光纤传感器原理及应用技术（可编辑）.docVIP

光纤传感器原理及应用技术 第6章光纤传感器 6.1 基础知识 6.2 光纤传感器的分类及构成 6.3 功能型光纤传感器举例 6.4 非功能型光纤传感器举例　 思考题与习题　　　 第6章光纤传感器　　 6.1 基础知识 光纤的结构　 光纤的结构很简单,通常由纤芯、包层及外套组成 （如图6.1所示）。纤芯位于光纤的中心部位,它是由玻 璃、石英或塑料等制成的圆柱体,一般直径约为5～150 μm 。光主要通过纤芯传输。围绕着纤芯的那一层叫 包层,材料也是玻璃或塑料等。 纤芯和外层材料的折 射率不同,纤芯的折射率n 稍大于包层的折射率n 。由 1 2 于纤芯和包层构成了一个同心圆双层结构,所以光纤具 有使光功率封闭在里面传输的功能。外套起保护光纤 的作用。通常人们又把较长的或多股的光纤称之为光 缆。　 第6章光纤传感器　　 包层 外套 纤芯 图6.1 由纤芯、包层及外套组成的光纤的结构示意图 第6章光纤传感器　　 光纤的种类　 根据纤芯到包层的折射率的变化规律分类,光纤被分为 阶跃型和梯度型两种。　 阶跃型光纤如图6.2 a 所示。纤芯的折射率n 分布均匀, 1 固定不变,包层内的折射率n 分布也大体均匀,但纤芯到包层 2 的折射率变化呈台阶状。在纤芯内, 中心光线沿光纤轴线传 播,通过轴线的子午光线（光的射线永远在一个平面内运动, 这种光线称之为子午光线）呈锯齿形轨迹。　 梯度型光纤纤芯内的折射率不是常数,从中心轴线开始 沿径向大致按抛物线规律变化,中心轴折射率最大,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。光线传播 的轨迹类似正弦波曲线。这种光纤又称为自聚焦光纤。图 6.2 b 示出了经过轴线的子午光线传播的轨迹。　 第6章光纤传感器　　 根据光纤的传输模式分类,可以把光纤分为多模光纤和单 模光纤两类。阶跃型和梯度型为多模光纤,而图6.2 c 所示的 为单模光纤。　 模的概念可简单介绍如下。　 在纤芯内传播的光波,可以分解为沿轴向传播的平面波和 沿垂直方向（剖面方向）传播的平面波。沿剖面方向传播的 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2 π的整数倍,就会形成驻 波。只有能形成驻波的那些以特定角度射入光纤的光波才能 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μm 以上）时,能传播几百 个以上的模,而纤芯很细（5～10 μm ）时,只能传播一个模。 前者称为多模光纤,后者称为单模光纤。关于模式理论,有兴 趣的读者可参阅有关文献资料。　 第6章光纤传感器　　 a 折射率 b c 图6.2 光纤的种类和光传播形式　 a 阶跃型多模光纤；（b ）梯度型多模光纤； c 单模光纤 第6章光纤传感器　　 光纤的传光原理　 讨论光纤的传光原理,首