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1、关于光纤传感系统第一页，本课件共有87页3.1 3.1 光纤传感系统的组成光纤传感系统的组成光纤传感系统主要包括光源、传感头（光纤或非光光纤传感系统主要包括光源、传感头（光纤或非光纤）、传输光纤和光纤器件以及光电探测器等。纤）、传输光纤和光纤器件以及光电探测器等。当光电探测器完成了传感信号的光电转换后，当光电探测器完成了传感信号的光电转换后，光信号的处理就变成了电信号的处理问题。光信号的处理就变成了电信号的处理问题。第二页，本课件共有87页3.2 3.2 光纤光纤 光纤是光纤是光导纤维光导纤维的简写，是一种利用光的简写，是一种利用光在玻璃或塑料等制成的在玻璃或塑料等制成的纤维纤维中的中的全反射
2、原理全反射原理而实现光传导的工具。而实现光传导的工具。通常以高纯度的石英玻璃为主通常以高纯度的石英玻璃为主,掺少量杂质锗、硼、磷等。掺少量杂质锗、硼、磷等。材料材料:细长的圆柱形，细如发丝细长的圆柱形，细如发丝(通常直径为几微米到几百微米通常直径为几微米到几百微米)形状：形状：第三页，本课件共有87页结构结构n1n2n1n2纤芯纤芯包层包层涂覆层涂覆层护套护套 两个同轴区，折射率较高的内区称为纤芯，两个同轴区，折射率较高的内区称为纤芯，折射率较低的外区称为包层。通常，在包层外折射率较低的外区称为包层。通常，在包层外面还有一层起支撑保护作用的套层。面还有一层起支撑保护作用的套层。第四页，本课件共
3、有87页基本光学定义和定律基本光学定义和定律n光在均匀介质中是沿直线传播的，其传播速度为：光在均匀介质中是沿直线传播的，其传播速度为：v=c/n 式式中中：c2.997105km/s，是是光光在在真真空空中中的的传传播播速速度度；n是介质的折射率。是介质的折射率。n 常见物质的折射率：常见物质的折射率：空气空气 1.00027；水；水 1.33；玻璃；玻璃(SiO2)1.47n折射率大的媒介称为光密介质，反之称为光疏介质折射率大的媒介称为光密介质，反之称为光疏介质n光在不同的介质中传输速度不同光在不同的介质中传输速度不同第五页，本课件共有87页折射折射-反射原理反射原理 当一束光线以一定的入射
4、角当一束光线以一定的入射角1从光密介质从光密介质1射到光疏介射到光疏介质质2的分界面上时，一部分能量反射回原介质；另一部的分界面上时，一部分能量反射回原介质；另一部分能量则透过分界面，在另一介质内继续传播。分能量则透过分界面，在另一介质内继续传播。第六页，本课件共有87页当当时，全反射全反射临界角临界角 只有只有时，才能发生全反射才能发生全反射第七页，本课件共有87页条件实现惠更斯惠更斯-菲涅耳原理菲涅耳原理（不同入射角光纤在光纤中传输的比较不同入射角光纤在光纤中传输的比较（设与入射临界角设与入射临界角 相对应的光纤入射光的入射角相对应的光纤入射光的入射角 为为当当时，入射光在光纤内时，入射光
5、在光纤内全反射传输全反射传输；时，入射光在光纤时，入射光在光纤内部分传输，大部分泄露出光纤内部分传输，大部分泄露出光纤.当当 称为孔径角，反映了光纤集光能力的大小称为孔径角，反映了光纤集光能力的大小第八页，本课件共有87页光纤传光与数值孔径n02maxn2n1数值孔径：数值孔径：光纤的数值孔径取决于光纤的折射率，而与光纤的光纤的数值孔径取决于光纤的折射率，而与光纤的几何尺寸无关。几何尺寸无关。NA表示光纤接收和传输光的能力。表示光纤接收和传输光的能力。NA越大，光纤接收越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高；但光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高；但NA越越大经光纤传输后产
6、生的信号畸变越大，因而限制了信息大经光纤传输后产生的信号畸变越大，因而限制了信息传输容量。应适当选择传输容量。应适当选择NA。第九页，本课件共有87页 即即使使是是最最好好的的光光纤纤，光光从从它它的的一一端端传传到到另另一一端端，强强度度也也会会有有所所减减弱弱。光光纤纤中中的的信信号号劣劣化化与与光光纤纤的的传传输输特特性性有有关关。光光纤纤的的传传输输特特性性主主要要是是指指光光纤纤的的损损耗特性耗特性和和色散特性色散特性。第十页，本课件共有87页 光光波波在在光光纤纤中中传传输输，随随着着传传输输距距离离的的增增加加，而而光光功功率率强强度度逐逐渐渐减减弱弱，光光纤纤对对光光波波产产生
7、生衰衰减减作用，称为作用，称为光纤的损耗光纤的损耗（或衰减）。（或衰减）。式中：式中：为光纤损耗为光纤损耗 L 为光纤长度为光纤长度 Pi、Po 分别为光纤输入输出功率分别为光纤输入输出功率第十一页，本课件共有87页 光光纤纤的的损损耗耗限限制制了了光光信信号号的的传传播播距距离离。光光纤纤的的损损耗耗主主要要取取决决于于吸吸收收损损耗耗、散散射射损损耗耗、弯弯曲损耗曲损耗三种损耗。三种损耗。第十二页，本课件共有87页圆孔爱里吸收损耗是由制造光纤材料吸收损耗是由制造光纤材料本身以及其中的过渡金属离本身以及其中的过渡金属离子和氢氧根离子等杂质对光子和氢氧根离子等杂质对光的吸收而产生的损耗。的吸收
8、而产生的损耗。第十三页，本课件共有87页圆孔爱里 散散射射损损耗耗主主要要由由材材料料微微观观密密度度不不均均匀匀引引起起的的瑞瑞利利散散射射和和由由光光纤纤结结构构缺缺陷陷(如如气气泡泡)引引起的散射产生的。起的散射产生的。结结构构缺缺陷陷散散射射产产生生的的损损耗耗与波长无关。与波长无关。第十四页，本课件共有87页圆孔爱里光纤的弯曲有两种形式：光纤的弯曲有两种形式：n曲曲率率半半径径比比光光纤纤的的直直径径大大得得多的弯曲，称为弯曲或宏弯；多的弯曲，称为弯曲或宏弯；n光光纤纤轴轴线线产产生生微微米米级级的的弯弯曲曲，这种高频弯曲习惯称为微弯。这种高频弯曲习惯称为微弯。第十五页，本课件共有8
9、7页圆孔爱里宏弯宏弯：在光缆的生产、接续和施工过程中，不在光缆的生产、接续和施工过程中，不可避免地出现弯曲。光纤有一定曲率半径的弯曲可避免地出现弯曲。光纤有一定曲率半径的弯曲时就会产生辐射损耗。当曲率半径减小时，损耗时就会产生辐射损耗。当曲率半径减小时，损耗以指数形式增加。以指数形式增加。高阶模比低阶模容易发生宏弯损耗，可高阶模比低阶模容易发生宏弯损耗，可用弯曲的办法滤掉高阶模用弯曲的办法滤掉高阶模消逝场 cRCladdingCore场分布第十六页，本课件共有87页圆孔爱里n 微弯的原因微弯的原因 光纤受到侧压力和套塑光纤遇到光纤受到侧压力和套塑光纤遇到温度变化时，光纤的纤芯、包层和套温度变化
10、时，光纤的纤芯、包层和套塑的热膨胀系数不一致塑的热膨胀系数不一致n 导致的后果导致的后果 造成能量辐射损耗造成能量辐射损耗微弯损耗微弯损耗第十七页，本课件共有87页圆孔爱里高阶模功率损耗高阶模功率损耗低阶模功率耦合到高阶模低阶模功率耦合到高阶模抑制：抑制：在光纤外面一层弹性保护套在光纤外面一层弹性保护套利用：利用：微弯调制型光纤传感器微弯调制型光纤传感器第十八页，本课件共有87页 色色散散(Dispersion)(Dispersion)是是在在光光纤纤中中传传输输的的光光信信号号，由由于于不不同同成成分分的的光光的的时时间间延延迟迟不不同同而而产产生生的的一一种种物物理理效效应应。色色散散一一
11、般般包包括括模模间间色色散散、材材料料色色散散和和波波导色散导色散。第十九页，本课件共有87页圆孔爱里 模间色散是指模间色散是指多模多模传输时传输时同一波长分量同一波长分量的各传导模的群的各传导模的群速度不同而引起到达终端的速度不同而引起到达终端的光光脉冲展宽脉冲展宽的现象。的现象。仅发生于多模光纤仅发生于多模光纤第二十页，本课件共有87页圆孔爱里 材料色散是由于光纤的折材料色散是由于光纤的折射率随波长而改变，以及模射率随波长而改变，以及模式内部不同波长成分的光式内部不同波长成分的光(实实际光源不是纯单色光际光源不是纯单色光)，其时，其时间延迟不同而产生的。间延迟不同而产生的。这种色散取决于光
12、纤材料这种色散取决于光纤材料折射率的波长特性和光源的谱折射率的波长特性和光源的谱线宽度。线宽度。第二十一页，本课件共有87页圆孔爱里 波导色散是由于波导结构参数与波导色散是由于波导结构参数与波长有关而产生的，波长有关而产生的，它取决于波导它取决于波导尺寸和纤芯与包层的相对折射率差。尺寸和纤芯与包层的相对折射率差。第二十二页，本课件共有87页圆孔爱里 光纤具有不同的类型，各种色散对各种光纤光纤具有不同的类型，各种色散对各种光纤的影响也不同。的影响也不同。一、单模光纤的色散一、单模光纤的色散 由于单模光纤只传输一种模式，因而它不存在模由于单模光纤只传输一种模式，因而它不存在模间色散，间色散，只有模
13、内色散只有模内色散，即材料色散和波导色散即材料色散和波导色散。通常，材料色散比波导色散大两个量级。但是，通常，材料色散比波导色散大两个量级。但是，在零色散区，材料色散与波导色散值大致相当，只在零色散区，材料色散与波导色散值大致相当，只是两者符号相反。是两者符号相反。对于石英光纤，其材料色散在对于石英光纤，其材料色散在 近似为零近似为零第二十三页，本课件共有87页圆孔爱里二、多模光纤的色散二、多模光纤的色散 对于多模光纤，模间色散通常占主导地位。对于多模光纤，模间色散通常占主导地位。如果把模间色散平衡掉，则剩下的是材料色散和如果把模间色散平衡掉，则剩下的是材料色散和波导色散。此时，情况与单模传输
14、类似，不同的波导色散。此时，情况与单模传输类似，不同的是这里的波导色散是多模波导色散。在多模光纤是这里的波导色散是多模波导色散。在多模光纤中，波导色散与材料色散相比，常常可以忽略。中，波导色散与材料色散相比，常常可以忽略。第二十四页，本课件共有87页1.根据光纤能传输的模式数目，可将其分为根据光纤能传输的模式数目，可将其分为单单模光纤和多模光纤模光纤和多模光纤。单模：只能传输一种模式的光纤单模：只能传输一种模式的光纤多模：能同时传输多种模式的光纤多模：能同时传输多种模式的光纤A A 传输的模式数（定义）传输的模式数（定义）B B 纤芯尺寸纤芯尺寸 单模：纤芯直径小（单模：纤芯直径小（212m）
15、多模：纤芯直径大（多模：纤芯直径大（50500m）第二十五页，本课件共有87页单模：折射率差小单模：折射率差小多模：折射率差大多模：折射率差大 C C 纤芯纤芯-包层折射率差值包层折射率差值 单模：不存在模间色散，具有比多模光纤大得单模：不存在模间色散，具有比多模光纤大得 多的带宽多的带宽，适于长距离传输，用于相位，适于长距离传输，用于相位 调制型或偏振态调制型光纤传感器；调制型或偏振态调制型光纤传感器；多模：多模：存在模间色散，只能用于短距离传输存在模间色散，只能用于短距离传输，常用于强度调制型或传光型光纤传感器常用于强度调制型或传光型光纤传感器D D 适用范围适用范围 第二十六页，本课件共
16、有87页在光纤中允许存在的在光纤中允许存在的模式数目模式数目 其中，其中，g为光纤断面折射率分布指数，决定光纤折射为光纤断面折射率分布指数，决定光纤折射率沿径向分布的规律；率沿径向分布的规律；V 称为光纤的称为光纤的归一化频率归一化频率，是，是一个反映光纤结构特征的重要参数，一个反映光纤结构特征的重要参数，单模光纤确切的判据是：单模光纤确切的判据是：V2.405 为波数，为波数，r为纤芯半径，为纤芯半径，NA为光纤数值孔径为光纤数值孔径是否单模传输，与是否单模传输，与(1)光纤自身的结构参数光纤自身的结构参数和和(2)光纤中传输的光波长有关。光纤中传输的光波长有关。第二十七页，本课件共有87页
17、 理论上的截止波长是单模光纤中光信号能以单模方式理论上的截止波长是单模光纤中光信号能以单模方式传播的最小波长。传播的最小波长。截止波长截止波长 截止波长条件可以保证在最短光缆长度上单模传输，并截止波长条件可以保证在最短光缆长度上单模传输，并且可以抑制高次模的产生或可以将产生的高次模噪声功率代且可以抑制高次模的产生或可以将产生的高次模噪声功率代价减小到完全可以忽略的地步。价减小到完全可以忽略的地步。第二十八页，本课件共有87页 指描述单模光纤中光能集中程度的参量。指描述单模光纤中光能集中程度的参量。模场直径模场直径:模场直径越小，通过光纤横截面的能量密度就越大。模场直径越小，通过光纤横截面的能量
18、密度就越大。当通过光纤的能量密度过大时，会引起光纤的非线性效应，当通过光纤的能量密度过大时，会引起光纤的非线性效应，造成光纤系统的光信噪比降低，影响系统性能。造成光纤系统的光信噪比降低，影响系统性能。因此，对于传输光纤而言，模场直径越大越好因此，对于传输光纤而言，模场直径越大越好.第二十九页，本课件共有87页2.2.根据传输的偏振态分布，单模光纤可分为根据传输的偏振态分布，单模光纤可分为非保非保偏光纤和保偏光纤偏光纤和保偏光纤。差别是前者不能传输偏。差别是前者不能传输偏振光，后者能。振光，后者能。l保偏光纤又可以分为单偏振光纤、高双折射光纤、保偏光纤又可以分为单偏振光纤、高双折射光纤、低双折射
19、光纤和圆偏光纤。低双折射光纤和圆偏光纤。只能传输一种偏振模式的光纤为单偏光纤；只能传输一种偏振模式的光纤为单偏光纤；只能传输两正交偏振模式、且传播速度相差很大的光纤为只能传输两正交偏振模式、且传播速度相差很大的光纤为高双折射光纤，而传播速度近于相等的光纤为低双折射光高双折射光纤，而传播速度近于相等的光纤为低双折射光纤；纤；能传输圆偏振光的光纤为圆偏振光纤。能传输圆偏振光的光纤为圆偏振光纤。第三十页，本课件共有87页3.3.根据纤芯折射率分布，可分为根据纤芯折射率分布，可分为阶跃型折射率阶跃型折射率光纤和梯度（渐变）折射率光纤光纤和梯度（渐变）折射率光纤。纤芯折射率是均匀的，在纤芯和包层的分界纤
20、芯折射率是均匀的，在纤芯和包层的分界处，折射率发生突变处，折射率发生突变A A 阶跃型阶跃型 B B 梯度折射率型梯度折射率型 折射率是按一定的函数关系随光纤中心径向距折射率是按一定的函数关系随光纤中心径向距离变化而变化，至纤芯区的边沿时，降低到与离变化而变化，至纤芯区的边沿时，降低到与包层区一样。包层区一样。第三十一页，本课件共有87页4.4.根据制造材料，可分为石英光纤、多组分玻璃根据制造材料，可分为石英光纤、多组分玻璃纤维、塑料光纤、红外光纤、液芯光纤、光子纤维、塑料光纤、红外光纤、液芯光纤、光子晶体光纤等晶体光纤等光传输损耗低。一般低于光传输损耗低。一般低于1dB/km，目前已研制出在
21、，目前已研制出在2.25m 波长处损耗低达波长处损耗低达0.16dB/km 的单模光纤的单模光纤A A 石英光纤石英光纤 B B 多组分玻璃纤维多组分玻璃纤维 纤芯纤芯-包层折射率可在较大范围内变化，有利于大包层折射率可在较大范围内变化，有利于大NA光光纤制作，但材料损耗大，在可见光波段一般为纤制作，但材料损耗大，在可见光波段一般为1dB/m。第三十二页，本课件共有87页C C 塑料光纤塑料光纤优点：优点：n重量轻，为石英光纤的重量轻，为石英光纤的1/31/2。这在导弹、人造卫星、。这在导弹、人造卫星、宇宙航行中有重要的应用。宇宙航行中有重要的应用。n韧性好。直径为韧性好。直径为2mm 仍可自
22、由弯曲而不断裂，而玻璃光纤仍可自由弯曲而不断裂，而玻璃光纤直径大于直径大于500m 就不能弯曲。就不能弯曲。n对不可见光透过性能好。光学塑料在可见光和近红外波段的对不可见光透过性能好。光学塑料在可见光和近红外波段的透过性能接近光学玻璃，在远红外和紫外波段，透过率可以透过性能接近光学玻璃，在远红外和紫外波段，透过率可以大于大于50%，比光学玻璃好。，比光学玻璃好。n成本低，工艺简便。塑料的原材料比玻璃便宜，而且操作温成本低，工艺简便。塑料的原材料比玻璃便宜，而且操作温度通常在度通常在300以下，而玻璃光纤的制作则需要以下，而玻璃光纤的制作则需要1000以以上的高温，工艺比玻璃光纤简单。上的高温，
23、工艺比玻璃光纤简单。第三十三页，本课件共有87页C C 塑料光纤塑料光纤n损耗大损耗大，一般在几十到几百分贝每公里，但在，一般在几十到几百分贝每公里，但在0.65 0.68m，波段得到了损耗为，波段得到了损耗为20dBkm 的塑料光纤的塑料光纤缺点：缺点：n耐热性差耐热性差。一般只能在。一般只能在-4080的温度范围内使用，只有的温度范围内使用，只有少数塑料光纤可以在少数塑料光纤可以在200附近工作。当温度低于附近工作。当温度低于-40时，时，塑料光纤将变硬、变脆。由于塑料熔点低，比玻璃易老化。塑料光纤将变硬、变脆。由于塑料熔点低，比玻璃易老化。n抗化学腐蚀和表面磨损性能比玻璃差抗化学腐蚀和表
24、面磨损性能比玻璃差。在丙酮、醋酸乙。在丙酮、醋酸乙腊或苯的作用下，光学性能会受到很大影响，表面易被划腊或苯的作用下，光学性能会受到很大影响，表面易被划伤，影响光学质量。伤，影响光学质量。第三十四页，本课件共有87页C C 塑料光纤塑料光纤 塑料光纤主要用作短距离照明或在监控方面作传塑料光纤主要用作短距离照明或在监控方面作传光媒质、内窥镜等，在这方面，塑料光纤可以与玻璃光媒质、内窥镜等，在这方面，塑料光纤可以与玻璃光纤竞争，甚至可以部分地代替玻璃光纤。光纤竞争，甚至可以部分地代替玻璃光纤。塑料光纤与发光二极管和光探测器的耦合简单塑料光纤与发光二极管和光探测器的耦合简单而且效率高，虽然它的损耗还大
25、于石英光纤，但在而且效率高，虽然它的损耗还大于石英光纤，但在120 米以内作传输媒质使用，塑料光纤还比石英光米以内作传输媒质使用，塑料光纤还比石英光纤优越。纤优越。第三十五页，本课件共有87页D D 红外光纤红外光纤n可透过近红外（可透过近红外（15um）和中红外（）和中红外（10um）的光波，在红）的光波，在红外探测与传输方面具有石英光纤无法替代的作用；外探测与传输方面具有石英光纤无法替代的作用；n极低的理论损耗极限极低的理论损耗极限(10-3dB/km)，因此在长距离光纤通信，因此在长距离光纤通信，尤其是跨洋通信中具有极其诱人的前景。尤其是跨洋通信中具有极其诱人的前景。E E 液芯光纤液芯
26、光纤 采用液体材料作为芯料、聚合物材料作为皮层管，具有采用液体材料作为芯料、聚合物材料作为皮层管，具有大芯径，大芯径，大数值孔径、光谱传输范围广、传光效率高等大数值孔径、光谱传输范围广、传光效率高等特点，尤其是在紫外特点，尤其是在紫外光波段比普通的石英传光束具有优越的传光效率，已广泛应光波段比普通的石英传光束具有优越的传光效率，已广泛应用于传感测量（温度、电压、折射率等）、紫外固化、荧光用于传感测量（温度、电压、折射率等）、紫外固化、荧光检测、刑侦取证、光谱治疗等。检测、刑侦取证、光谱治疗等。（南京春辉科技实业有限公司已有成熟产品（南京春辉科技实业有限公司已有成熟产品）第三十六页，本课件共有8
27、7页F 光子晶体光纤定义光子晶体光纤定义n光子晶体光纤（光子晶体光纤（photonic crystal fiber，PCF），又），又称多孔光纤或微结构光纤，是称多孔光纤或微结构光纤，是由在纤芯周围沿着轴由在纤芯周围沿着轴向规则排列微小空气孔构成，通过这些微小空气孔向规则排列微小空气孔构成，通过这些微小空气孔对光的约束，实现光的传导对光的约束，实现光的传导。独特的波导结构，灵活。独特的波导结构，灵活的制作方法，使得的制作方法，使得PCF与常规光纤相比具有许多奇与常规光纤相比具有许多奇异的特性，有效地扩展和增加了光纤的应用领域。异的特性，有效地扩展和增加了光纤的应用领域。第三十七页，本课件共有8
28、7页F 光子晶体光纤光子晶体光纤n就结构而言，就结构而言，PCF可分为实心光纤和空心光纤可分为实心光纤和空心光纤实心光纤是将石英玻璃毛细管以周期性规律排列实心光纤是将石英玻璃毛细管以周期性规律排列在在石英玻璃棒石英玻璃棒周围的光纤；周围的光纤；空心光纤是将石英玻璃毛细管以周期性规律排列在空心光纤是将石英玻璃毛细管以周期性规律排列在石石英玻璃管英玻璃管周围的光纤。周围的光纤。光子晶体光纤技术中最具革命性创新，通过在光纤包光子晶体光纤技术中最具革命性创新，通过在光纤包层中产生光子带隙将光限制在中央的空心核中传播层中产生光子带隙将光限制在中央的空心核中传播第三十八页，本课件共有87页F 光子晶体光纤
29、光子晶体光纤n折射率导光机理折射率导光机理n光子能隙导光机理光子能隙导光机理按导光机理来说，按导光机理来说，PCFPCF可以分为两类：可以分为两类：第三十九页，本课件共有87页折射率导光机理折射率导光机理周期性缺陷的纤芯折射率（石英玻璃）和周期性包周期性缺陷的纤芯折射率（石英玻璃）和周期性包层折射率（空气）之间有一定差别，从而使光能够层折射率（空气）之间有一定差别，从而使光能够在纤芯中传播，这种结构的在纤芯中传播，这种结构的PCF导光机理依然是全导光机理依然是全内反射。但与常规内反射。但与常规G.652光纤有所不同，由于包层光纤有所不同，由于包层包含空气，使得空芯包含空气，使得空芯PCF中的小
30、孔尺寸比传导光的中的小孔尺寸比传导光的波长还小，所以这种机理称为波长还小，所以这种机理称为改进的全内反射改进的全内反射（Modified Total Internal Reflection）。）。第四十页，本课件共有87页光子能隙导光机理光子能隙导光机理 在空心在空心PCF中形成周期性的缺陷是空气，传中形成周期性的缺陷是空气，传输机理是利用包层光子晶体对一定波长的光形成输机理是利用包层光子晶体对一定波长的光形成光子能隙，光波只能在空气芯形成的缺陷中存在光子能隙，光波只能在空气芯形成的缺陷中存在和传播（光子带隙效应（和传播（光子带隙效应（Photonic Bandgap Effect）。）。传输
31、机理具体解释：传输机理具体解释：第四十一页，本课件共有87页n结构设计灵活，具有各种各样的小孔结构；结构设计灵活，具有各种各样的小孔结构；n纤芯和包层折射率差可以很大；纤芯和包层折射率差可以很大；n纤芯可以制成多种样式；纤芯可以制成多种样式；n包层折射率是依波长而变的函数，包层性包层折射率是依波长而变的函数，包层性能反映在波长尺度上能反映在波长尺度上PCF的特点：的特点：第四十二页，本课件共有87页n无截止单模无截止单模(Endlessly Single Mode)n不同寻常的色度色散不同寻常的色度色散 n优良的双折射效应优良的双折射效应 n易于实现多芯传输易于实现多芯传输 PCF的特性：的特
32、性：第四十三页，本课件共有87页PCF应用领域应用领域n高功率低损耗近红外激光传输高功率低损耗近红外激光传输n脉冲整形，脉冲压缩脉冲整形，脉冲压缩n非线性光学非线性光学n光纤传感领域光纤传感领域 第四十四页，本课件共有87页3.3 3.3 光源光源n光纤传感器所选用的光源类型的意义光纤传感器所选用的光源类型的意义 决决定定了了此此传传感感器器的的工工作作模模式式、信信号号处处理理方方法法、分分辨率、灵敏度及测量精度；辨率、灵敏度及测量精度；n光源的作用光源的作用：将电信号电流转换为光信号功率；将电信号电流转换为光信号功率；n选择光源应考虑的因素选择光源应考虑的因素 光光源源的的波波长长、尺尺寸
33、寸、输输入入输输出出功功率率、稳稳定定性性、相相干干性性、光谱特性，与光纤的耦合难易程度以及价格等；光谱特性，与光纤的耦合难易程度以及价格等；第四十五页，本课件共有87页本章内容光波光波：波长为：波长为10106nm的电磁波的电磁波可见光：可见光：波长波长380780nm紫外线：紫外线：波长波长10380nm，波长波长300380nm称为近紫外线称为近紫外线 波长波长200300nm称为远紫外线称为远紫外线 波长波长10200nm称为极远紫外线，称为极远紫外线，红外线：红外线：波长波长780106nm 波长波长3m（即（即3000nm）以下的称近红外线）以下的称近红外线 波长超过波长超过3m
34、的红外线称为远红外线。的红外线称为远红外线。基本知识基本知识第四十六页，本课件共有87页本章内容激光器（相干光源）激光器（相干光源）n 按工作方式分类：按工作方式分类：n 激光器的工作原理：激光器的工作原理：连续式（功率可达连续式（功率可达104 W）脉冲式（瞬时功率可达脉冲式（瞬时功率可达1017W/cm2）自由辐射、受激吸收和受激辐射自由辐射、受激吸收和受激辐射激光物质激光物质激励能源激励能源光学谐振腔光学谐振腔产生激光产生激光必要条件必要条件1.实现粒子数反转实现粒子数反转.使原子被激发使原子被激发.要实现光放大要实现光放大 第四十七页，本课件共有87页本章内容激光器（相干光源）激光器（
35、相干光源）激光的形成过程激光的形成过程 工作物质工作物质 激励、受激辐射激励、受激辐射 自激振荡增益自激振荡增益 外界能量注入（泵浦）外界能量注入（泵浦）光学谐振腔光学谐振腔第四十八页，本课件共有87页1 半导体光源半导体光源 半导体光源是光纤系统中最常用的也半导体光源是光纤系统中最常用的也是最重要的光源。其主要优点是是最重要的光源。其主要优点是体积小、重体积小、重量轻、可靠性高、使用寿命长，频率可调制、量轻、可靠性高、使用寿命长，频率可调制、供电电源简单供电电源简单等。它与光纤的特点相容，因等。它与光纤的特点相容，因此，在光纤传感器和光纤通信中得到广泛应此，在光纤传感器和光纤通信中得到广泛应
36、用。用。第四十九页，本课件共有87页n半导体光源分为发光二极管（半导体光源分为发光二极管（LED）和半）和半导体激光器（导体激光器（LD）。）。联系联系：发光波长由半导体的能隙决定；：发光波长由半导体的能隙决定；常采用异质结构常采用异质结构不同点：不同点：LD发射的是受激辐射光，发射的是受激辐射光，LED发射的是自发辐射光；发射的是自发辐射光；LD发射的是相干光，发射的是相干光，LED发射的是非相干光发射的是非相干光第五十页，本课件共有87页n发光二极管（发光二极管（LEDLED）优点优点：输出光功率较小，谱线宽，调制频率较低。输出光功率较小，谱线宽，调制频率较低。不适于需要功率高、调制速度快
37、、单色性好的不适于需要功率高、调制速度快、单色性好的光源的传感器中。光源的传感器中。性能稳定性能稳定，寿命长寿命长，输出，输出光功率线性范围宽光功率线性范围宽，而且制造工艺简单，价格低廉，可用于简易的光纤而且制造工艺简单，价格低廉，可用于简易的光纤传感器，大大降低成本。传感器，大大降低成本。不足不足：第五十一页，本课件共有87页n 半导体激光器（半导体激光器（LD）优点优点：长时间工作后性能退化，甚至变质；长时间工作后性能退化，甚至变质；单色性和方向性不好。单色性和方向性不好。效率高、体积小，波长范围较宽，价格低，效率高、体积小，波长范围较宽，价格低，在光纤传感中使用非常方便，特别是在光纤混在
38、光纤传感中使用非常方便，特别是在光纤混合传感器中，常用较大功率的合传感器中，常用较大功率的LDLD作为光源，通过作为光源，通过光电转换后给传感器探头提供电功率，已实现温度、光电转换后给传感器探头提供电功率，已实现温度、压力等传感系统实用化。压力等传感系统实用化。不足不足：第五十二页，本课件共有87页n超辐射发光二极管（超辐射发光二极管（SLED）：兼具）：兼具LD输出输出功率高和功率高和LED输出光谱宽的特点，且具有短输出光谱宽的特点，且具有短相干长度，但价格比二者均高。相干长度，但价格比二者均高。n应用：光纤陀螺、光相干层析成像（应用：光纤陀螺、光相干层析成像（OCT）、）、分布式光纤传感、
39、白光干涉仪等光纤传感系分布式光纤传感、白光干涉仪等光纤传感系统统第五十三页，本课件共有87页n 最常用的气体激光源有最常用的气体激光源有：工作波长为工作波长为0.633 um或或1.15 um的氦氖激光器的氦氖激光器工作波长为工作波长为10.6um的二氧化碳激光器的二氧化碳激光器工作波长为工作波长为457 514 nm 的氩离子激光器的氩离子激光器2 气体激光器气体激光器n 缺陷缺陷：体积较大，使用不方便，多用于实验系：体积较大，使用不方便，多用于实验系 统中，而在实际传感系统中应用较少。统中，而在实际传感系统中应用较少。n 以气体或金属蒸气作为主要工作物质的激光器。以气体或金属蒸气作为主要工
40、作物质的激光器。n 优点优点：相干度高，可产生高连续功率。：相干度高，可产生高连续功率。第五十四页，本课件共有87页特点：特点：极好的单色性、高度的相干性和很强的方向极好的单色性、高度的相干性和很强的方向 性（发散角小），价格适中，实验室常用。性（发散角小），价格适中，实验室常用。n氦氖（氦氖（He-Ne）激光器）激光器组成组成:放电管放电管(充有工作物质氦气氖气的玻璃管及电极充有工作物质氦气氖气的玻璃管及电极)、输出镜及全反镜输出镜及全反镜(光学谐振腔光学谐振腔)、电源、电源(激励装置激励装置)实际组成实际组成:激光器激光器(放电管、输出镜及全反镜放电管、输出镜及全反镜)与电源与电源按放电管
41、与输出镜、全反镜连接方式：按放电管与输出镜、全反镜连接方式：内腔式、外腔式及半外腔式内腔式、外腔式及半外腔式第五十五页，本课件共有87页 使用时谐振腔不用调节，价格低，使用方便。使用时谐振腔不用调节，价格低，使用方便。内腔式氦氖激光管优点：内腔式氦氖激光管优点：缺点：缺点：单模输出激光功率低。单模输出激光功率低。工作过程中放电管受热变形时，谐振腔反射镜会偏离相工作过程中放电管受热变形时，谐振腔反射镜会偏离相互平行位置，造成器件损耗增加，输出功率下降。互平行位置，造成器件损耗增加，输出功率下降。激光管越长，其热稳定性越差，所以内腔式激光激光管越长，其热稳定性越差，所以内腔式激光管的长度一般不超过
42、一米。管的长度一般不超过一米。当谐振腔反射镜损坏后，不易更换，反射镜内表面污染当谐振腔反射镜损坏后，不易更换，反射镜内表面污染后也无法清除。后也无法清除。第五十六页，本课件共有87页外腔式氦氖激光管外腔式氦氖激光管输出镜、全反镜安装在谐振腔调节架上，谐振腔调输出镜、全反镜安装在谐振腔调节架上，谐振腔调节架安装在激光器支架两端，放电管节架安装在激光器支架两端，放电管(激光管激光管)安装安装在谐振腔调节架之间的激光器支架上在谐振腔调节架之间的激光器支架上 结构：结构：第五十七页，本课件共有87页外腔式氦氖激光管优点：外腔式氦氖激光管优点：缺点：缺点：单模、线偏振输出、激光功率大、输出功率单模、线偏
43、振输出、激光功率大、输出功率稳定性高；稳定性高；由于谐振腔镜与放电管分离，放电管的热变形由于谐振腔镜与放电管分离，放电管的热变形对谐振腔影响较小，加上谐振腔可以调整，因对谐振腔影响较小，加上谐振腔可以调整，因此，长期使用中能保持稳定输出。此，长期使用中能保持稳定输出。结构复杂，价格高；结构复杂，价格高；由于谐振腔镜与放电管分离，相对位置易改变，由于谐振腔镜与放电管分离，相对位置易改变，需要经常调整，需要经常调整，使用不方便。使用不方便。第五十八页，本课件共有87页 按按激光器工作时放电管产生的热量对激光激光器工作时放电管产生的热量对激光器支架不同器支架不同的影响，激光器支架可分为散热型的影响，
44、激光器支架可分为散热型激光器支架（激光器输出功率始终有明显慢漂激光器支架（激光器输出功率始终有明显慢漂移移 ）、隔热型激光器支架（机壳外形体积较大）、隔热型激光器支架（机壳外形体积较大 ）、保温型激光器支架三种结构。目前普遍采）、保温型激光器支架三种结构。目前普遍采用用保温型激光器支架保温型激光器支架。第五十九页，本课件共有87页激光器体积小，重量轻，输出功率稳定性高激光器体积小，重量轻，输出功率稳定性高 保温型激光器支架结构保温型激光器支架结构 第六十页，本课件共有87页半外腔式氦氖激光管半外腔式氦氖激光管 左端结构与外腔式相同：输出镜安装在一谐振腔调左端结构与外腔式相同：输出镜安装在一谐振
45、腔调节架上，谐振腔调节架安装在激光器支架一端，放电节架上，谐振腔调节架安装在激光器支架一端，放电管安装在激光器支架上。右端与内腔相同：全反镜直管安装在激光器支架上。右端与内腔相同：全反镜直接封接在放电管另一端外侧的玻璃外套管上接封接在放电管另一端外侧的玻璃外套管上(半外腔式半外腔式氦氖激光器为非常规产品，通常需要定做氦氖激光器为非常规产品，通常需要定做)结构：结构：第六十一页，本课件共有87页半外腔式氦氖激光管半外腔式氦氖激光管优缺点介于内、外腔式之间；优缺点介于内、外腔式之间；为非常规产品，通常需要定做。为非常规产品，通常需要定做。第六十二页，本课件共有87页功率高（数瓦），是目前可见光区域
46、输出功率最高的功率高（数瓦），是目前可见光区域输出功率最高的连续工作激光器。连续工作激光器。优点：优点：缺点：缺点：价格高，效率低，使用不便价格高，效率低，使用不便应用：应用：对于非线性效应和大面积受相干光照射的全息处理对于非线性效应和大面积受相干光照射的全息处理有用有用n 氩离子（氩离子（Ar）激光器）激光器第六十三页，本课件共有87页工作在红外区，具有高效性，在脉冲工作方工作在红外区，具有高效性，在脉冲工作方式下产生几千瓦的功率，在连续工作时，产生式下产生几千瓦的功率，在连续工作时，产生几瓦的功率几瓦的功率优点：优点：缺点：缺点：价格高，使用不便价格高，使用不便应用：应用：加工（焊接、切割
47、、打孔等），通讯、雷达、化加工（焊接、切割、打孔等），通讯、雷达、化学分析，激光诱发化学反应，外科手术等方面学分析，激光诱发化学反应，外科手术等方面 n 二氧化碳（二氧化碳（CO2）激光器）激光器第六十四页，本课件共有87页3 固体激光器固体激光器根据工作物质分类：根据工作物质分类：红宝石激光器，波长：红宝石激光器，波长：694.3nm694.3nm；Nd:YAGNd:YAG激光器，波长：激光器，波长：1.061.06 m m；钕玻璃激光器：波长钕玻璃激光器：波长:1.061.06 m m；输出能量大、峰值功率高、器件结构紧、便于光输出能量大、峰值功率高、器件结构紧、便于光纤耦合、使用寿命长和
48、单元技术成熟等。纤耦合、使用寿命长和单元技术成熟等。优点：优点：固体激光器即激光物质为固体的激光器。固体激光器即激光物质为固体的激光器。第六十五页，本课件共有87页 可以用于测量吸收光谱，如测量由污染物产生可以用于测量吸收光谱，如测量由污染物产生 的瑞利、喇曼散射光谱的瑞利、喇曼散射光谱;可用于超长距离的测量，如月球到地球的离可用于超长距离的测量，如月球到地球的离 可利用红宝石激光器的荧光热效应来测量环境可利用红宝石激光器的荧光热效应来测量环境 温度等。温度等。固体激光器的在光纤传感应用：固体激光器的在光纤传感应用：常用惰性气体放电灯泵浦效率低，热效应严重，常用惰性气体放电灯泵浦效率低，热效应
49、严重，限制了输出功率的进步提高和光束质量的改善。限制了输出功率的进步提高和光束质量的改善。不足：不足：第六十六页，本课件共有87页4 光纤激光器光纤激光器 n光纤激光器是指用掺稀土元素的光纤作为激光纤激光器是指用掺稀土元素的光纤作为激光介质的激光器，属于固体激光器。光介质的激光器，属于固体激光器。n根据根据掺杂离子的不同以及两端起反射镜功掺杂离子的不同以及两端起反射镜功能机理能机理的不同，可以分为稀土类掺杂光纤激的不同，可以分为稀土类掺杂光纤激光器、光纤光栅激光器、非线性效应光纤激光器、光纤光栅激光器、非线性效应光纤激光器、单晶光纤激光器、塑料光纤激光器、光器、单晶光纤激光器、塑料光纤激光器、
50、光孤子激光器、放大自发辐射光孤子激光器、放大自发辐射ASEASE光源、光子光源、光子晶体光纤激光器等。晶体光纤激光器等。第六十七页，本课件共有87页优势：优势：阈值低，增益高阈值低，增益高;利用定向耦合和利用定向耦合和BraggBragg反射，可制作窄线宽、可调反射，可制作窄线宽、可调谐光纤激光器谐光纤激光器;光纤导出，与现有的光纤器件完全兼容，能很好光纤导出，与现有的光纤器件完全兼容，能很好地与光纤耦合，能进行全光纤测试，可传输系统光地与光纤耦合，能进行全光纤测试，可传输系统光源，这在任何光系统、光器件的设计中都是及其珍源，这在任何光系统、光器件的设计中都是及其珍贵也及其重要的；贵也及其重要