光纤相位调制传感实验讲义.pdfVIP

光纤相位调制传感实验讲义 光纤(Optical fiber)是光导纤维的简称，是利用全反射原理传输光波的玻璃或塑料波导介质，广 泛应用于现代网络通讯领域。在光纤的发展过程中，英籍华裔学者高锟博士(Charles K. Kao)做出了 杰出的贡献，而被誉为“通信光纤之父”，并获得了2009 年诺贝尔物理学奖。随着光导纤维制作技术 及光通信技术的发展，上世纪70 年代末逐渐形成了光纤传感技术。光纤传感是利用光纤在外界因素 作用导致光纤传输特性的改变从而引起在光纤中传播的光波的特征参量如振幅、相位、偏振态、波 长、频率等的改变来进行传感测量的。与其它传感技术相比，光纤传感器具有灵敏度高、不受电磁 干扰、耐腐蚀、使用安全防爆、体积小、重量轻，可实现分布式传感等特性，因而在建筑、航空航 天、能源、电力、石油化工、矿产地质、环境、食品安全、生物医学等领域有着广泛的应用，尤其 在高温、高压、防爆、强腐蚀等特殊、恶劣环境下，光纤传感器具有其它传感器所不可替代的作用。 【实验目的】 (1)进一步学习物理学、波导光学等的相关原理及其应用 (2)学习光纤光路的调整 (3)学习并掌握光纤相位调制传感的基本概念和原理以及光干涉测量技术 【实验原理】 1.光纤基本结构及其光学传输特性 光纤一般由同心的纤芯、包层、涂敷层和护套层四部分构成，如图1 所示。涂敷层与护套层主 要保护裸纤不受外界损伤，增加光纤的韧性和机械强度。纤芯和包层是光纤的主体结构，其形状、 折射率及其分布情况决定了光纤本身的光传输特性。纤芯和包层通常是同一种基质材料而掺入不同 的杂质，使得纤芯的折射率略大于包层的折射率，相差约1％。 M θr K n2 n0 C G B θk F n1 θ O j O’ θi M A 图1 光纤基本结构示意图 图2 光波导原理示意图 图2 所示为光波导原理剖面示意图。纤芯折射率为n ，包层折射率为n ，且n n 。光线AB 以 1 2 1 2 入射角θ 从空气（折射率为n ）入射到空气与纤芯界面，部分光线被反射回空气，部分光线BC 折 i 0 射进入纤芯并到达纤芯与包层界面，再次发生反射和折射。部分光线CF 反射回纤芯，部分光线CK 以折射角θ 进入包层。根据Snell 定律，考虑到空气折射率n ≈ 1，可得到入射角θ 和折射角θ 之间 r 0 i r 的关系 2 2 2 sinθ n =−n sin θ