《传感器与检测技术》课程教学资源（教材讲义）第12章 光导纤维传感器

第12章光导纤维传感器 ·227· 上引入光集成回路，以达到信号处理一体化和器件小型化，这与电气回路相结合便构成 了有效的光电器件。 光纤传感技术已得到越来越多的应用，其前景是十分美好的。将新型的光纤技术更 好地和传统的测量技术有机地结合起来，发挥光纤的优点，从而提供新的测量手段；加 强基本元器件（传感用特殊光纤和专用有源与无源器件）的研制和生产；加强有关的光 电技术（干涉型检测技术、弱光信号检测技术）的研究；深入进行光纤传感机理的理论 和实验研究，并不断利用其他新兴光学学科，交叉发展；开展新型传感机理和方案的研 究等等；皆是光纤传感技术的发展动向。 12.2光纤传感器元件 12.2.1光纤 12.2.1.1光纤的结构及分类 (1)光纤结构 最简单的光纤由圆柱形的二氧化硅玻璃光纤 纤花 芯和包层构成，其横断面可由图12-2所示。它是 包 纤芯、包层、涂覆层及套塑（可统称外包层）组成。 套塑 纤芯位于光纤的中心部位。它的主要成份是高 纯度的Si02,其纯度要高达99.99999%。其余成份 图12-2光纤的横断面构造

12 ·227· 上引入光集成回路，以达到信号处理一体化和器件小型化，这与电气回路相结合便构成 了有效的光电器件。 光纤传感技术已得到越来越多的应用，其前景是十分美好的。将新型的光纤技术更 好地和传统的测量技术有机地结合起来，发挥光纤的优点，从而提供新的测量手段；加 强基本元器件（传感用特殊光纤和专用有源与无源器件）的研制和生产；加强有关的光 电技术（干涉型检测技术、弱光信号检测技术）的研究；深入进行光纤传感机理的理论 和实验研究，并不断利用其他新兴光学学科，交叉发展；开展新型传感机理和方案的研 究等等；皆是光纤传感技术的发展动向。 12.2.1.1 光纤的结构及分类 （1）光纤结构 最简单的光纤由圆柱形的二氧化硅玻璃光纤 芯和包层构成，其横断面可由图 12-2 所示。它是 纤芯、包层、涂覆层及套塑（可统称外包层）组成。 纤芯位于光纤的中心部位。它的主要成份是高 纯度的 SiO2，其纯度要高达 99.99999%。其余成份 图 12-2 光纤的横断面构造

·228 传感器技术设计与应用 为掺入的少量掺杂剂，如五氧化二磷(P205)和二氧化锗(GO2。掺杂剂的作用是提 高纤芯的折射率。纤芯的直径一般为5~50μm。包层也是含有少量掺杂剂的，掺杂剂有 氟化硼，这些掺杂剂的作用是降低包层的折射率。包层的直径（含纤芯)2b为125μm。 包层的外面涂敷一层很薄的涂层以增强光纤的机械强度。目前，涂层材料一般为环氧树 脂或硅橡胶。涂层之外的套塑（多用尼龙或聚乙烯），其作用也是加强光纤的机械强度。 (2)光纤分类 a)根据折射率分布分类 阶跃型光纤(S1-Step index fiber):这种光纤芯部和包层的折射率都为一常数，在 其界面处呈阶跃式变化，如图12-3(a)所示。其中，1为纤芯的折射率，均匀分布： 为包层的折射率，也呈均匀分布，般nm略高于n如n=151,心=1.50，m1-0.0。 渐变性光纤(G-Graded indexfiber):渐变性光纤又称为梯度型光纤。这种光纤的折 射率在包层部分是均匀分布的，即，仍为一常数；但在芯部，其折射率由轴心向外逐渐 减少，在芯的轴心处具有最大值m,如图12-3(b)所示。或者说，渐变性光纤芯部折 射率是其半径r的函数nr)。 b)根据传输模式分类 多模光纤MM-Multi-mode fiber):当光纤中传输的模式是多个时，则称为多模光纤。 多模光纤剖面折射率的分布，有阶跃型的，也有渐变型的。前者称为阶跃型多模光纤 后者称为渐变型多模光纤

·228· 为掺入的少量掺杂剂，如五氧化二磷（P2O5）和二氧化锗（GeO2）。掺杂剂的作用是提 高纤芯的折射率。纤芯的直径一般为 5~50µm。包层也是含有少量掺杂剂的，掺杂剂有 氟化硼，这些掺杂剂的作用是降低包层的折射率。包层的直径（含纤芯）2b 为 125µm。 包层的外面涂敷一层很薄的涂层以增强光纤的机械强度。目前，涂层材料一般为环氧树 脂或硅橡胶。涂层之外的套塑（多用尼龙或聚乙烯），其作用也是加强光纤的机械强度。 （2）光纤分类 a）根据折射率分布分类 阶跃型光纤（SI-Step index fiber）：这种光纤芯部和包层的折射率都为一常数，在 其界面处呈阶跃式变化，如图 12-3（a）所示。其中，n1 为纤芯的折射率，均匀分布； n2 为包层的折射率，也呈均匀分布，一般 n1 略高于 n2(如 n1=1.51，n2=1.50，n=n1-n2=0.01)。 渐变性光纤(GI-Graded index fiber)：渐变性光纤又称为梯度型光纤。这种光纤的折 射率在包层部分是均匀分布的，即 n2 仍为一常数；但在芯部，其折射率由轴心向外逐渐 减少，在芯的轴心处具有最大值 n1，如图 12-3（b）所示。或者说，渐变性光纤芯部折 射率是其半径 r 的函数 n(r)。 b）根据传输模式分类 多模光纤(M M-Multi-mode fiber)：当光纤中传输的模式是多个时，则称为多模光纤。 多模光纤剖面折射率的分布，有阶跃型的，也有渐变型的。前者称为阶跃型多模光纤， 后者称为渐变型多模光纤

第12章光导纤维传感器 ·229 外包 包层 轴向更高 箱向更高 (a) (b) 图12-3阶跃折射率光纤和梯度折射率光纤的截面结构和折射率分布 单模光纤(SM-Single-mode fiber):光纤中只传输一个模式的光波时，这种光纤称 为单模光纤。实现单模传输的光纤，要求其芯径2a很小，通常2a=5-10μm。芯径如此 小的光纤，由于工艺上的问题，其折射率的分布只能是均匀的。因此，单模光纤剖面折 射率的分布属于阶跃型的。 12.2.1.2光纤几何光学分析 光纤的导光原理基于光的全反射定律。其导光特性可用几何光学的方法来描述，尽 管几何光学分析具有近似性，但在纤芯芯径a远比波长，大的情况还是很合适的。当a 与入较为接近时，则需要采用波动光学分析法 在讨论光纤的几何光学分析之前，首先介绍光纤中的射线概念。在光纤中可存在两

12 ·229· b a b a 外包层 包层 纤芯 a b 折 射 率 轴向距离 a b 折 射 率 轴向距离 n1 n2 n0 n1 n2 n0 （a） （b） 图 12-3 阶跃折射率光纤和梯度折射率光纤的截面结构和折射率分布 单模光纤(SM-Single-mode fiber)：光纤中只传输一个模式的光波时，这种光纤称 为单模光纤。实现单模传输的光纤，要求其芯径 2a 很小，通常 2a=5~10µm。芯径如此 小的光纤，由于工艺上的问题，其折射率的分布只能是均匀的。因此，单模光纤剖面折 射率的分布属于阶跃型的。 12.2.1.2 光纤几何光学分析 光纤的导光原理基于光的全反射定律。其导光特性可用几何光学的方法来描述，尽 管几何光学分析具有近似性，但在纤芯芯径 a 远比波长 λ 大的情况还是很合适的。当 a 与 λ 较为接近时，则需要采用波动光学分析法。 在讨论光纤的几何光学分析之前，首先介绍光纤中的射线概念。在光纤中可存在两

·230 传感器技术设计与应用 种不同形式的光射线：子午线和斜射线。子午线为通过光纤轴心平面（称子午面）的射 线，如图12-4所示。如果光线不通过光纤的轴心平面，则称这些光线为斜射线。这时， 光线是呈斜折线或螺旋形式前进的，如图12-5所示。 a)阶跃光纤 图12-4光纤中的子午线 (a)阶跃光年 b)渐变光红 图125光纤中的斜射线 (1)阶跃光纤的几何光学分析 图12-6给出了阶跃光纤的导光原理。一条光线与光纤轴线成0，的角度入射到光纤 中，由于光纤与空气界面的折射效应，光线将会向轴线偏移，折射光线的角度0，可由斯 涅尔定律(Snell))给出为 (12-1)

·230· 种不同形式的光射线：子午线和斜射线。子午线为通过光纤轴心平面（称子午面）的射 线，如图 12-4 所示。如果光线不通过光纤的轴心平面，则称这些光线为斜射线。这时， 光线是呈斜折线或螺旋形式前进的，如图 12-5 所示。 图 12-4 光纤中的子午线 图 12-5 光纤中的斜射线 （1）阶跃光纤的几何光学分析 图 12-6 给出了阶跃光纤的导光原理。一条光线与光纤轴线成 θr的角度入射到光纤 中，由于光纤与空气界面的折射效应，光线将会向轴线偏移，折射光线的角度 θr可由斯 涅尔定律(Snell)给出为 0 1 sin sin t r n n   = （12-1）

第12章光导纤维传感器 ·231· 中 纤芯折射率 导模光线 包层折射m 图12-6阶跃折射率光纤的号光原理 式中，m分别为纤芯和空气的折射率。折射光线将会沿与光纤轴线成0，角的方 向入射到纤芯与包层的界面上，如果入射角大于由下式定义的临界角（设包层的折射率 为2，且n>m) m酸片 （12-2) 则光线将会在纤芯与包层界面上发生全反射，当全反射的光线再次入射到纤芯与包 层的分界面时，它被再次全反射回纤芯中。这样，所有满足的光纤都会限制在纤芯中而 向前传播，这就是光纤传光的基本原理 由式(12-1)和(12-2)可求出能限制在纤芯内的光线与光线轴线的最大入射角 0ms,即 %sin9=%cos4=(m2-22) (12-3) 式中，nosin称为光纤的数值孔径Numeral Apeture),简记NA,它表征了光纤的收光 能力。一般情况下n2,此时，数值孔径可近似表示为 NM=4(24)月，4=- （12-4)

12 ·231· 包层折射率n2 泄露光线 纤芯折射率n1 n0 导模光线 θi θr φ 图 12-6 阶跃折射率光纤的导光原理 式中，n1，n0 分别为纤芯和空气的折射率。折射光线将会沿与光纤轴线成 θr角的方 向入射到纤芯与包层的界面上，如果入射角大于由下式定义的临界角（设包层的折射率 为 n2，且 n1>n2） 2 1 sin c n n  = （12-2） 则光线将会在纤芯与包层界面上发生全反射，当全反射的光线再次入射到纤芯与包 层的分界面时，它被再次全反射回纤芯中。这样，所有满足的光纤都会限制在纤芯中而 向前传播，这就是光纤传光的基本原理。 由式（12-1）和（12-2）可求出能限制在纤芯内的光线与光线轴线的最大入射角 θimax，即 1 2 2 2 0 max 1 1 2 sin cos ( ) i c n n n n   = = − （12-3） 式中，n0sinθimax 称为光纤的数值孔径(Numeral Apeture)，简记 NA，它表征了光纤的收光 能力。一般情况下 n1≈n2，此时，数值孔径可近似表示为 1 2 1 NA n =   (2 ) , 1 2 1 ( ) n n n −  = （12-4）