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1、光导纤维与光纤传感器第1页，共35页，编辑于2022年，星期五 例如，在石英中加入折射率低于石英的例如，在石英中加入折射率低于石英的B2O3，即包层材料为，即包层材料为B2O3SiO2 例如，在石英中加入折射率高于石英的例如，在石英中加入折射率高于石英的GeO2或或P2O3；称为锗；称为锗-硅光纤或磷硅光纤或磷-硅光纤。硅光纤。纤芯纤芯是由玻璃、石英或塑料等制成的圆柱体，一般直径约为是由玻璃、石英或塑料等制成的圆柱体，一般直径约为5150微米微米.围绕着纤芯的那一层叫包层，材料也是玻璃或塑料等。围绕着纤芯的那一层叫包层，材料也是玻璃或塑料等。纤芯的折射率纤芯的折射率n1(1.5)包层的折射率包
2、层的折射率n2(1.485)。外套外套起保护光纤的作用，其折射率起保护光纤的作用，其折射率n3 包层的折射率包层的折射率 由于纤芯和包层构成了一个由于纤芯和包层构成了一个同心圆双层结构同心圆双层结构，所以光纤具，所以光纤具有使光束封闭在纤芯里面传输的功能。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通常人们又把较长的或多股的光纤称之为光缆光缆。一一 光导纤维基础知识光导纤维基础知识（一）光纤的结构（一）光纤的结构光纤由纤芯、包层及外套组成光纤由纤芯、包层及外套组成纤芯纤芯包层包层套塑套塑涂覆层涂覆层芯包间芯包间相对折射率差为相对折射率差为:第2页，共35页，编辑于20
3、22年，星期五 梯度型光纤：梯度型光纤：纤芯内的折射率从中心轴线开始沿径向按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抛物线规律变化,中心轴线折射率最大中心轴线折射率最大,光在传播中会自动地光在传播中会自动地从折射率小的界面处向中心会聚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。线的子午光线呈正弦波曲线。梯度型光纤梯度型光纤又称为自聚焦光纤又称为自聚焦光纤,其折射率分布为其折射率分布为 纤芯的折射率纤芯的折射率n1分布均匀，固定不变；包层内的折分布均匀，固定不变；包层内的折射率射率n2 2分
4、布也大体均匀，但纤芯到包层的折射率变化呈台阶分布也大体均匀，但纤芯到包层的折射率变化呈台阶状。状。在纤芯内，中心光线沿光纤的轴线传播，通过在纤芯内，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。那么什么是子午光轴线的子午光线呈锯齿形轨迹。那么什么是子午光线？线？(二二)光纤的种类光纤的种类 (1)(1)根据折射率的变化规律，光纤分为阶跃型根据折射率的变化规律，光纤分为阶跃型(Step Index Fiber)和梯度型和梯度型(Graded Index Fiber)两种两种 阶跃型光纤阶跃型光纤:折射率折射率折射率折射率第3页，共35页，编辑于2022年，星期五 归一化频率是光纤的最
5、重要的结构参数，是一个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。播模式的数量。光纤中只允许传播一个模式，即基模。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。），其它高阶模均被截止。(3)(3)根据传播波长，光纤分为根据传播波长，光纤分为短波长短波长和和长波长长波长两种：短两种：短波长是波长是0.85微米，长波长
6、是微米，长波长是1.3和和1.55微米微米 “麦氏方程组麦氏方程组+光纤的边界条件光纤的边界条件”的解就是光纤中的可的解就是光纤中的可能传播的模式。能传播的模式。光纤中的光纤中的模和光纤的性能参数有关：模和光纤的性能参数有关：如纤芯直径大如纤芯直径大小，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。径和传播的波长等有关。(2)(2)根据传输模式，光纤分为根据传输模式，光纤分为单模单模和和多模多模两种两种 什么是光纤中的什么是光纤中的模式？模式？光纤中的光纤中的模式：模式：是指电磁场在光纤中可能的存在方式，是指电磁场在光纤中
7、可能的存在方式，可能的传播方式。可能的传播方式。光纤中的光纤中的模大略可分为两类：模大略可分为两类：传导模和辐射模传导模和辐射模 在在光纤中还有一个比较有用的归一化频率参数光纤中还有一个比较有用的归一化频率参数V第4页，共35页，编辑于2022年，星期五（三）光纤的传光原理（三）光纤的传光原理 当光线以较小的入射角当光线以较小的入射角由光密媒质由光密媒质n1射入光疏媒射入光疏媒质质n2时时若继续加大入射角若继续加大入射角,使得折射角为使得折射角为90度，此时入射角为？度，此时入射角为？2折射光折射光反射光反射光1入射光入射光折射率折射率n2折射率折射率n1界面法线界面法线 折射光折射光 若继续
8、加大入射角若继续加大入射角,光不再产生折射，而只有在光密媒质光不再产生折射，而只有在光密媒质中的反射，即形成了光的全反射现象中的反射，即形成了光的全反射现象第5页，共35页，编辑于2022年，星期五 本征吸收本征吸收是物质固有的是物质固有的,主要由紫外红外波段电子跃迁与振动跃主要由紫外红外波段电子跃迁与振动跃迁引起迁引起.杂质吸收杂质吸收由于材料的正过渡离子的电子跃迁和由于材料的正过渡离子的电子跃迁和OHOH-的分子振的分子振动引起动引起.原子吸收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缺陷而致.光纤的弯曲也会造成散射损耗光纤的弯曲也
9、会造成散射损耗：光纤边界条件的变化，使光在：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。耗越大。多模短波长多模短波长(0.8-0.9m)光纤为光纤为2.5dB/km-3dB/km；多模光纤损耗的指标大致为：多模光纤损耗的指标大致为：散射损耗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。散射就是由于材料的缺陷引起折射率随机性变化所致。例如例如:“1966“1966年，高锟用纯度极高的玻璃纤维
10、在超过年，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的距离以上成功传输了光信号，而在，而在60年代普通的纤维只能传年代普通的纤维只能传输光信号输光信号20m远。远。”物质对光的吸收物质对光的吸收作用将使传输的光能变成热能，造成光能的损作用将使传输的光能变成热能，造成光能的损失失 入射光纤中的光，由于存在着费涅耳反射损耗、吸收损耗、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。的能量传播出去。(四四)光纤的传输特性光纤的传输特性表征光纤时的特性
11、参数有表征光纤时的特性参数有：传输损耗传输损耗色散色散容量容量 抗拉强度抗拉强度 集光本领集光本领1 1、传输损耗、传输损耗 当光纤长度为当光纤长度为L，输入与输出的光功率分别为，输入与输出的光功率分别为Pi和和P0时时,光纤光纤的损耗系数的损耗系数光纤损耗主要包括光纤损耗主要包括吸收损耗和散射损耗吸收损耗和散射损耗 OH-离子难以根除离子难以根除,其分子振动跃迁在波段其分子振动跃迁在波段0.85m,1.31m,1.55m吸收很少吸收很少,最小在最小在1.55m 吸收损耗包括吸收损耗包括:本征吸收本征吸收,杂质吸收和原子吸收杂质吸收和原子吸收.多模长波长多模长波长(1.5m)光纤为光纤为1dB
12、/km-1.5dB/km；单模长波长光纤为单模长波长光纤为0.2dB/km-0.5dB/km。杂质：金属离子杂质：金属离子Fe、Co、Ni、Mn第6页，共35页，编辑于2022年，星期五梯度型光纤的时延差为：梯度型光纤的时延差为：对长波长光纤来说，在对长波长光纤来说，在1.31.3m m附近有零色散区，这是目前较附近有零色散区，这是目前较长距离大容量光纤通信选择长距离大容量光纤通信选择1.31.3m m为中心波长的主要原因！为中心波长的主要原因！模式色散实际是指光线到达接收端的时延差！模式色散实际是指光线到达接收端的时延差！阶跃型光纤的时延差为：阶跃型光纤的时延差为：材料的折射率随波长的变化而
13、变化，因光信号中各波长分量的群材料的折射率随波长的变化而变化，因光信号中各波长分量的群速度不同而引起的色散称为材料色散速度不同而引起的色散称为材料色散(又称为又称为折射率色散折射率色散)；光纤的色散光纤的色散就是输入脉冲在光纤内的传输过程中，由于光波就是输入脉冲在光纤内的传输过程中，由于光波的群速度不同而出现的脉冲展宽现象。的群速度不同而出现的脉冲展宽现象。由于波导结构不同，某一波导模式的传播常数随着信号角频率由于波导结构不同，某一波导模式的传播常数随着信号角频率变化而引起的色散称为波导色散变化而引起的色散称为波导色散(结构色散结构色散)；在多模光纤中由于各个模式在同一角频率下的传播常数不同，
14、在多模光纤中由于各个模式在同一角频率下的传播常数不同，群速度不同而产生的色散称为多模色散群速度不同而产生的色散称为多模色散(又称为又称为模式色散模式色散)。光纤色散使传输的信号脉冲发生畸变，从而限制了光纤光纤色散使传输的信号脉冲发生畸变，从而限制了光纤的传输带宽的传输带宽.2.2.色散色散(1)(1)材料色散材料色散(2)(2)波导色散波导色散(3)(3)多模色散多模色散三种色散的大小顺序是三种色散的大小顺序是:多模色散多模色散材料色散材料色散波导色散波导色散光纤色散光纤色散材料色散材料色散波导色散波导色散多模色散多模色散 单模光纤不存在模式色散单模光纤不存在模式色散,但由于它存在两个相互但由
15、于它存在两个相互垂直的线偏模垂直的线偏模,因此存在偏振色散因此存在偏振色散对单模光纤而言：对单模光纤而言：处衰减量较大，但总色散为处衰减量较大，但总色散为0 0；处衰减量最小，但色散值较大；处衰减量最小，但色散值较大；为了得到衰减量小，色散值为为了得到衰减量小，色散值为0 0的光纤，采用的光纤，采用0 0色散迁移的色散迁移的办法，把办法，把0 0色散位置从色散位置从第7页，共35页，编辑于2022年，星期五 输入光纤的可能是强度连续变化的光束输入光纤的可能是强度连续变化的光束,也可能是一组光脉也可能是一组光脉冲冲,由于光纤色散现象由于光纤色散现象,会使脉冲展宽会使脉冲展宽,造成信号畸变造成信号
16、畸变,从而限制了从而限制了光纤的信息容量和品质。光纤的信息容量和品质。设光源的中心频率为设光源的中心频率为 ，带宽为，带宽为 ，某一模式光，某一模式光的传播常数为的传播常数为 ，则总的延迟增量为，则总的延迟增量为 式中：式中：；，c c为真空中的光速。为真空中的光速。3.3.容量容量光脉冲的展宽程度可以用延迟时间来反映。光脉冲的展宽程度可以用延迟时间来反映。光光纤纤的的弯弯曲曲性性与与光光纤纤的的抗抗拉拉强强度度有有很很大大关关系系。抗抗拉拉强强度度大的光纤大的光纤,不仅强度高不仅强度高,可挠性也好。同时可挠性也好。同时,其环境适应性能也强。其环境适应性能也强。4.4.抗拉强度抗拉强度 光纤的
17、抗拉强度取决于材料的纯度、分子结构状态、光纤的光纤的抗拉强度取决于材料的纯度、分子结构状态、光纤的粗细及缺陷等因素。粗细及缺陷等因素。第8页，共35页，编辑于2022年，星期五如果如果那么那么 光纤波导的弱导条件是光纤与微波介质圆波导之间的重要差光纤波导的弱导条件是光纤与微波介质圆波导之间的重要差别之一别之一.弱导的基本含义：弱导的基本含义：很小的折射率差就可能构成良好的光纤波导很小的折射率差就可能构成良好的光纤波导结构，而且为工艺制造提供了方便。结构，而且为工艺制造提供了方便。假设芯包间的相对折射率差为假设芯包间的相对折射率差为：5.5.收光本领收光本领 光纤的数值孔径光纤的数值孔径NA定义
18、为：定义为：当光从空气中入射到光纤端面时当光从空气中入射到光纤端面时的光锥半角之正弦：的光锥半角之正弦：光光锥锥的的大大小小是是使使此此角角锥锥内内所所有有方方位位的的光光线线一一旦旦进进入入光光纤纤，就就被被截留在纤芯中，沿着光纤传播。截留在纤芯中，沿着光纤传播。对于阶跃型光纤，其数值孔径可表示为对于阶跃型光纤，其数值孔径可表示为 光纤的集光本领与数值光纤的集光本领与数值孔径有密切的关系孔径有密切的关系:数值孔径只决定于数值孔径只决定于光纤的折射率，与光纤的折射率，与光纤的尺寸无关光纤的尺寸无关从真空入射时从真空入射时：光纤波导的光纤波导的弱导条件弱导条件想一想：想一想：该公式是怎么得到的？
19、该公式是怎么得到的？光纤可以做得很细使之柔软、弯曲。当光纤的数值孔径光纤可以做得很细使之柔软、弯曲。当光纤的数值孔径最大时，光纤的集光本领也最大。最大时，光纤的集光本领也最大。数值孔径的数值一般为：数值孔径的数值一般为：0.20-0.25A计算数值孔径计算数值孔径NA第9页，共35页，编辑于2022年，星期五光纤耦合器是实现光信号分路光纤耦合器是实现光信号分路/合路的功能器件合路的功能器件。光纤弱耦合光纤弱耦合是通过光纤的弯曲或使其耦合处成锥状是通过光纤的弯曲或使其耦合处成锥状.于是于是,纤纤芯中的部分传导模变为包层模芯中的部分传导模变为包层模,再由包层进入耦合臂中的纤芯再由包层进入耦合臂中的
20、纤芯,形成形成传导模。传导模。(1)(1)把光纤埋入玻璃块的弧形槽中，将其侧面研磨抛光，使光纤耦合把光纤埋入玻璃块的弧形槽中，将其侧面研磨抛光，使光纤耦合处的包层厚度达到一定的要求，然后将两根光纤拼接在一起。处的包层厚度达到一定的要求，然后将两根光纤拼接在一起。(五五)光纤的耦合光纤的耦合光纤的耦合分为光纤的耦合分为强耦合强耦合和和弱耦合弱耦合两种两种 光纤强耦合光纤强耦合是光纤纤芯间形成直通，传输模直接进人耦是光纤纤芯间形成直通，传输模直接进人耦合臂合臂 常用的耦合方式有三种常用的耦合方式有三种：拼接型拼接型(2)(2)将两根光纤稍加扭绞，用微火炬对耦合部位进行加热，在熔融过将两根光纤稍加扭
21、绞，用微火炬对耦合部位进行加热，在熔融过程中拉伸光纤，最后拉细成型。程中拉伸光纤，最后拉细成型。熔融拉熔融拉锥型锥型 此时此时,在两根光纤的耦合部位形成双锥区在两根光纤的耦合部位形成双锥区,两根光纤包层合两根光纤包层合并在一起并在一起,纤芯变细并靠近纤芯变细并靠近,形成了一个新的合成光波通路形成了一个新的合成光波通路.根据靠根据靠近程度的不同近程度的不同,可构成弱耦合或强耦合。可构成弱耦合或强耦合。Pin耦合臂耦合臂直通臂直通臂第10页，共35页，编辑于2022年，星期五 还还可可通通过过控控制制扭扭力力或或张张力力，调调节节光光纤纤间间距距，以以达达到调节光纤耦合强弱的目的。到调节光纤耦合强
22、弱的目的。(3)(3)将光纤的局部外套去掉将光纤的局部外套去掉剥离护剥离护套扭绞套扭绞固化固化然后进行加固然后进行加固。腐蚀腐蚀 腐蚀掉光纤耦合部位的大腐蚀掉光纤耦合部位的大部分包层，并将两根光纤的纤部分包层，并将两根光纤的纤芯紧紧扭绞在一起；芯紧紧扭绞在一起；第11页，共35页，编辑于2022年，星期五 在检测技术中光纤照明器常制成叉型，在检测技术中光纤照明器常制成叉型，又叫做又叫做Y Y形形光纤耦合器光纤耦合器。合成一端作为探头，探测待测信息；两枝分。合成一端作为探头，探测待测信息；两枝分束光纤一枝接受光源的光，另一枝输出返回探头的光，从束光纤一枝接受光源的光，另一枝输出返回探头的光，从而
23、使光电探测器获得所需的光信息。而使光电探测器获得所需的光信息。二二 光导纤维的应用光导纤维的应用 光导纤维除应用于光通信光导纤维除应用于光通信,传感器外传感器外,还可用于导还可用于导光和传像。光和传像。（一）光纤在直接导光方面的应用（一）光纤在直接导光方面的应用 利用光纤柔软可弯曲的特点，可按需要制成各种利用光纤柔软可弯曲的特点，可按需要制成各种导光器导光器1.1.光纤照明器光纤照明器 1)1)线状照明线状照明 光源所发之光经透镜进入圆形光纤束的一端，另一端光源所发之光经透镜进入圆形光纤束的一端，另一端可以排成可以排成圆形、方形或三角形圆形、方形或三角形等多种形状，实现所需形等多种形状，实现所
24、需形状的光输出。状的光输出。光光源源所所发发的的光光汇汇聚聚进进入入光光纤纤束束的的一一端端，另另一一端端按按需需要由多束光纤输出，分别照明所需照明的位置要由多束光纤输出，分别照明所需照明的位置。2)2)多路照明多路照明3 3）检测照明检测照明第12页，共35页，编辑于2022年，星期五2 2光纤束行扫描器光纤束行扫描器条状光条状光源源 待测物待测物 光电探光电探测器测器 转换器转换器 多种光的合成多种光的合成:利用光纤比利用光学系统方便得多。利用光纤比利用光学系统方便得多。3 3光纤直接导光的应用光纤直接导光的应用 激激光光手手术术刀刀:利利用用光光纤纤束束传传输输激激光光，使使激激光光能能
25、量量以以高高入入射射功功率率密密度度(110W)聚聚焦焦在在人人体体某某部部分分组组织织表表面面上上，辐辐射射能能被被人人体体组组织吸收、升温、最后气化而切除。织吸收、升温、最后气化而切除。激激光光加加工工、加加热热，以以及及海海底底供供能能:采采用用光光纤纤束束传传输输能能量量是是最佳的方案。最佳的方案。直直线线-圆圆环环光光纤纤转转换换器器和和Z Z型型导导光光管管可可以以对对移移动动目目标标实实现现图图象信号的采集。象信号的采集。条条状状光光源源照照明明移移动动的的带带状状待待测测物物的的一一行行,线线状状排排列列的的光光纤纤将将光源所照明的那一行物体的信息采入，并传递到光纤圆环上。光源
26、所照明的那一行物体的信息采入，并传递到光纤圆环上。Z Z型型导导光光管管以以输输出出光光轴轴为为旋旋转转轴轴扫扫描描圆圆环环，将将圆圆环环光光纤纤输输出出信信息息按按时时序序由由聚聚光光镜镜会会聚聚于于光光电电探探测测器器上上。光光电电探探测测器器输输出出的的时序信号就是对待测物的扫描信号。时序信号就是对待测物的扫描信号。第13页，共35页，编辑于2022年，星期五 利用光纤传像束可弯曲的特点，可制成各种内窥镜，以实现利用光纤传像束可弯曲的特点，可制成各种内窥镜，以实现对用一般光学方法难以观察到的地方进行窥视。对用一般光学方法难以观察到的地方进行窥视。医用光纤内窥镜医用光纤内窥镜主要由光源及传
27、光部分，成像部分、传像部分和观察记录部分组主要由光源及传光部分，成像部分、传像部分和观察记录部分组成成。许多工作场合需要对多处目标进行切换观察，可采用光纤许多工作场合需要对多处目标进行切换观察，可采用光纤图像换向系统来实现。图像换向系统来实现。它由目标图像采集系统、图像切换系统，它由目标图像采集系统、图像切换系统，以及观察和记录系统等组成以及观察和记录系统等组成。完完成成传传像像功功能能的的光光纤纤制制品品主主要要是是光光纤纤传传像像束束和和硬硬性性光光纤纤器器件件(光纤面板、扭像器和光纤锥等光纤面板、扭像器和光纤锥等)。(二二)光纤制品在传像方面的应用光纤制品在传像方面的应用1.1.各种内窥
28、镜各种内窥镜2.2.光纤图像换向器光纤图像换向器光纤传像束光纤传像束 物镜物镜L L 图像切换系统由图像切换系统由旋转棱镜旋转棱镜P P及有关机构组成。棱镜及有关机构组成。棱镜P P按要求转动，按要求转动，使待观察的目标像引入棱镜后或转到使待观察的目标像引入棱镜后或转到观察系统观察系统B B供人眼观看。或转到供人眼观看。或转到记录器记录器A A记录图像。只需转动棱镜记录图像。只需转动棱镜P P就可对就可对N N个目标进行依次观察或选择个目标进行依次观察或选择观察。观察。第14页，共35页，编辑于2022年，星期五 生产生产OFPOFP的材料主要是稀有金属、金属和非金属的氧化物。的材料主要是稀有
29、金属、金属和非金属的氧化物。芯芯要要选用高折射系数的原料选用高折射系数的原料,如氧化钡、氧化锆等如氧化钡、氧化锆等;包皮包皮要选用低折射系要选用低折射系数的原料数的原料,如如:二氧化硅、氧化钾、氧化钠、三氧化二铝等二氧化硅、氧化钾、氧化钠、三氧化二铝等;光吸光吸收层收层是在包皮玻璃的基础上再加入着色剂如是在包皮玻璃的基础上再加入着色剂如:氧化钴、氧化铁、二氧化钴、氧化铁、二氧化锰、氧化镍等。氧化锰、氧化镍等。光吸收玻璃是一种不透明的黑色玻璃光吸收玻璃是一种不透明的黑色玻璃,其作用是将穿透包皮玻璃的其作用是将穿透包皮玻璃的杂散光吸收掉杂散光吸收掉,以提高图像的对比度及分辨率。以提高图像的对比度及
30、分辨率。OFP：用用多多根根单单光光纤纤经经热热压压工工艺艺而而制制成成真真空空气气密密性性良良好好的的光光纤纤棒棒，然然后后进进行行切切片片、抛抛光光而而成成的的一一种种可可传传递递光光学学图图像像的的光光纤器件；是一种板状传像元件，其形状各式各样纤器件；是一种板状传像元件，其形状各式各样:据端面的形状据端面的形状分：双平面型和分：双平面型和平平-凹球面型；凹球面型；平平-凹球面型的凹球面型的OFPOFP用于制作准球用于制作准球对称电子光学系统对称电子光学系统的像管的像管 据传像性能分据传像性能分为普通为普通OFPOFP、变放、变放大率的锥形大率的锥形OFPOFP和和传递倒像的扭像传递倒像的
31、扭像器器 OFP OFP主要由三种玻璃组成主要由三种玻璃组成:芯玻璃、包皮玻璃、光吸收玻璃芯玻璃、包皮玻璃、光吸收玻璃 如前所述如前所述,光纤面板属于工艺性较强的技术产品。工艺过程中有光纤面板属于工艺性较强的技术产品。工艺过程中有许多技术秘密许多技术秘密 ,每种玻璃的配方是生产光纤面板的技术关键每种玻璃的配方是生产光纤面板的技术关键,国外有不少这方面的专利。国内各厂家对配料均为保密技术国外有不少这方面的专利。国内各厂家对配料均为保密技术,生生产工艺也不尽完全相同。产工艺也不尽完全相同。用光纤面板作为单管的输入和输出窗用光纤面板作为单管的输入和输出窗,使级间直接耦合使级间直接耦合,会极会极大地提
32、高光能的利用率大地提高光能的利用率,光纤面板还可校正电子光学系统产生的光纤面板还可校正电子光学系统产生的场曲场曲,例如例如光纤面板平像场器光纤面板平像场器 在真空光电器件和真空摄像器件中，在真空光电器件和真空摄像器件中，光纤面板主要是用来充光纤面板主要是用来充当输入窗口、输出窗口或管内传像器件当输入窗口、输出窗口或管内传像器件。光纤面板的基本生产过程和工艺流程为光纤面板的基本生产过程和工艺流程为:玻璃的配料玻璃的配料及熔制、拉丝、排板、热压、冷加工、检验。其中化料、及熔制、拉丝、排板、热压、冷加工、检验。其中化料、拉丝和热压是关键工序。拉丝和热压是关键工序。光学面板具有光学面板具有传光效率高，
33、级间耦合损失小，传像清晰、真传光效率高，级间耦合损失小，传像清晰、真实，在光学上具有零厚度实，在光学上具有零厚度等特点。等特点。为了正确传递图像，为了正确传递图像，光纤间必须相关排列光纤间必须相关排列，由棒中切出的每块面，由棒中切出的每块面板的输入与输出端面空间阵列相对应。板的输入与输出端面空间阵列相对应。3 3 光纤面板光纤面板 OFP(Optic Fiber Plates)场曲：场曲：指整个指整个像平面是一个像平面是一个曲面曲面 芯玻璃是一种高折射率玻璃芯玻璃是一种高折射率玻璃,是光的通路是光的通路;包皮玻璃为低折射率玻璃包皮玻璃为低折射率玻璃,起界面全反射作用起界面全反射作用;一代像增强
34、器：一代像增强器：输入和输出窗输入和输出窗均由均由OFP构成；这是利用了构成；这是利用了OFP之间通过光学接触即可传像的性之间通过光学接触即可传像的性能，可直接耦合能，可直接耦合OFP使得像增强器获得的优点是：使得像增强器获得的优点是：增加了传递图像的传光效率；增加了传递图像的传光效率；提供了采用准球对称电子光学系统的可能性，改善了像质；提供了采用准球对称电子光学系统的可能性，改善了像质；可制成锥形可制成锥形OFPOFP或光纤扭像器。或光纤扭像器。第15页，共35页，编辑于2022年，星期五 锥形光纤所组成的锥形光纤所组成的OFPOFP称为称为锥形锥形OFP,OFP,具有放大和缩小图像的具有放
35、大和缩小图像的作用；锥形作用；锥形OFPOFP传递图像的原理和传递图像的原理和普通普通OFPOFP相同，只是图像传递的放相同，只是图像传递的放大率不为大率不为1 1 若若OFP能成倒像这种能成倒像这种OFP称之为称之为光纤倒像器；光纤扭像器是将光纤倒像器；光纤扭像器是将图像旋转图像旋转180o后输出，使倒像转为正像。后输出，使倒像转为正像。光纤倒像器目前主要用光纤倒像器目前主要用来代替微光夜视仪中的中来代替微光夜视仪中的中继透镜系统，也被广泛应继透镜系统，也被广泛应用于需要倒像的装置中用于需要倒像的装置中通过倒像器通过倒像器光锥广泛应用于像增光锥广泛应用于像增强器耦合以及电视成强器耦合以及电视
36、成像和先进的光电成像像和先进的光电成像应用方面应用方面锥形光纤？锥形光纤？第16页，共35页，编辑于2022年，星期五第三环带光：第三环带光：是光纤外皮是光纤外皮向内芯串光产生的光环向内芯串光产生的光环OFP在光纤内只传递入射角小于孔径角在光纤内只传递入射角小于孔径角的光线，大于孔径角的光线的一部分将的光线，大于孔径角的光线的一部分将要由光纤芯折射到外皮中形成杂散光，要由光纤芯折射到外皮中形成杂散光，从而破坏图像的传递特性从而破坏图像的传递特性表征光学元件集光性能的参数是数值孔径表征光学元件集光性能的参数是数值孔径当入射面与子午面夹角为当入射面与子午面夹角为时，数值孔径为时，数值孔径为OFP的
37、有效传光效率总是小于的有效传光效率总是小于1降低有效传光效率的因素有降低有效传光效率的因素有入射到光纤外皮的入射到光纤外皮的光全部是无效的，一般光全部是无效的，一般OFP的外皮截面的外皮截面积占总截面积的比列约为积占总截面积的比列约为30%；光线在光线在OFP的的端面上及界面处的反射损失；的的端面上及界面处的反射损失；光线在光线在光纤之间的串光损失。光纤之间的串光损失。串光损失原因：串光损失原因：三环效应（出射角最三环效应（出射角最小的第一环带光；出射角相等的第二小的第一环带光；出射角相等的第二环带光；出射角最大的第三环带光）环带光；出射角最大的第三环带光）第一环带光：第一环带光：是光纤内芯是
38、光纤内芯向外皮串光产生的光环向外皮串光产生的光环第二环带光：第二环带光：是光纤内芯经是光纤内芯经全反射产生的光环；也有入全反射产生的光环；也有入射到光纤外皮又由外皮出射射到光纤外皮又由外皮出射的光的光第17页，共35页，编辑于2022年，星期五也叫探针型光纤传感器。典型的例子有光纤激光多普勒速度传感器、也叫探针型光纤传感器。典型的例子有光纤激光多普勒速度传感器、光纤辐射温度传感器和光纤液位传感器等光纤辐射温度传感器和光纤液位传感器等 光纤传感器：光纤传感器：可作为加速度、角加速度、速度、角速度、可作为加速度、角加速度、速度、角速度、位移、角位移、压力、弯曲、应变、转矩、温度、电压、电位移、角位
39、移、压力、弯曲、应变、转矩、温度、电压、电流、液位、流量，流速、浓度、流、液位、流量，流速、浓度、pHpH值、磁场、声强、光强、射值、磁场、声强、光强、射线等线等7070多个物理量的传感器。但实用的还很少，是一个发展多个物理量的传感器。但实用的还很少，是一个发展潜力极大的领域。潜力极大的领域。三三 光纤传感器的分类及构成光纤传感器的分类及构成（一）光纤传感器分类（一）光纤传感器分类光纤在传感器中所起的作用光纤在传感器中所起的作用功能型（功能型（传感型传感型）非功能型（非功能型（传光型传光型）传感型传感型(功能型功能型)光纤本身光纤本身既是传输介质又是敏感元件既是传输介质又是敏感元件 这种非功能
40、型光纤传感器这种非功能型光纤传感器,不需要外加敏感元件不需要外加敏感元件,光纤把测量对象所辐光纤把测量对象所辐射、反射的光信号传输到光电元件射、反射的光信号传输到光电元件 非功能型光纤只是信息传输介质，而敏感元件（或没有非功能型光纤只是信息传输介质，而敏感元件（或没有敏感元件）要采用其它元件敏感元件）要采用其它元件特点特点:非接触式测量，精度较高非接触式测量，精度较高第18页，共35页，编辑于2022年，星期五 非功能型光纤传感器的特点：非功能型光纤传感器的特点：结构简单、可靠，技术上易结构简单、可靠，技术上易实现。但其灵敏度、测量精度一般低于功能型光纤传感器。实现。但其灵敏度、测量精度一般低
41、于功能型光纤传感器。功能型传感器的特点功能型传感器的特点:具有很高的灵敏度具有很高的灵敏度。尤其是利用各种。尤其是利用各种干涉技术对光的相位变化进行测量的光纤传感器，具有极高的灵干涉技术对光的相位变化进行测量的光纤传感器，具有极高的灵敏度。敏度。功能型传感器的缺点是：功能型传感器的缺点是：技术难度大，结构复杂，调整较困难。技术难度大，结构复杂，调整较困难。功能型光纤传感器功能型光纤传感器 利用光纤本身的特性利用光纤本身的特性受被测物理量受被测物理量的作用而发生变化的作用而发生变化,使光纤中使光纤中光的属性光的属性(光强、相位、偏振态、波长光强、相位、偏振态、波长)被调制这一特点而构成被调制这一
42、特点而构成的一类传感器。的一类传感器。光强调制型光强调制型相位调制型相位调制型偏振态调制型偏振态调制型波长调制波长调制 功能功能/非功能型非功能型典型例子典型例子光纤电压传感器光纤电压传感器光纤电流传感器光纤电流传感器光纤位移光纤位移(压力压力)传感器传感器泡克耳效应泡克耳效应法拉第效应法拉第效应微弯效应微弯效应第19页，共35页，编辑于2022年，星期五（二）光纤传感器的基本构成（二）光纤传感器的基本构成光纤传感器的光纤传感器的基本组成光纤、光源和光电探测器基本组成光纤、光源和光电探测器1.1.光源光源白炽灯、激光二极管（白炽灯、激光二极管（LD）和发光二极管）和发光二极管(LED)等等0.
43、80.80.90.9 选择光源时，根据系统的用途和所用光纤的类型，对光源还选择光源时，根据系统的用途和所用光纤的类型，对光源还要提出功率和调制的要求要提出功率和调制的要求0.30.31.1 1.1 2.2.光电元件光电元件 普通光电二极管普通光电二极管雪崩光电二极管雪崩光电二极管肖特基光电二极管肖特基光电二极管光电晶体管光电晶体管电荷耦合器件电荷耦合器件光电导体光电导体光电倍增管光电倍增管光纤传感器常光纤传感器常用光电探测器用光电探测器比较比较常用常用激光二极管具有亮度高易于进行上吉赫的直接调制、激光二极管具有亮度高易于进行上吉赫的直接调制、尺寸小等优点尺寸小等优点第20页，共35页，编辑于2
44、022年，星期五2 2）光纤传感器的几何形状适应性强。由于光纤所具有的柔性，使光纤传感器的几何形状适应性强。由于光纤所具有的柔性，使用及放置均较为方便。用及放置均较为方便。8 8）光纤传感器的最大优点在于它们探测信息的灵敏度很高。光纤传感器的最大优点在于它们探测信息的灵敏度很高。3 3）光纤传感器的传输频带宽，带宽与距离之积可达光纤传感器的传输频带宽，带宽与距离之积可达30MH30MHZ Zkm-km-10GH10GHZ Zkmkm之多。之多。5 5）光纤传感器通常既是信息探测器件，又是信息传递器件。光纤传感器通常既是信息探测器件，又是信息传递器件。4 4）光纤传感器无可动部分、无电源，可视为
45、无源系统，因此光纤传感器无可动部分、无电源，可视为无源系统，因此使用安全，特别是在易燃易爆的场合更为适用。使用安全，特别是在易燃易爆的场合更为适用。6 6）光纤传感器的材料决定了它有强的耐水性和强的抗腐蚀光纤传感器的材料决定了它有强的耐水性和强的抗腐蚀性。性。7 7）由于光纤传感器体积小，因此对测量场的分布特性影响较小。由于光纤传感器体积小，因此对测量场的分布特性影响较小。1 1）光纤传感器的电绝缘性能好光纤传感器的电绝缘性能好,表面耐压可达表面耐压可达4kV/cm4kV/cm，且不，且不受周围电磁场的干扰。受周围电磁场的干扰。（三）光纤传感器的优点（三）光纤传感器的优点与电量传感器相比较，光
46、纤传感器有许多优点：与电量传感器相比较，光纤传感器有许多优点：这些优点要理解这些优点要理解,要记住要记住,要会用要会用第21页，共35页，编辑于2022年，星期五 光的频率光的频率约为约为10101414HzHz,光电探测器不能跟踪以这样高的频率变化光电探测器不能跟踪以这样高的频率变化的瞬时值的瞬时值,因此因此,光波的相位变化是不能够直接被检测到的。为光波的相位变化是不能够直接被检测到的。为此此,应用干涉技术将相位调制转换成振幅应用干涉技术将相位调制转换成振幅(强度强度)调制。调制。光纤传感器常采用马赫光纤传感器常采用马赫泽德泽德(Mach-Zehnder)(Mach-Zehnder)干涉仪等
47、干干涉仪等干涉测量仪。涉测量仪。光纤轴向应光纤轴向应变变 长为长为L L,纤芯折射率为纤芯折射率为n n1 1的单模光纤中的单模光纤中,波长为波长为 的输出光相对输入端来说的输出光相对输入端来说,相角为相角为 波长为波长为的相干光在光纤中传播时，光波的相位的相干光在光纤中传播时，光波的相位角角与光纤的长度与光纤的长度L、纤芯折射率、纤芯折射率n1和纤芯直径和纤芯直径d有关。有关。光纤受到物理量的作用时，这三个参数就会发生不同程光纤受到物理量的作用时，这三个参数就会发生不同程度的变化，从而引起光的相位角的变化。度的变化，从而引起光的相位角的变化。（四）功能型光纤传感器（四）功能型光纤传感器（一）
48、相位调制型光纤传感器（一）相位调制型光纤传感器1.1.相位调制原理相位调制原理 应用光的相位检测技术可以测量温度、压力、加速度、电流等物应用光的相位检测技术可以测量温度、压力、加速度、电流等物理量。理量。当光纤受到物当光纤受到物理量的作用时理量的作用时,相位角变化相位角变化量量第22页，共35页，编辑于2022年，星期五从而使合成光强从而使合成光强的强弱随着相位的强弱随着相位的变化而变化。的变化而变化。激光器发出光被分束器分激光器发出光被分束器分成两束，分别耦合到成两束，分别耦合到传感传感光纤光纤和和参考光纤参考光纤中。中。传感光纤置于被测对象的环境传感光纤置于被测对象的环境中感受压力中感受压
49、力(或温度或温度)信号信号;参考光参考光纤不感受被测物理量。这两根单纤不感受被测物理量。这两根单模光纤构成干涉仪的两个臂模光纤构成干涉仪的两个臂,再通再通过光纤耦合器组合起来过光纤耦合器组合起来,以便产生相以便产生相互干涉互干涉,形成一系列干涉条纹。形成一系列干涉条纹。当传感光纤感受到温当传感光纤感受到温度变化时度变化时,光纤的折射率会光纤的折射率会发生变化。同时光纤的热胀发生变化。同时光纤的热胀冷缩使其长度发生改变。冷缩使其长度发生改变。通过光电探测器，就可通过光电探测器，就可以将合成光强的强弱变以将合成光强的强弱变化转换成电信号的大小化转换成电信号的大小变化变化?利用马赫利用马赫-泽德干涉
50、仪测量压力或温度的相位调制型光纤传感器组泽德干涉仪测量压力或温度的相位调制型光纤传感器组成原理图成原理图2.2.相位调制型光纤压力和温度传感器相位调制型光纤压力和温度传感器长度和折射率长度和折射率的变化的变化,将会引将会引起相位角变化。起相位角变化。这样这样,传感光纤传感光纤和参考光纤的和参考光纤的两束输出光的两束输出光的相位也发生了相位也发生了变化变化?把光电探测器的光把光电探测器的光敏面放在干涉场中敏面放在干涉场中,干涉场光强将转换干涉场光强将转换为光电流输出为光电流输出,光光电流的交流量为电流的交流量为?由图可见由图可见,26,26时两光纤中的时两光纤中的光同相光同相,输出光电流最大。随