第9章 光导纤维与光纤传感器.ppt

* 例如，在石英中加入折射率低于石英的B2O3，即包层材料为B2O3·SiO2 例如，在石英中加入折射率高于石英的GeO2或P2O3；称为锗-硅光纤或磷-硅光纤。 纤芯是由玻璃、石英或塑料等制成的圆柱体，一般直径约为5~150微米. 围绕着纤芯的那一层叫包层，材料也是玻璃或塑料等。 纤芯的折射率n1(1.5)包层的折射率n2(1.485)。 外套起保护光纤的作用，其折射率n3包层的折射率 由于纤芯和包层构成了一个同心圆双层结构，所以光纤具有使光束封闭在纤芯里面传输的功能。 通常人们又把较长的或多股的光纤称之为光缆。 一 光导纤维基础知识 （一）光纤的结构 光纤由纤芯、包层及外套组成 纤芯 包层 套塑 涂覆层 芯包间相对折射率差为: 梯度型光纤：纤芯内的折射率从中心轴线开始沿径向按抛物线规律变化,中心轴线折射率最大,光在传播中会自动地从折射率小的界面处向中心会聚. 在纤芯内，中心光线沿光纤的轴线传播，通过轴 线的子午光线呈正弦波曲线。 梯度型光纤又称为自聚焦光纤,其折射率分布为 纤芯的折射率n1分布均匀，固定不变；包层内的折射率n2分布也大体均匀，但纤芯到包层的折射率变化呈台阶状。 在纤芯内，中心光线沿光纤的轴线传播，通过 轴线的子午光线呈锯齿形轨迹。那么什么是子午光 线？ (二)光纤的种类 (1) 根据折射率的变化规律，光纤分为阶跃型(Step Index Fiber)和梯度型(Graded Index Fiber)两种 阶跃型光纤: 折射率 折射率 归一化频率是光纤的最重要的结构参数，是一个 直接与频率成正比的无量纲的量，它能表征光纤中传 播模式的数量。 光纤中只允许传播一个模式，即基模。V2.405 也就是单模光纤单模传输的条件 单模光纤在给定的工作波长上，只能传输单一基模（HE11），其它高阶模均被截止。 (3) 根据传播波长，光纤分为短波长和长波长两种：短波长是0.85微米，长波长是1.3和1.55微米 “麦氏方程组+光纤的边界条件”的解就是光纤中的可能传播的模式。 光纤中的模和光纤的性能参数有关：如纤芯直径大小，折射率分布因子，光纤芯包的相对折射率差，数值孔径和传播的波长等有关。 (2) 根据传输模式，光纤分为单模和多模两种 什么是光纤中的模式？ 光纤中的模式：是指电磁场在光纤中可能的存在方式，可能的传播方式。 光纤中的模大略可分为两类：传导模和辐射模 在光纤中还有一个比较有用的归一化频率参数V （三）光纤的传光原理 当光线以较小的入射角由光密媒质n1射入光疏媒质n2时 若继续加大入射角,使得折射角为90度，此时入射角为？ φ2 折射光 反射光 φ1 入射光 折射率n2 折射率n1 界面法线 折射光 若继续加大入射角, 光不再产生折射，而只有在光密媒质 中的反射，即形成了光的全反射现象 本征吸收是物质固有的,主要由紫外红外波段电子跃迁与振动跃迁引起.杂质吸收由于材料的正过渡离子的电子跃迁和OH-的分子振动引起.原子吸收由于强烈的热和光或者辐射使光纤材料受激出现缺陷而致. 光纤的弯曲也会造成散射损耗：光纤边界条件的变化，使光在光纤中无法进行全反射传输。光纤的弯曲半径越小，造成的散射损耗越大。 ●多模短波长(0.8-0.9μm)光纤为2.5dB/km-3dB/km； 多模光纤损耗的指标大致为： 散射损耗是由于光纤材料的不均匀或存在缺陷引起的。如瑞利散射就是由于材料的缺陷引起折射率随机性变化所致。 例如:“1966年，高锟用纯度极高的玻璃纤维在超过100km的距离以上成功传输了光信号，而在60年代普通的纤维只能传输光信号20m远。” 物质对光的吸收作用将使传输的光能变成热能，造成光能的损失 入射光纤中的光，由于存在着费涅耳反射损耗、吸收损耗、全反射损耗以及弯曲损耗等，光纤不可能百分之百地将入射光的能量传播出去。 (四)光纤的传输特性 表征光纤时的特性参数有： 传输损耗 色散 容量 抗拉强度 集光本领 1、传输损耗 当光纤长度为L，输入与输出的光功率分别为Pi和P0时,光纤的损耗系数α 光纤损耗主要包括吸收损耗和散射损耗 OH-离子难以根除,其分子振动跃迁在波段0.85μm, 1.31μm,1.55μm吸收很少,最小在1.55μm 吸