光纤传感检测技术课件

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• 3、光纤的传输原理
• 1）光线传播解释
• 将光看作光线。光由光密介质向光疏介质传播， 在满足一定条件时发生全反射。
sin c
n2 n1
n2 n1
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• 全反入射角：
n 0si0n n 1si n n 1 (1 s2 i1 n )1 2
可得：
n0sin0 n12n22 NA
散射损耗 瑞利散射、布里渊散射 、拉曼散射等 瑞利散射是由于光纤中远小于光波长的物质密
度不均匀性和掺杂浓度不均匀引起的散射。 分为斯托克斯散射（波长向长波方向偏移）和
反斯托克斯散射（向短波方向偏移）
散射光正比于1/λ4。
用长波可减小瑞利散射。
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弯曲损耗
曲率半径远大于光纤直径的弯曲所产生的附 加损耗。
贝数。
10lgPi (dB/K)m
L Po
式中 Pi——光纤输入端光功率；
Po——光纤输出端光功率；
L——光纤长度；
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损耗随波长的 增大而减小。
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• 光纤损耗主要有：
吸收损耗
• 由于光纤材料的量子跃迁致使一部分光功率转换 为热量造成的传输损耗。
• 本征吸收、杂质吸收和原子缺陷吸收。
• b）模式色散
• 梯度光纤中模式间传播速度不同引起。是梯度 型多模光纤的主要色散。单模光纤中不存在模 式色散。
• 自聚焦光纤中理论上也不存在模式色散。
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• c）波导色散
• 又称结构色散。光纤结构不同，同一模式的 传播常数随频率变化引起。
导模：光功率限制在纤芯内传播的光波场， 又称为芯模。包括横电模、横磁模和 混合模。
漏模：在纤芯内及距纤壁一定距离的包层中 传播的光波场，又称为包层模。
辐射模：在纤芯和包层中均为传输场，不满
足全反射条件，模场能量向包层外溢
出，光纤失去对光波场功率的限制作
用。
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• 三种模式：
• a）TEmn模。在轴向只有磁场分量H，而横截面上 只有电场分量E。称为横电模。
• 本征吸收是物质固有的，主要是由紫外和红外波 段电子跃迁和振动跃迁引起的吸收。
• 本征损耗一般很小，约0.01~0.05dB/Km。
• 杂质吸收是由于光纤材料中的正过渡金属离子的 电子跃迁和氢阳根负离子的分子振动跃迁引起的 吸收。
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原子缺陷吸收是由于强烈的热、光或射线辐射 使光纤材料受激出现原子缺陷产生的损耗。
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• 2）波导传播解释
• 将光看作电磁波。用麦克斯韦方程解表示光 波。
满足麦克斯韦方程的任一特解称为一种模式，
简称模。任意电磁波可以看作多个模式的线
性组合，同样满足麦克斯韦方程。电磁波主
要有横模和纵模。
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光波在光纤中传播存在三类模式： 传输模（导模）、泄漏模（漏模）、辐射模
模式耦合：纤芯中的导模和包层中的辐射模发 生模式耦合，使导模能量减小。
2）色散
光波的群速度不同而出现的脉冲展宽现象。 不同波长、不同模式下的β值不同。 光纤色散主要有：材料色散、模式色散、波导 色散。
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• 几种色散：
• a）材料色散
• 又称折射率色散。不同波长的折射率不同引起。 发射光谱宽度越窄，材料色散越小。是单模光 纤的主要色散。
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• 电磁波可表示为：
E (,,z,t)E (,)ej(t z)
β为传播常数。
k1ncos20 n1cos β决定了在传播过程中等效在z方向上引入的 相位变化值。光纤轴向相速度由ω/β决定。
归一化频率为：
2rN/A 02 0r n12n2 2
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归一化频率是表征光纤中模式传播特性的 重要参数。在一个给定结构参数的光纤中， 允许存在的导模数目取决于v，v越大，允 许存在的导模越多，反之亦然。
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• 2、光纤的种类 • 1）按制作材料 高纯度石英玻璃纤维 多组分玻璃光纤 塑料光纤 • 2）按传输模式分 单模光纤 多模光纤
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• 3）按折射率分布特点分 阶跃光纤 梯度光纤
阶跃光纤 梯度光纤
4）按用途分
通信光纤
特殊光纤
5）按制作方法分
化学气相沉积法、双坩埚/三坩埚法。
产生弯曲损耗的效应主要有：空间滤波、模 式泄漏、模式耦合
空间滤波：光纤弯曲部分高阶模因全反射条 件破坏而折射到包层中，将所携带的能量辐 射到光纤之外的一中物理效应。
弯曲半径越小，损耗越大。是弯曲损耗中的 主要损耗。
模式泄漏：光场远离纤芯的部分因弯曲不再 满足模式传输要求而辐射出光纤。
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第七章 光纤传感检测技术
• 光纤传感器的基础 • 光纤的光波调制技术
• 光纤传感器实例 • 分布式光纤传感器
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7.1 光纤传感器的基础
• 1、光纤的结构 • 光导纤维（Optical Fiber 简称光纤）又纤芯、包层
及外套组成。纤芯折射率大于包层折射率。 • 光纤具有使光封闭在纤芯里面传输的功能。 • 外套起保护作用。
NA称为数值孔径(Numerical Aperture)。 NA是光纤受光能力的标度。
标准多模光纤的NA公称值一般为0.2，孔径 角为11.5o；
标准单模光纤的NA公称值一般为0.1~0.15，
孔径角约5.7o~8.6o PPT学习交流
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在梯度光纤中：
在梯度光纤中的折射
在梯度光纤中的传播
自聚焦效应
当 v2.204(阶 8 跃光纤 v） 3.4或 0(平 1 方分布率梯度光
时，只允许一个模式（HE11）。
Mg2v/[2(g2)]
Mv2/2
阶跃型
Mv2/4
梯度型
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• 归一化频率与传输模式之间的关系
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• 4、光纤的特性
• 损耗和色散
• 1）损耗 • 定义为：光波在光纤中传输1km产生的功率衰减分
• b）TMmn模。在轴向只有电场分量E，而横截面上 只有磁场分量H。称为横磁模。
• c）HEmn模（ EHmn模） 。轴向同时存在电场分量 和磁场分量。称为混合模。m,n表示贝塞尔函数的 阶及相应的根数。代表不同的模式。
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不同模式的传输特性不同。
若光纤中仅传播HE11基模，则因该模在芯心 处最强，所以光纤输出的光斑是一个外围光 强较弱的圆光斑。TE01模则因芯心处电场最 弱，所以光纤输出光斑将在芯心处出现暗区。