教学课件PPT光导纤维与光纤传感器.ppt

第9章 光导纤维与光纤传感器 9.1.3 光纤的传输模式 材料色散：材料折射率随波长的变化,使不同波长的群速度不同，造成时延差,发生脉冲展宽。 波导色散：由于波导结构不同，某一波导模式的传播常数β随着信号角频率 ω 变化而引起的色散。 多模色散：不同模按不同速度传播，到达端点产生的延迟不同，使一个窄的脉冲弥散而导致宽度展宽。 优点：无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。 缺点：灵敏度较低。 The end 探测器 光源 被测面 传输光纤 接收光纤 反射式位移传感器 反射式位移传感器 ，其基本原理如图所示。光源发出的光通过光纤射向被测物体，其反射光由接收光纤收集，送到探测器，接收光强将随着反射物体表面与光纤探头端面的距离变化。通过信号处理得到光纤端面与被测面之间距离的变化（位移）。 9.5.3 频率调制型光纤传感器 频率调制型光纤传感器的调制原理是光学多普勒效应 在上图中S是光源，P为运动物体，而Q是观察者所在的位置。物体P的运动速度为V，P的运动方向与PS的夹角为θ1， P的运动方向与PQ的夹角为θ2。则从S射出的频率为f1的光，经过运动物体P散射，观察者在Q处观察到的频率为f2，根据多普勒原理得 V 光纤多普勒测速装置 * 光纤的基础知识 光导纤维的应用 光导纤维的分类及构成 功能型光纤传感器 非功能型光纤传感器 学校：南昌大学 专业：精仪 9.1 光导纤维基础知识 9.1.1 光纤的结构 图9-1 光纤的结构示意图 光纤由纤芯、包层及外套组成，如图9-1所示。 纤芯一般由玻璃、石英或塑料等组成，一般直径为5~ 150 um。包层的材料也是玻璃或塑料。外套起到保护光纤的作用。 纤芯、包层及外套的折射率关系如下： 纤芯 ＞ 包层 外套 ＞ 包层 9.1.1 光纤的种类 依据折射率的变化规律，光纤被分为阶跃型和梯度型。 阶跃 剖面 n(r) a n2 n1 r 纤 芯 图9-2（a）阶跃型多模光纤 图9-2(a)所示为阶跃型光纤，纤芯的折射率n1分布均匀，不随半径变化。包层内的折射率n2分布也大体均匀。可是纤芯与包层之间折射率的变化呈阶梯状。在纤芯内，中心光线沿光纤轴线传播。通过轴线平面的不同方向入射的光线（子午光线）呈锯齿形轨迹传播。 a n2 n1 r 纤 芯 图9-2（b）梯度型多模光纤 图9-2(b)所示为梯度型光纤，纤芯的折射率n1不是常数，从中心轴线开始沿径向大致按抛物线规律逐渐减小。因此光在传播中会自动地从折射率小的界面处向中心会聚。光线偏离中心轴线越远，则传播路程越长。传播的轨迹类似正弦波曲线。这种光纤又称自聚焦光纤。 右下图所示为经过轴线的子午光线传播的轨迹。 在纤芯内传播的光波，可以分解为沿轴向传播的平面波和沿半径方向（剖面方向）传播的平面波。沿半径方向传播的平面波在纤芯与包层的界面上将产生反射。如果此波在一个往复（入射和反射）中相位变化为2π的整数倍，就会形成驻波。只有能形成驻波的那些特定角度射入光纤的光才能在光纤内传播，这些光波就称为模。 在光纤内只能传输一定数量的模。通常纤芯直径较粗（几十微米以上）时，能传播几百个以上的模，而纤芯很细（5～10微米），只能传播一个模。前者称为多模光纤，后者为单模光纤。 阶跃型和梯度型光纤为多模光纤。 9.1.4 光纤的传光原理 图9-3(a) θ1θc时 光线在界面上发生的反射 当光线以较小的入射角，由光密媒质进入光疏媒质时，一部分光线被反射，另一部分折射入光疏媒质。如图所示。折射角满足斯奈尔（Snell）定律则 图9-3(b) θ1＝θc时 光线在界面上发生的反射 图9-3(c) θ1＞θc时 光线在界面上发生的反射 当逐渐加大入射角θ1，一直到θc，折射光就会沿着界面传播，此时如右图所示折射角θ1＝90o。这时，入射角θ1＝ θc，θc称为临界角，由下式决定： 当继续加大入射角θ1，（即θ1θc)， 光不再产生折射，只有反射，形成光的全反射现象，如右图所示。 图9-4 阶跃型光纤中子午光线的传播 以阶跃型光纤为例，来说明光纤的传光原理。 光纤的传播基于光的全反射。当光线以不同角度入射到光纤端面时，在端面发 生折射后进入光纤。当φ1大于临界角φ1（θ0 小于临界角θc时 ）光在纤芯和包层界面上经若干次全反射向前传播，最后从另一端面射出。若光纤两端同处于空气之中，则出射角也将为θ0。 由斯奈尔（Snell）定