光纤光栅传感器光纤光栅传感器
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无论哪种模式，当m和n的组合不同，表示的模式也不同。
11
光纤中的重要参数
3、光纤的归一化频率V
归一化频率是为表征光纤中所能传播的模式数目多
少而引入的一个特征参数。 其定义为：
V 2r
n12
n22
2r NA k0r12其中， r——是光纤的纤芯半径； λ——是光纤的工作波长； n1和n2 ——分别是光纤的纤芯和包层折射率； k0 ——真空中的波数； ∆ ——光纤的相对折射率差。
0 a cbr （c）W型光纤
8
光纤的类型
9
光纤中的重要参数
1、数值孔径（NA,Numerical Aperture）
当光线在纤芯与包层界面上发生全反射时，相应的端面入射 角为光纤波导的孔径角（或端面临界角）。即只有光纤端面入 射角大于端面临界角的光线才能在光纤中传播，故光纤的受光 区域是一个圆锥形区域，圆锥半锥角的最大值就等于孔径角。 为表示光纤的集光能力大小，定义光纤波导临界入射角的正弦值 为光纤的数值孔径（NA），即：
光纤中可能传播的模式有横电波、横磁波和混合波。 电场（分1）量横的电电波磁T波Em。n：中纵下轴标方m表向示只电有场磁沿场圆分周量；方横向截的面变上化有周 数，n表示电场沿径向方向的变化周数。 场分（量2）的横电磁磁波波T。Mmn:纵轴方向只有电分量；横截面上有磁 分量（，3）是混横合电波波H和E横mn磁或波EH的m混n:合纵。轴方向既有电分量又有磁场
光纤之父” 1990-区域网路及其他短距离传输应用之光纤 2005 FTTH(Fiber To The Home)光纤直接到家庭 2009 高锟获得诺贝尔物理学奖。
2
光纤传感器始于1977年，目前已进入研究与应用并重阶段。 主要优点： ① 灵敏度高、电绝缘性能好、抗电磁干扰、可挠性强、可实 现不带电的全光型探头。 ② 频带宽、动态范围大。 ③ 可用很相近的技术基础构成传感不同物理量的传感器 ④ 便于与计算机和光纤传输系统相连，易于实现系统的遥测 和控制 ⑤ 可用高温、高压、强电磁干扰、腐蚀等恶劣环境。 ⑥ 结构简单、体积小、重量轻、耗能少。
归一化频率越大，光纤所允许传播的模式越多，当 V<2.405时，光纤中只允许一个模式传播，即基模。
12
模式特性
V
模式
导模总数
0--2.405
HE11
2
2.405--3.832
HE21, TE01, TM01
2+4=6
3.832--5.136
HE12, HE31, EH11
6+6=12
5.136--5.520
NA n0 sin0
n12 n22 n1 2
10
光纤中的重要参数
2、光纤中的模式(Fiber Mode)
电磁波的传播遵从麦克斯韦方程，而在光纤中传播的电 磁场根据由光纤结构决定的边界条件，可求得满足波动方程 的特定的离散的解，而某一个解代表许多允许沿光纤波导传 播的波，每个允许传播的解称为光纤的模式，每个波具有不 同的振幅和传播速度。
光纤技术及应用
1
光纤发展历史
1870年，英国物理学家丁达尔的实验 1960-光纤发明 1966-华裔科学家“光纤之父”高锟 预言光纤将用于通信。 1970-美国康宁公司成功研制成传输损耗只有20dm/km的光纤。 1977-首次实际安装电话光纤网路 1978-FORT在法国首次安装其生产之光纤电 1979-赵梓森拉制出我国自主研发的第一根实用光纤，被誉为“中国
HE41, EH21
12+4=16
5.520--6.380
HE22, TE02, TM02
16+4=20
..单模传输条件
. .
. .
当0＜V＜2.405时,光纤中除主模（或基模）HE11 模以
外，其余模式均截止，此时可实现单模传输N。s V 2 2
多模传输的数目
对于阶跃型光纤，光纤中的传输模式数为
n1
2
14
光纤的损耗特性
损耗的定义
当光在光纤中传输时，随着传输距离的增加，光功率逐渐减小， 这种现象即称为光纤的损耗。损耗一般用损耗系数α表示：
10 lg Pi
L Po
(单位：dB/km)
损耗大小影响光纤的传输距离长短和中继距离的选择。
损耗的种类
•吸收损耗：来源于光纤物质和杂质的吸收作用； •散射损耗：光纤材料的不均匀性和尺寸缺陷，如瑞利散射； •其他损耗：如光纤弯曲也引起散射损耗。
阶跃型光纤（SIF） 光纤种类 按光纤纤芯折射率分布划分 渐变型光纤（GIF）
W型光纤
按光纤传输模式数划分
单模光纤（SMF） 多模光纤（MMF ）
7
光纤的纤芯折射率剖面分布
2b
2b
2b
2c
2a
2a
2a
n
n1 n2
0a b r （a）阶跃光纤
n
n1 n2
0 a br （b） 渐变光纤
n
n1 n2
n3
部分光纤传感器利用了光纤的损耗特性。
15
光纤的损耗
损耗
吸收损耗 散射损耗 弯曲损耗
杂质离子的吸收
过渡族金属离子 OH- 离子
本征吸收
紫外吸收 红外吸收
制作缺陷
折射率分布不均匀 芯-涂层界面不理想 气泡、条纹、结石
对于渐变型光纤，光纤中的传输模式数为 Ns V 2 4
13
4、截止波长 λc
截止波长是单模光纤特有的参数，对应于第一 高阶模的归一化截止频率Vc=2.405时的波长。光 在单模光纤中传输时的一种波长。大于此波长时 二阶LP11模中止传播。
c
2 r
Vx
n12
n22
2 r
Vc
3
光纤传感器的基础
光纤波导的结构
套层
一次涂覆层
纤芯 包层
套层
多层介质结构：
一次涂覆层 包层 纤芯
1、纤芯：石英玻璃，直径5-75um，材料以二氧化硅为主，掺杂微量元 素。
2、包层：直径100-200um，折射率略低于纤芯。
3、涂敷层：硅酮或丙烯酸盐，隔离杂光，保护。
4、尼龙或其他有机材料，提高机械强度，保护光纤。
4
光纤的光波导原理
n2
3
2
1
0
① ② n1
n2
光纤的临界角
c
arcsin( n2 n1
)
n2 n1
4
对应光纤的入射角临界值为：
n0 sin0 n12 n22 NA
5
渐变光纤的导光原理示意图
在渐变光纤中光线传播的轨迹近似于正弦波。
6
光纤的分类
按光纤组成材料划分
石英系列光纤（以SiO2为主要材料） 多组分光纤（材料由多组成分组成） 液芯光纤（纤芯呈液态） 塑料光纤（以塑料为材料）
11
光纤中的重要参数
3、光纤的归一化频率V
归一化频率是为表征光纤中所能传播的模式数目多
少而引入的一个特征参数。 其定义为：
V 2r
n12
n22
2r NA k0r12其中， r——是光纤的纤芯半径； λ——是光纤的工作波长； n1和n2 ——分别是光纤的纤芯和包层折射率； k0 ——真空中的波数； ∆ ——光纤的相对折射率差。
0 a cbr （c）W型光纤
8
光纤的类型
9
光纤中的重要参数
1、数值孔径（NA,Numerical Aperture）
当光线在纤芯与包层界面上发生全反射时，相应的端面入射 角为光纤波导的孔径角（或端面临界角）。即只有光纤端面入 射角大于端面临界角的光线才能在光纤中传播，故光纤的受光 区域是一个圆锥形区域，圆锥半锥角的最大值就等于孔径角。 为表示光纤的集光能力大小，定义光纤波导临界入射角的正弦值 为光纤的数值孔径（NA），即：
光纤中可能传播的模式有横电波、横磁波和混合波。 电场（分1）量横的电电波磁T波Em。n：中纵下轴标方m表向示只电有场磁沿场圆分周量；方横向截的面变上化有周 数，n表示电场沿径向方向的变化周数。 场分（量2）的横电磁磁波波T。Mmn:纵轴方向只有电分量；横截面上有磁 分量（，3）是混横合电波波H和E横mn磁或波EH的m混n:合纵。轴方向既有电分量又有磁场
光纤之父” 1990-区域网路及其他短距离传输应用之光纤 2005 FTTH(Fiber To The Home)光纤直接到家庭 2009 高锟获得诺贝尔物理学奖。
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光纤传感器始于1977年，目前已进入研究与应用并重阶段。 主要优点： ① 灵敏度高、电绝缘性能好、抗电磁干扰、可挠性强、可实 现不带电的全光型探头。 ② 频带宽、动态范围大。 ③ 可用很相近的技术基础构成传感不同物理量的传感器 ④ 便于与计算机和光纤传输系统相连，易于实现系统的遥测 和控制 ⑤ 可用高温、高压、强电磁干扰、腐蚀等恶劣环境。 ⑥ 结构简单、体积小、重量轻、耗能少。
归一化频率越大，光纤所允许传播的模式越多，当 V<2.405时，光纤中只允许一个模式传播，即基模。
12
模式特性
V
模式
导模总数
0--2.405
HE11
2
2.405--3.832
HE21, TE01, TM01
2+4=6
3.832--5.136
HE12, HE31, EH11
6+6=12
5.136--5.520
NA n0 sin0
n12 n22 n1 2
10
光纤中的重要参数
2、光纤中的模式(Fiber Mode)
电磁波的传播遵从麦克斯韦方程，而在光纤中传播的电 磁场根据由光纤结构决定的边界条件，可求得满足波动方程 的特定的离散的解，而某一个解代表许多允许沿光纤波导传 播的波，每个允许传播的解称为光纤的模式，每个波具有不 同的振幅和传播速度。
光纤技术及应用
1
光纤发展历史
1870年，英国物理学家丁达尔的实验 1960-光纤发明 1966-华裔科学家“光纤之父”高锟 预言光纤将用于通信。 1970-美国康宁公司成功研制成传输损耗只有20dm/km的光纤。 1977-首次实际安装电话光纤网路 1978-FORT在法国首次安装其生产之光纤电 1979-赵梓森拉制出我国自主研发的第一根实用光纤，被誉为“中国
HE41, EH21
12+4=16
5.520--6.380
HE22, TE02, TM02
16+4=20
..单模传输条件
. .
. .
当0＜V＜2.405时,光纤中除主模（或基模）HE11 模以
外，其余模式均截止，此时可实现单模传输N。s V 2 2
多模传输的数目
对于阶跃型光纤，光纤中的传输模式数为
n1
2
14
光纤的损耗特性
损耗的定义
当光在光纤中传输时，随着传输距离的增加，光功率逐渐减小， 这种现象即称为光纤的损耗。损耗一般用损耗系数α表示：
10 lg Pi
L Po
(单位：dB/km)
损耗大小影响光纤的传输距离长短和中继距离的选择。
损耗的种类
•吸收损耗：来源于光纤物质和杂质的吸收作用； •散射损耗：光纤材料的不均匀性和尺寸缺陷，如瑞利散射； •其他损耗：如光纤弯曲也引起散射损耗。
阶跃型光纤（SIF） 光纤种类 按光纤纤芯折射率分布划分 渐变型光纤（GIF）
W型光纤
按光纤传输模式数划分
单模光纤（SMF） 多模光纤（MMF ）
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光纤的纤芯折射率剖面分布
2b
2b
2b
2c
2a
2a
2a
n
n1 n2
0a b r （a）阶跃光纤
n
n1 n2
0 a br （b） 渐变光纤
n
n1 n2
n3
部分光纤传感器利用了光纤的损耗特性。
15
光纤的损耗
损耗
吸收损耗 散射损耗 弯曲损耗
杂质离子的吸收
过渡族金属离子 OH- 离子
本征吸收
紫外吸收 红外吸收
制作缺陷
折射率分布不均匀 芯-涂层界面不理想 气泡、条纹、结石
对于渐变型光纤，光纤中的传输模式数为 Ns V 2 4
13
4、截止波长 λc
截止波长是单模光纤特有的参数，对应于第一 高阶模的归一化截止频率Vc=2.405时的波长。光 在单模光纤中传输时的一种波长。大于此波长时 二阶LP11模中止传播。
c
2 r
Vx
n12
n22
2 r
Vc
3
光纤传感器的基础
光纤波导的结构
套层
一次涂覆层
纤芯 包层
套层
多层介质结构：
一次涂覆层 包层 纤芯
1、纤芯：石英玻璃，直径5-75um，材料以二氧化硅为主，掺杂微量元 素。
2、包层：直径100-200um，折射率略低于纤芯。
3、涂敷层：硅酮或丙烯酸盐，隔离杂光，保护。
4、尼龙或其他有机材料，提高机械强度，保护光纤。
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光纤的光波导原理
n2
3
2
1
0
① ② n1
n2
光纤的临界角
c
arcsin( n2 n1
)
n2 n1
4
对应光纤的入射角临界值为：
n0 sin0 n12 n22 NA
5
渐变光纤的导光原理示意图
在渐变光纤中光线传播的轨迹近似于正弦波。
6
光纤的分类
按光纤组成材料划分
石英系列光纤（以SiO2为主要材料） 多组分光纤（材料由多组成分组成） 液芯光纤（纤芯呈液态） 塑料光纤（以塑料为材料）