1、傳感技術傳感技術是信息產業的三大支柱之一。是信息產業的三大支柱之一。光纖傳感技術光纖傳感技術一直處于傳感技術發展的前沿。一直處于傳感技術發展的前沿。光纖傳感技術光纖傳感技術光纖傳感技術優點：光纖傳感技術優點：光纖不帶電；光纖不帶電；抗電磁干擾抗電磁干擾; ;防爆、防燃；防爆、防燃；質量輕質量輕, ,體積??；體積?。豢砷L期監測?？砷L期監測。這些優點決定其在國家重大工程安全監測方面具有獨特的優勢。這些優點決定其在國家重大工程安全監測方面具有獨特的優勢。 光纖傳感示意圖光纖傳感示意圖 光纖傳感技術 光纖傳感器是光纖傳感器是20世紀世紀70年代中期發展起來的年代中期發展起來的一種基于光導纖維的新型傳感

2、器。它是光纖一種基于光導纖維的新型傳感器。它是光纖和光通信技術迅速發展的產物，它與以電為和光通信技術迅速發展的產物，它與以電為基礎的傳感器有本質區別。光纖傳感器用光基礎的傳感器有本質區別。光纖傳感器用光作為敏感信息的載體，用光纖作為傳遞敏感作為敏感信息的載體，用光纖作為傳遞敏感信息的媒質。因此，它同時具有信息的媒質。因此，它同時具有光纖光纖及及光學光學測量的特點。測量的特點。光纖傳感分類功能型光纖傳感 這類傳感器利用光纖這類傳感器利用光纖 本身對外界被測對象本身對外界被測對象具有敏感能力和檢測具有敏感能力和檢測功能，光纖不僅起到功能，光纖不僅起到傳光作用，而且在被傳光作用，而且在被測對象作用下

3、，如光強、相位、偏振態等測對象作用下，如光強、相位、偏振態等光學特性得到調制，調制后的信號攜帶了被測信光學特性得到調制，調制后的信號攜帶了被測信息。息。 全光纖型傳感器全光纖型傳感器 利用對外界信息具有敏感能力和檢測能力的利用對外界信息具有敏感能力和檢測能力的光纖光纖(或特殊光纖或特殊光纖)作傳感元件，將作傳感元件，將“傳傳”和和“感感”合為一體的傳感器。光纖不僅起傳光合為一體的傳感器。光纖不僅起傳光作用，而且還利用光纖在外界因素作用，而且還利用光纖在外界因素(彎曲、相彎曲、相變變)的作用，其光學特性的作用，其光學特性(光強、相位、偏振光強、相位、偏振態等態等)的變化來實現的變化來實現“傳傳”

4、和和“感感”的功能。的功能。因此，傳感器中光纖是連續的。因此，傳感器中光纖是連續的。信號處理光接收器光纖敏感元件光發送器 拾光型光纖傳感器拾光型光纖傳感器 用光纖作為探頭，接收由被測對象輻射的光用光纖作為探頭，接收由被測對象輻射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纖或被其反射、散射的光。其典型例子如光纖探針、光纖激光多普勒速度計、輻射式光纖探針、光纖激光多普勒速度計、輻射式光纖溫度傳感器光纖光柵傳感器等。溫度傳感器光纖光柵傳感器等。 信號處理光 接收 器光發送器光纖耦合器被測對象非功能型光纖傳感 傳光型光纖傳感器的傳光型光纖傳感器的 光纖只當作傳播光的光纖只當作傳播光的媒介，待測對象的調媒

5、介，待測對象的調制功能是由其它光電制功能是由其它光電轉換元件實現的，光轉換元件實現的，光纖的狀態是不連續的，纖的狀態是不連續的， 光纖只起傳光作用。光纖只起傳光作用。 “有關光在纖維中的傳輸以用有關光在纖維中的傳輸以用于光學于光學 通信方面通信方面”取得了取得了突破性成就突破性成就2009年年 諾貝爾諾貝爾物理學獎物理學獎授予英國華裔科學授予英國華裔科學家家 高錕高錕 高錕高錕-光纖之父光纖之父 1966年，高錕發表了一篇題年，高錕發表了一篇題為為光頻率介質纖維表面波光頻率介質纖維表面波導導的論文，開創性地提出的論文，開創性地提出光導纖維在通信上應用的基光導纖維在通信上應用的基本原理，描述了長

6、路程及高本原理，描述了長路程及高信息量光通信所需絕緣性纖信息量光通信所需絕緣性纖維的結構和材料特性。簡單維的結構和材料特性。簡單地說，只要解決好玻璃純度地說，只要解決好玻璃純度和成分等問題，就能夠利用和成分等問題，就能夠利用玻璃制作光學纖維，從而高玻璃制作光學纖維，從而高效傳輸信息。效傳輸信息。 光纖技術歷史光纖技術歷史 1960年，梅曼發明第一臺“紅寶石激光器”。激光頻譜窄；方向性好；相干性。（理想的光載波） 1966年，高錕和霍克哈姆指出利用光纖進行信息傳輸的可能性和技術途徑。（理論基礎） 1970年，康寧公司研制光纖損耗20dB/km（光纖商用） 1970年1979年，光纖損耗0.2dB

7、/km以下 1970年，光源取得實質性進展。研制成功室溫下連續振蕩的鎵鋁砷雙異質結半導體激光器(短波長) 光纖技術發展 光纖技術1970-1980，主要以強度調制型光纖傳感器的研究為主。1980-1990，開始大規模研究干涉型光纖傳感技術。1990-2000，光纖光柵（FBG）傳感技術進入一個研究熱潮。2000-至今，光纖傳感技術進入商業化進程。光纖傳感光纖傳感光纖通信光纖通信1976年，美國在亞特蘭大進行第一個光纖通信現場實驗，速率44.7Mb/s1980年，美國鋪設東西干線和南北干線，22個州1983年，日本南北光纜干線，全長3400km1989年，第一條橫跨太平洋光纜建成，全長13200

8、km90年代， 我國光纜干線“八橫八縱”，全長8萬公里光纖傳感的形成光纖傳感的形成 實際光纖通信過程中發現,光纖受到外界環境因素的影響。如壓力、溫度、電場、磁場等環境條件變化時，將引起光纖傳輸的光波量，如光強、相位、頻率、偏振態等變化。因此，測量出光波量變化的大小，就可以知道導致這些光波量變化的壓力、溫度、電場 、 磁 場 等 物 理 量 的 大小于是就出現了光纖傳感器技術。光纖傳感優勢光纖傳感優勢 電絕緣電絕緣性能好。性能好。 抗抗電磁干擾電磁干擾能力強。能力強。 光路可彎曲，對被測信號光路可彎曲，對被測信號遠距離遠距離監控。監控。 非侵入性。非侵入性。 高靈敏度。高靈敏度。電絕緣電絕緣性能

9、好（不可能產生靜電火花）性能好（不可能產生靜電火花）抗抗電磁干擾電磁干擾能力強：能力強：輻射干擾輻射干擾Electromagnetic Interference （EMI）傳導干擾傳導干擾天電噪聲天電噪聲宇宙射線宇宙射線人為的干擾源人為的干擾源 EMI是干擾電纜信號并降低信號完好性的是干擾電纜信號并降低信號完好性的電子噪音，電子噪音，EMI通常由電磁輻射發生源如通常由電磁輻射發生源如馬達和機器產生。馬達和機器產生。 在高速在高速PCB及系統設計中，高頻信號線、及系統設計中，高頻信號線、集成電路的引腳、各類接插件等都可能成集成電路的引腳、各類接插件等都可能成為具有天線特性的輻射干擾源，能發射電為

10、具有天線特性的輻射干擾源，能發射電磁波并影響其他系統或本系統內其他子系磁波并影響其他系統或本系統內其他子系統的正常工作。統的正常工作。包括從干擾信號的頻率范圍來分，可以把干擾從干擾信號的頻率范圍來分，可以把干擾源分為源分為工頻干擾源（工頻干擾源（50Hz及其諧波）及其諧波）低頻干擾源（低頻干擾源（30Hz以下）以下）射頻及視頻干擾源（射頻及視頻干擾源（300kHz以上）以上）微波干擾源（微波干擾源（300MHz100GHz）雖然光和電都屬于電磁波，但頻率范雖然光和電都屬于電磁波，但頻率范圍相差很大。一般微波干擾頻率在吉圍相差很大。一般微波干擾頻率在吉赫赫10GHz ，光纖工作頻率在，光纖工作頻

11、率在 200THz 100 THz10 THz1 THz100 G Hz10 G Hz1 G Hz100 MHz10 MHz1 MHz1 m可見光線10 m100 m1 mm10 mm100 mm1 m10 m100 m中波 (MF)短波 (HF)米波 (V HF)分米波 (UHF)厘米波 (SHF)毫米波 (EHF)亞毫米波遠紅外線近紅外線(光纖通信用）頻率波長名稱紫外線光路可彎曲，對被測信號光路可彎曲，對被測信號遠距離遠距離監控：監控：泄漏小，泄漏小， 信息的保密性能好信息的保密性能好 光纖傳輸光泄漏非常微弱，彎曲地段無法竊聽沒有專用的特殊工具，光纖不能分接，信息在光纖中傳輸非常安全。？（

12、1）從光纖中折射出來的光線被設備中的光學檢測設備拾?。?）然后發送給光電轉換設備（3）光電轉換裝置將光信號轉換為電信號，然后通過以太網線將數據傳送到黑客的筆記本電腦上。黑客在筆記本電腦上運行某種sniffer軟件，可以觀察到目標光纖網絡中傳遞的各種數據。 光纖的結構 光纖呈圓柱形，它由纖芯和包層光纖呈圓柱形，它由纖芯和包層兩個同心圓柱的雙層結構組成。兩個同心圓柱的雙層結構組成。2R2rn2n1nn2n1纖芯包層光纖結構光纖結構 纖芯 core：折射率較高，用來傳送光； 包層 coating：折射率較低，與纖芯一起形成全反射條件； 保護套 jacket：強度大，能承受較大沖擊，保護光纖。纖芯纖芯

13、包層包層保護套保護套光纖的尺寸 外徑一般為外徑一般為125um(一根頭發平均一根頭發平均100um) 內徑：單模內徑：單模9um 多模多模50/62.5um12595012562.5125光纖的分類 按材料分類： 石英光纖：纖芯與包層都是SiO2，損耗小，傳輸距離長，成本高； 聚合物光纖（塑料光纖）：纖芯與包層都是塑料，損耗大，傳輸距離很短，價格很低。多用于家電、音響，以及短距的圖像傳輸。光纖的分類 按照光纖的模式分類單模（Single-Mode）多模（Multi-Mode） G.651：多模光纖，在光纖通信發展初期廣泛應用于中小容量、中短距離的通信系統。 G.652：常規單模光纖，在波長1.

14、31m色散為零，系統的傳輸距離只受損耗的限制。 斯乃爾定理斯乃爾定理（Snells Law） 當光由光密物質當光由光密物質(折射率大折射率大)入射至光疏物質入射至光疏物質時發生折射，如圖時發生折射，如圖(a)n1n2ri (a)光的折射示意圖 可見，入射角可見，入射角i增大時，折射角增大時，折射角r也隨之增大，也隨之增大， NA表示光纖的集光能力，無論光源的發射功率有多大，只要在2i張角之內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。 產品光纖不給出折射率N，只給數值孔徑NA

15、光纖的集光能力光纖的集光能力jikrABCDEFGKOOn0n2n1數值孔徑數值孔徑NA光纖的傳輸特性單模光纖中損耗的功率可用損耗系數來描述，它表示單位長度光纖的損耗功率。如果沿長度方向的損耗是均勻的，那么在知道輸入功率Pi后，沿光纖長度方向上任一點z處的功率Po便可用損耗系數表示)exp(0LPPi表征相對值的值，純粹的比值，只表示兩個量的相對大小關系，沒有單位 。10logoutinWdBW 表示功率絕對值的值（也可以認為是以1mW功率為基準的一個比值）。10log1mWWdBm 損耗的機理損耗的機理吸收損耗：由SiO2材料引起的固有吸收和由雜質引起的吸收產生。散射損耗：由材料微觀密度不均

16、勻引起的瑞利散射和由光纖結構缺陷(如氣泡)引起的散射產生的。1550 nm : 0.2 0.3dB/Km1310 nm : 0.35 0.5 dB/Km850 nm : 2.3 3.4 dB/Km光纖熔接點損耗：0.2dB/點 模間色散：只發生在多模光纖，因為不同模式的光沿著不同的路徑傳輸。 材料色散：不同波長的光行進速度不同。 波導色散：發生原因是光能量在纖芯及包層中傳輸時，會以稍有不同的速度行進。在單模光纖中，通過改變光纖內部結構來改變光纖的色散非常重要。光纖的傳輸特性 由于光線的基本結構不完美，引起的光能量損失，此時光的傳輸不再具有很好的方向性。光線光線缺陷缺陷光纖的傳輸特性光源光源光源

17、的分類 非相干光源 包括白光源與發光二極管 相干光源 包括各種激光器：半導體激光器、氦氖激光器、固體激光器相干光源 原理能級的躍遷：原子中的電子可以通過和外界交換能量的方式發生量子（能級）躍遷，對于大量原子組成的體系來說，同時存在光的受激吸收、自發輻射和受激輻射三個狀態。受激吸收和自發輻射受激吸收和自發輻射受激吸收過程：受激吸收過程：12EEh自發輻射過程自發輻射過程12EEh激發態激發態 E2E3E4hh基態基態 E1自發幅射的光是非相干光自發幅射的光是非相干光受激輻射（受激輻射（1917年愛因斯坦提出）年愛因斯坦提出）h E1 E2hh12EEh與外來光子頻率與外來光子頻率相同、相位相同、

18、相同、相位相同、偏振方向和傳播偏振方向和傳播方向相同。方向相同。特點：特點：受激幅射中，光子成倍增長，產生了光放大。受激幅射中，光子成倍增長，產生了光放大。受激幅射產生的光子與入射光子是完全相干的；受激幅射產生的光子與入射光子是完全相干的；1. 粒子數反轉粒子數反轉kTEkkenE1E221NN 粒子數反轉粒子數反轉產生激光的必要條件：產生激光的必要條件：1.實現粒子數反轉實現粒子數反轉 2.具有諧振腔結構具有諧振腔結構2. 光學諧振腔光學諧振腔工作物質工作物質全反射鏡全反射鏡部分反射鏡部分反射鏡工作物質工作物質工作物質工作物質工作物質工作物質全反射鏡全反射鏡部分反射鏡部分反射鏡諧振腔長度：諧

19、振腔長度：), 3 , 2 , 1(2nnL光纖傳感常用激光器 半導體激光器體積小、重量輕、可靠性高、轉換效率高、功耗低、驅動電源簡單、能直接調制、結構簡單、價格低廉、使用安全、其應用領域非常廣泛。 半導體激光器工作原理 半導體激光器是向半導體PN結注入電流，實現粒子數反轉分布，產生受激輻射，并利用光學諧振腔的正反饋實現光放大而產生激光。 FP諧振腔型（DH-LD） 分布反饋型（DFB） 超輻射發光二極管（SLD） 發光二極管（LED）2 n反射鏡光的振幅反射鏡L(a)初始位置光光強輸出OXL(b)限制層GayAl1-yAs有源層GaAs限制層GaXAl1-XAsGaAs襯底光輻射金屬接觸限制

20、層GayAl1-yAs有源層GaAs限制層GaXAl1-XAsGaAs襯底光輻射金屬接觸PGa1xAlxAsPGaAsNGa1yAlyAs復合空穴異質勢壘E能量(a)(b)(c)n折射率5%(d)P光電子FP諧振腔型LDDFB激光器由有源層發射的光，從一個方向向另一個方向傳播時，一部分在光柵波紋峰反射(如光線a)， 另一部分繼續向前傳播，在鄰近的光柵波紋峰反射(如光線b)。如果光線a和b匹配，相互疊加，則產生更強的反饋，而其他波長的光將相互抵消。只有符合反射條件的光會得到強烈反射經歷放大過程DFB激光器與FP激光器相比， 具有以下優點： 1. 單縱模激光器 FP激光器諧振腔的長度較長，頻率間隔

21、小選頻困難；DFB激光器的光柵周期相當于微型諧振腔，長度很小，因此頻率間隔大，易于選頻，形成單頻振蕩。2. 波長穩定性好由于光柵的作用有助于使發射波長鎖定在諧振波長上，因而波長的穩定性得以改善DFB激光器照片發光二極管(LED) 發光二極管(LED)的工作原理與激光器(LD)有所不同， LD發射的是受激輻射光，LED發射的是自發輻射光。LED的結構和LD相似，大多是采用雙異質結(DH)芯片，把有源層夾在P型和N型限制層中間，不同的是LED不需要光學諧振腔， 沒有閾值。 激光器相比，發光二極管輸出光功率較小，譜線寬度較寬，調制頻率較低。但發光二極管性能穩定，壽命長，輸出光功率線性范圍寬， 而且制

22、造工藝簡單，價格低廉。1300波長 / nm70 nm相對光強超輻射發光二極管(SLD) SLD光源是在激光二極管(LD)的基礎上改造而成，通過對SLD施加較大的驅動電流，在雙異質結處產生較強的粒子數反轉，從而提高自發輻射光子的單程增益，因此,即便由于抑制激光效應而減少了光子在腔內的反饋次數,但SLD仍然具有相對較高的輸出功率。 主要應用于光纖陀螺 光纖陀螺是一種輕便的由固體元件組成的全固態器件，作為新一代角速度敏感器件。 薩納克效應是相對慣性空間轉動的閉環光路中所傳播光的一種普遍的相關效應，即在同一閉合光路中從同一光源發出的兩束特征相等的光，以相反的方向進行傳播，最后匯合到同一探測點。 若繞

23、垂直于閉合光路所在平面的軸線，相對慣性空間存在著轉動角速度，則正、反方向傳播的光束走過的光程不同，就產生光程差，其光程差與旋轉的角速度成正比。因而只要知道了光程差及與之相應的相位差的信息，即可得到旋轉角速度。 系統靜止系統靜止 系統旋轉系統旋轉 如何檢測相位差？如何檢測相位差？ 利用光的干涉：振動頻利用光的干涉：振動頻 率相同、方向相同、相率相同、方向相同、相位差恒定位差恒定 )cos1 (0sII 通過檢測光強來檢測相位差，通過檢測光強來檢測相位差，進而檢測轉動角速率。進而檢測轉動角速率。光纖陀螺的優點與機電陀螺或激光陀螺相比，光纖陀螺具有如下特點：(1) 較強的抗沖擊和抗加速運動的能力;(

24、2) 檢測靈敏度和分辨率高精度;(3) 較長的使用壽命；(4) 可以實現不同的精度，并具有較寬的動態范圍;(5) 瞬間啟動，無需預熱;(6) 結構簡單、價格低，體積小、重量輕 光纖陀螺的發展現狀光纖陀螺的發展現狀美國在光纖陀螺的研究方面一直保持領先地位。目前美國國內已經有多種型號的光纖陀螺投入使用。日本緊隨美國之后，在中低精度陀螺實用化方面走在了世界前列。許多公司都開始批量生產多種中低精度的光纖陀螺。 我國光纖陀螺的研究相對起步較晚，但是在廣大科研工作者的努力下，已經逐步拉近了與發達國家間的差距。光纖陀螺的發展現狀光纖陀螺的發展現狀級別零偏穩定性(度/小時)標度因數穩定性速率級1010000.

25、11%戰術級0.110101000 ppm慣性級0.015 ppm戰略級0.0011 ppm光纖陀螺應用級別劃分光纖陀螺應用級別劃分戰術級戰術導彈 近程/中程導彈裝甲車和坦克制導魚雷慣性級、戰略級光纖陀螺主要是用于空間定位和潛艇導航，其開發和研制正逐步走向成熟，美國有關公司和研究機構是研制、生產該級別光纖陀螺的佼佼者，如Honeywell、Northrop等公司。激光器的應用 激光，作為一種新類型的光登上舞臺，帶來光學應用技術的革命，已在生產、生活、國防的各個方面都有著應用，幾乎成為所有現代技術依賴的手段。在此不可能加以詳述，僅就一些常見的應用作簡要介紹。氣態原子、分子處在永不停息的運動中（速

26、度接近340m/s），且不斷與其它原子、分子碰撞，要“捕獲”操縱它們十分不易。1997年華裔科學家、美國斯坦福大學朱棣文等人，首次采用激光束將原子束冷卻到極低溫度，使其速度比通常作熱運動時降低，達到“捕獲”操縱的目的。 具體作法是，用六路兩兩成對的正交激光束，沿三個相互垂直的方向射向同一點，光束始終將原子推向這點，于是約106個原子形成的小區，其溫度在240K以下。這樣使原子的速度減至10m/s量級。后來又制成抗重力的光-磁陷阱，使原子在約1s內從控制區墜落后被捕獲。 利用激光的高亮度和極好的方向性，做成激光測距儀、激光雷達和激光準直儀。 激光制導的導彈，頭部有四個排成十字形的激光接收器（四象

27、限探測儀）。如果四個接收器收到的激光一樣多，就按原來方向飛行，如果有一個接收器接收的激光少了，它就自動調整方向。另一類可用激光束照射要打擊的目標，經目標反射的激光被導彈上的接收器收到，引導導彈擊中目標。 3. 全息技術是1948年英國科學家蓋伯提出的一種新的成像原理，“全息”一詞引處希臘語，是“完全”的意思。但由于當時沒有好的相干光源，因而無法獲得好的相干像片。激光的出現，使全息術飛速發展成為一個新領域，蓋伯因此獲1971年諾貝爾物理學獎。 普通照像是把從物體表面發出的光經過透鏡，在感光底片上記錄下物體的光強分布，再翻印到相紙上，呈現出物體的平面圖像。普通照像只記錄了物體表面的光強分布，沒有記

28、錄到物體各部分到觀察者的遠近和角度，即沒記錄下物體發出光線的相位分布，這樣的像沒有立體感。 全息照像是用相干光照射物體，從物體反射或漫射的光不是用透鏡成像而是直接照射到全息底片上，用干涉現象把那些光的光強分布和相位記錄下來。底片上沒有被拍物體的形象，在顯微鏡下可看到的是一幅長短不一、間距不等、走向不同的復雜干涉條紋，稱為全息圖。 4. 光刻技術：如光刻集成電路、光盤。光盤的外形光刻技術：如光刻集成電路、光盤。光盤的外形有點像唱片，寫入讀出的原理也和機械唱片差不多，有點像唱片，寫入讀出的原理也和機械唱片差不多，只是用激光束來代替唱針，因為激光的相干性很好，只是用激光束來代替唱針，因為激光的相干性

29、很好，用聚光系統可以把激光聚焦成比針頭還細小的光束，用聚光系統可以把激光聚焦成比針頭還細小的光束，所以它在介質上寫入信息所占空間尺寸可以非常小所以它在介質上寫入信息所占空間尺寸可以非常?。ㄐ∮冢ㄐ∮?nm）因而信息存儲密度很大。）因而信息存儲密度很大。CD唱片是用唱片是用聲音調制了的激光束刻制光盤，由于在讀寫光盤時光聲音調制了的激光束刻制光盤，由于在讀寫光盤時光點與光盤無機械接觸，就不存在由摩擦引起的雜音，點與光盤無機械接觸，就不存在由摩擦引起的雜音，同時也無磨損，因而光盤音質佳、壽命長。同時也無磨損，因而光盤音質佳、壽命長。 5.生物應用：生物育種上可以采用“誘發育種”方法培育良種，誘發育種也有化學誘變、核輻射誘變、光誘變等，激光照射屬光誘變。生物組織吸收激光能量后，將會使生物體發生光