在相遇點有相同的振動方向和固定的相位差。補充條件：A-A-兩光波在相遇點所產生的振動的振幅相差不懸殊。B-B-兩束光波在相遇點的光程差不能太大。四種常見的光纖干涉儀到達探測器的兩束光的光場分別為：est)=Esexp1j項s1eLt= ELexpt總光場為：E = Esexpljsts ELexpLtLI總光強為：I = Esexp jst，ELexp j tL=Esexp j %t，ELexp j海 Esexp j、t，ELexp j FL=ISIL2 . ISILcosL-St ：1其中， = .L L_ _ S S根據相干條件，切L=S

9、,則有6I = ISIL2. ISILcos ：1如果不IQ= 11SLI = 2IS1 cos：馬赫-曾德(MachNehnder)MachNehnder)光纖干涉儀千由LD光纖干涉儀與普通的光學干涉儀相比，優點在于：(1)(1) 容易準直；(2)(2) 可以通過增加光纖長度來增加光程，以提高干涉儀的靈敏度;7(3)(3) 封閉式的光路，不受外界干擾;(4)(4) 測量的動態范圍大。薩格納克(Sagnac)Sagnac)光纖干涉儀光在運動介質中的速度上式中，V 是介質運動速度。若光從 A A 點進入，分成 CWCW 和 CCWCCW 兩路光信號，當光纖環靜止時，CWCW 和 CCWCCW 信

10、號同時到達 A A 點，當光纖環按圖中方向轉動時，兩路光信號在B B 點相遇。此時_r-rCW8【CW _ f A、Cr。n i n J9t tccw2 2 一 r r - -r rf fccw由上兩式得到tcw2二rc r”-2 n nt tccw2 2 r rc c rJrJnr所以順時針和逆時針的時間差為-=tcw-tccw2c2.2r1n2 . , 2由于c2 r2nA 2,、4二r-J2c位相差為:8礦對于 N N 匝光纖，則相位差為=8Sc 第三部分：光纖光柵傳感技術自從加拿大通信研究中心的HillHill 等人在 19781978 年首次利用駐波法在摻錯光纖中研制出世界上第一支永

11、久性的實現反向模式間耦合的光纖光柵一一光纖布喇格光柵以來，對其研究與應用得到了很大的發展。19931993 年，HillHill 等人提出了用紫外光垂直照射相位掩模形成的衍射條紋曝光氫載光纖寫入 光纖布喇格光柵的相位掩模法，使得光纖光柵真正走向實用化和產品化。19981998 年，美國東哈特福德聯合技術研究中心的MeltzMeltz 等人提出了用兩束相干的紫外光形成的干涉條紋側面曝光氫載光纖寫入光纖布喇格光柵的橫向全息成柵技術，相對于內部寫入法，該方法又稱為外側寫入法。光纖光柵的分類光纖光柵主要可以從光纖光柵的周期、相位和寫入方法等幾個方面對光纖光柵進行分 類。1 1 .按光纖光柵的周期分類通

12、常把周期小于1 1 a a m m 的光纖光柵稱為短周期光纖光柵，而把周期為幾十至幾百微米的光纖光柵稱為長周期光纖光柵。前者的反射譜和后者的透射譜分別為如 5-15-1 (a)(a)和 5-15-1 (b)(b)所示。2.2.按波導結構1011(e)(e)相移光纖光柵 光纖布拉格光柵的反射譜。折射率分布為：電二一2兀A6neff(z) =8neffm + vcos.|一z+O(z)l A耦合模方程d(z). _ .- =I電 乂z) + ikaz)dzdaz) -*- =I命_(z) Ik a z)L.dzc11.凡=2neff-為失調參數。BJk,。 分別為互耦合和自耦合系數， 對丁單模式布

13、拉格光柵光纖， 有 。=2兀m5neff(z)/九,k=k = mv兀&neff(z)赤。利用耦合模方程，可求得布拉格光柵的反射譜，進而求得其它特性，但不幸 的是，只有均勻光柵可求得精確解，對丁非均勻光纖光柵，因為耦合模系數與z有關，不再是常量，得不到精確解，而只能采用一些(a)(a)均勻光纖光柵(b)(b)嗯啾光纖光柵(c)(c)高斯變跡光纖光柵1:neff(d)(d)升余弦變跡光纖光柵(f)(f)超結構光纖光柵其中，f2d：12數學方法來近似求數值解，13盡管如此，均勻光纖光柵對了解非均勻光纖光柵的特性仍然是有很大的幫助件a-L/2) =1 , a_(L,2) =0 ,可求得反射系

14、數,反射效率sinh1 2( . k2- ；？2L)R=, :?2cosh2( . k2- c?2L) -2k2在應=0時，有最大反射功率，此時2 Rmax=tanh (kL)對應的波長值為:1 Bneff對丁均勻光柵， 瓦;(z)與z無關，是常數,因此，由耦合模方程和邊界條L是光纖光柵的長度。14-max =1 +m、腿知=2neffA是設計的布拉格波長。主瓣兩零點之間的波長間隔為:0 B2-&-=neffL N光纖光柵傳感原理一P11 1Aa=熱膨脹系數，:.T-neff一& =二產熱光系數TBraggBragg 波長的變化與溫度之間的變化有良好的線性關系，光柵的溫度靈敏度

15、為KT= ：、/ 丁 =(：)B串2、-U(P11 + P2加 + dna乎J15一般0=5.5 107K1;務7.00 106K1,如果光纖光柵的 BraggBragg 波長為 l550nm,l550nm,計 算光纖光柵的溫度靈敏度？光纖光柵的溫度靈敏度為 0.0117nm/C,0.0117nm/C, 一般取 0.01nm/C0.01nm/C。H= 1.46,v = 0.16,PH二0.12,PJJ= 0.27BB=0.78 ；B光纖光柵的應變靈敏度為.2 I.JI =2IS1 cos ：dl =2ISsind.：Ld 卜面分析用 MZIMZI 作光纖光柵傳感解調的靈敏度。16dI =2IS

16、sinLd 當甲=時，最靈敏。此時，I = 2IS。22:dI=2ISFLd -dI2ISLd -. ,三 .dI1設系統的信噪比為 60dB,60dB,則最小可探測器強度變化為- =1= 0.0012ISSNR設AL =1mm，兀=1550nm , d兀=10pm（對應裸光柵溫度測量精度1 1 度），歡=2.615269638784427e-02 ,可以檢測到。若溫度測量精度提高到2IS0.10.1 度，則dI一=2.615269638784427e -03 ,仍然可以檢測。2I172二2二如果中=0，貝U I =4IS,當d丸=10pm時，d，=2ALd舄，中=0 +2ALd九，dl一 .

17、、一 .此時I =2lSX 1.9996580727299,所以- =1.70981136 3502789e - 04。因為信號能4IS量提高了 2 2 倍，這樣信噪比提高 3dB3dB , ,因此有最小探測強度變化為：dI1=,=7.071067811865475e-04。能檢測否？4ISSNR設光纖光柵反射帶寬U=02響，貝U相干長度等于 12cm.12cm.非平衡MZI最大的缺點是因為兩個臂長度不相等，所以兩個臂受到外部環境因素的影響不 相同，從而導致性能不穩定。慢光效應對 M-ZM-Z 干涉儀的影響設信號從端口 1 1 輸入，從端口 4 4 輸出。則兩個臂的位相差為: :? =扇廠）.

18、 n L = I*心）. n L c土d 慢光效應能增大群折射率ng,因此，慢光效應將極大增加干涉儀的靈敏度。如果采用 慢光效應更大的材料，干涉儀的靈敏度將增大更多 。第四部分：光纖氣體傳感技術在氣體傳感中，所氣體吸收的郎伯比爾 （Lambert-BeerLambert-Beer）定律：價川血卜咻什似）：其中：C C :氣體濃度；L L :氣體吸收光程； 龍氣體吸收系數。.光路損耗系數。=Ln , -n, 蟲c _d =L% -n cd :d d，d ,所以,18僅用上式很難測準氣體的濃度，為什么？。191/4siii(ai - /?) + sin(2W/,+a + /?)伽+p)第五部分：分布式光纖傳感技術空間分辨率取決丁光脈沖的寬度，設光脈沖寬度為 玨，則空間分辨率為:Cpz =2n其中，C為光速，