第6章光纤传感器 61基础知识 62光纤传感器的分类及构成 63功能型光纤传感器举例 64非功能型光纤传感器举例 思考题与习题 BACK
第6章 光纤传感器 6.1 基础知识 6.2 光纤传感器的分类及构成 6.3 功能型光纤传感器举例 6.4 非功能型光纤传感器举例 思考题与习题
61基础知识 61.1光纤的结构 光纤的结构很简单通常由纤芯、包层及外套组成 (如图61所示)。纤芯位于光纤的中心部位它是由玻 璃、石英或塑料等制成的圆柱体,般直径约为5~150 um。光主要通过纤芯传输。围绕着纤芯的那一层叫包 层材料也是玻璃或塑料等。纤芯和外层材料的折射率 不同,纤芯的折射率n1稍大于包层的折射率n2。由于纤 芯和包层构成了一个同心圆双层结构,所以光纤具有使 光功率封闭在里面传输的功能。外套起保护光纤的作 用。通常人们又把较长的或多股的光纤称之为光缆
6.1 基础知识 6.1.1 光纤的结构很简单,通常由纤芯、包层及外套组成 （如图6.1所示）。纤芯位于光纤的中心部位,它是由玻 璃、石英或塑料等制成的圆柱体,一般直径约为5～150 μm。光主要通过纤芯传输。围绕着纤芯的那一层叫包 层,材料也是玻璃或塑料等。纤芯和外层材料的折射率 不同,纤芯的折射率n1稍大于包层的折射率n2。由于纤 芯和包层构成了一个同心圆双层结构,所以光纤具有使 光功率封闭在里面传输的功能。外套起保护光纤的作 用。通常人们又把较长的或多股的光纤称之为光缆
包层 外套 纤芯 图61由纤芯、包层及外套组成的光纤的结构示意图
图6.1 由纤芯、包层及外套组成的光纤的结构示意图 纤 芯 包 层 外 套
61.2光纤的种类 根据纤芯到包层的折射率的变化规律分类,光纤被分为 阶跃型和梯度型两种 阶跃型光纤如图62(a所示。纤芯的折射率m1分布均匀, 固定不变包层内的折射率n2分布也大体均匀但纤芯到包层 的折射率变化呈台阶状。在纤芯内,中心光线沿光纤轴线传 播通过轴线的子午光线(光的射线永远在一个平面内运动, 这种光线称之为子午光线)呈锯齿形轨迹。 梯度型光纤纤芯内的折射率不是常数从中心轴线开始 沿径向大致按抛物线规律变化,中心轴折射率最大,因此光在 传播中会自动地从折射率小的界面处向中心会聚。光线传播 的轨迹类似正弦波曲线。这种光纤又称为自聚焦光纤。图 62(b)示出了经过轴线的子午光线传播的轨迹
6.1.2 根据纤芯到包层的折射率的变化规律分类,光纤被分为 阶跃型和梯度型两种。 阶跃型光纤如图6.2(a)所示。纤芯的折射率n1分布均匀, 固定不变,包层内的折射率n2分布也大体均匀,但纤芯到包层 的折射率变化呈台阶状。在纤芯内,中心光线沿光纤轴线传 播,通过轴线的子午光线（光的射线永远在一个平面内运动, 这种光线称之为子午光线）呈锯齿形轨迹。 梯度型光纤纤芯内的折射率不是常数,从中心轴线开始 沿径向大致按抛物线规律变化,中心轴折射率最大,因此,光在 传播中会自动地从折射率小的界面处向中心会聚。光线传播 的轨迹类似正弦波曲线。这种光纤又称为自聚焦光纤。图 6.2(b)示出了经过轴线的子午光线传播的轨迹
根据光纤的传输模式分类,可以把光纤分为多模光纤和单 模光纤两类。阶跃型和梯度型为多模光纤而图62(c)所示的 为单模光纤。 模的概念可简单介绍如下。 在纤芯内传播的光波可以分解为沿轴向传播的平面波和 沿垂直方向(剖面方向)传播的平面波。沿剖面方向传播的 平面波在纤芯与包层的界面上将产生反射。如果此波在一个 往复(入射和反射)中相位变化为2π的整数倍,就会形成驻波。 只有能形成驻波的那些以特定角度射入光纤的光波才能在光 纤内传播,这些光波就称为模。在光纤内只能传输一定数量的 模。通常,纤芯直径较粗(几十μm以上)时,能传播几百个以 上的模而纤芯很细(5~10μm)时,只能传播一个模。前者称 为多模光纤,后者称为单模光纤。关于模式理论有兴趣的读 者可参阅有关文献资料
根据光纤的传输模式分类,可以把光纤分为多模光纤和单 模光纤两类。阶跃型和梯度型为多模光纤,而图6.2(c)所示的 为单模光纤。 模的概念可简单介绍如下。 在纤芯内传播的光波,可以分解为沿轴向传播的平面波和 沿垂直方向（剖面方向）传播的平面波。沿剖面方向传播的 平面波在纤芯与包层的界面上将产生反射。如果此波在一个 往复（入射和反射）中相位变化为2π的整数倍,就会形成驻波。 只有能形成驻波的那些以特定角度射入光纤的光波才能在光 纤内传播,这些光波就称为模。在光纤内只能传输一定数量的 模。通常,纤芯直径较粗（几十μm以上）时,能传播几百个以 上的模,而纤芯很细（5～10μm）时,只能传播一个模。前者称 为多模光纤,后者称为单模光纤。关于模式理论,有兴趣的读