光纤传感原理2.pptVIP

北京交大光信息所 反映纤芯能接收光量的大小，是光纤波导的重要特性参数。 意义：无论光源发射功率有多大，只有2NA张角之内的光功率能被光纤接受传播。 数值孔径大：有利于耦合效率的提高；但数值孔径太大，光信号畸变也越严重。 光纤的多层结构与各部分功能。 光纤的光学结构特点。 光纤传光的光线理论。 光纤导波光学理论。 * * * * 第二讲 光纤传感技术基础（一） 《光纤传感原理》 光纤基本知识 光纤波导理论基础 内容小结 光纤基本知识 1 1870年,英国皇家学会的John Tyndall 演示了光在一束细水流中进行全内反射传输的现象。 光波导的雏形 光纤是现代信息技术发展的一块重要基石 在传感中，光纤是指（一般为石英基）纤维状光波导 光纤的结构 光纤主体，传导光信号 避光、强化、保护 功能 实际的 光纤成品 SiO2 硅酮 尼龙 1.几何结构与材料： 1.芯层 2.包层 3.涂敷层 4.套管 SMF结构 Fibre core SiO2+ GeO2 ? 10 mm n ? 1.443 Single Mode Fibre (SMF) SiO2 Cladding ? 125 mm n ? 1.44 Primary coating (soft) ? 400 mm Secondary coating (hard) ? 1 mm 阶跃光纤 相对折射率差 折射率 分布函数 2.光学结构特点： 梯度光纤 折射率最大 光纤的拉制 制备光纤预制棒：气相沉积工艺（光学特性）+外包层工艺（成本）。 四种方法：外气相沉积（OVD）、轴向气相沉积（VAD）、改进 型化学气相沉积（MCVD）、等离子化学气相沉积（PCVD） 新型MCVD预制棒车床 光纤拉丝塔 传感用光纤种类 石英基光纤 （普通单模、保偏，红外、紫外，光子晶体光纤） 聚合物光纤 （聚甲基丙烯酸甲酯） 特种光纤 （声敏光纤、磁敏光纤、光敏光纤等） 光纤波导理论基础 2 严格的理论是光波导理论，即光的电磁理论。 在尺寸远大于波长而折射率变化缓慢的空间,可以用“光线”即几何光学的方法来分析光的传播,这就是光线理论。 光线理论 θi θj θr A B C D E O O n0 n2 n1 子午光线的传播 子午面：通过光纤中心轴的平面 非子午光线的传播：P117 “数值孔径” NA（Numerical　Aperture）: 若发生全反射的临界入射角为θ0，则NA=n0sinθ0 数值孔径 r Z NA 例题 n1 n2 a 已知: n1=1.4458, ? =0.304% ， n2=1.4414 NA =0.1127 模式色散 不同入射角的子午光线，由于在光纤中的传播路径不同，到 达输出端时出现时延差异，导致光信号脉冲展宽，称为模式色散。 最大时延差 传播最快和最慢的两条光线的传播时间差。 α β 光纤波导理论 波动理论、模式理论、模耦合理论 边界条件 波动方程 光场解 边界条件 特征方程 场的解 传输常数? 模场分布 ?-V特性曲线 包层折射率 芯层折射率 有效折射率 基模： HE11 归一化频率 TE01 、TM01模式的归一化截止频率为2.4048，当： 单模传输条件： 此时，二层圆均匀光波导中只有单模传输，满足这一条件的光纤成为单模光纤。 单模条件 a：芯层半径 基 模 HE11y HE11x 光纤中的基模模场分布 HE21 二次模 TM01 TE01 HE21 内容小结与回顾 3 Any questions ? 课外作业 光纤折射率满足何种分布规律，才具有聚光作用？ 单模单偏振光纤的条件及用途有哪些？ 单模光纤中可能产生哪些效应？分别能应用于那些物理量的传感？