光纤传感技术PPT讲稿

第一节 光纤的结构与传光原理
一、结构和种类
玻璃纤维 尼龙外层
（一）光纤的结构
包层
基本采用石英玻璃，
外层直径1mm
主要由三部分组成
中心——纤芯；单模：8 ~10μm 外层——包层；多模：大于50μm纤芯 涂敷层
护套——尼龙料。
光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质，
纤芯折射率n1略大于包层折射率n2（ n1 ＞ n2 ）。
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渐变 纤
剖面n(r) n1
芯
n2
a
r
梯度折射率光纤
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名词解释：子午光线
当入射光线通过光纤轴线，且入射角1大
于界面临界角c sin1(n2 / n1) 时，光线将在柱体 界面上不断发生全反射，形成曲折回路，而 且传导光线的轨迹始终在光纤的主截面内。 这种光线称为子午光线，包含子午光线的平 面称为子午面。
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子午平面
z
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光纤的另一种分类方法是按 光纤的传播模式来分，可分为多 模光纤和单模光纤两类。多模光 纤多用于非功能型（NF）光纤 传感器；单模光纤多用于功能型 （FF）光纤传感器。 下面介绍模的概念
模的概念
• 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 能形成驻波的那些特定角度射入光纤的光才能在 光纤内传播，这些光波就称为模。
θ2 θ1
折射光
折射率 n1
折射率 n0
导出费涅耳反射损耗 入射光 Ii
反射光 Ir
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当光线以较小的入 射角，由光密媒质 进入光疏媒质时，
θ2 折射光
折射率 n2
一部分光线被反射， 另一部分折射入光
折射率 n1
疏媒质。如图所示。
θ1
折射角满足斯奈尔
（Snell）定律则
入射光
θ1< θc
反射光
n1sin1 n 2sin2 图7-3 （a） 光线入射角小于临界角
• 在光纤内只能传输一定数量的模。通常纤芯直径
较粗（几十微米以上）时，能传播几百个以上的 模，而纤芯很细（5～10微米），只能传播一个模。 前者称为多模光纤，后者为单模光纤。
二、 光纤的传光原理
光学纤维:中央折射率 大,表层折射率小的透 明细玻璃丝.
光进入光学纤维后,多次 在内壁上发生全内反射, 光从纤维的一端传向另 一端.
只有反射，形
成光的全反射
现象，如右图
所示。
入射光 θ1 θ1> θc
折射率 n2 折射率 n1
全反射光
图7-3 （c） 光线入射角大于临界角
外反射：
n1 n2
n2
ic
n1
内反射，全内反射：
n1 n2
n2
入射角大 于临界角 的光线发 生全反射
ic
n1
阶跃型多模光纤的传光原理
n0
2θ0 θ0
B
n0sin0 n1sin1 n1cos1 n1 1 sin21
n0
2θ0 θ0
B φ1
θ1
A
D
n2
C
n1
d
若满足
sin1
n2 n1
即
sin 0
1 n0
n12 - n22
就能产生全反射。可见，光纤临界入射角的大小
是由光纤本身的性质（n1、n2）决定的，与光纤 的几何尺寸无关。
入射角的最大值 为：
（二） 光纤的种类
光纤按纤芯和包层材料的性质分类，有玻
璃光纤和塑料光纤两类；按折射率分有阶跃型
和梯度型二种 。
右图所示为阶跃型光纤，纤
芯的折射率n1分布均匀，不随半 径变化。包层内的折射率n2分布 也大体均匀。可是纤芯与包层之
间折射率的变化呈阶梯状。在纤
芯内，中心光线沿光纤轴线传播。
通过轴线平面的不同方向入射的
sinc
1 n0
n12
-
n
2 2
将sinθc定义为光导纤维的数值孔径,用NA
表示,则
NA
sinc
1 n0
n12
-
n
2 2
NA意义讨论： • NA表示光纤的集光能力，无论光源的发
射功率有多大，只要在2θc张角之内的入 射光才能被光纤接收、传播。若入射角 超出这一范围，光线会进入包层漏光。 • 一般NA越大集光能力越强，光纤与光源 间耦合会更容易。但NA越大光信号畸变 越大，要选择适当。 • 产品光纤不给出折射率N，只给数值孔径 NA。
光纤传感技术课件
光导纤维传感器（简称光纤传感器）是20世 纪七十年代迅速发展起来的一种新型传感器。光 纤最早用于通讯，随着光纤技术的发展，光纤传 感器得到进一步发展。
与其它传感器相比较，光纤传感器有如下特 点：
1.不受电磁干扰，防爆性能好，不会漏电打 火；
2.可根据需要做成各种形状，可以弯曲； 3.可以用于高温、高压,绝缘性好,耐腐蚀。
• 2008-10-17
三、传光损耗
• 在实际上，光纤传光中，存在费涅
耳反射损耗、光吸收损耗、全反射 损耗以及弯曲损耗等。
• 下面简要分析阶跃型多模光纤的损
耗。
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（一）费涅耳反射损耗
•设入射光束的光强 为Ii，反射光束的光 强为Ir，定义R= Ir / Ii为费涅耳反射损耗， 由费涅耳公式可以推
当逐渐加大入射角
θ1，一直到θc，折 射光就会沿着界面传
折射率 n2
θ2
播，此时如右图所示 折射率 n1
折射角θ1＝90o。这 时，入射角θ1＝ θc， θc称为临界角，由 下式决定：
入射光θ1
θ1＝θc
折射光 反射光
sinc
n2 n1
图7-3 （b） 光线入射角等于临界角
当继续加大入
射角θ1，（即 θ1>θc)， 光 不再产生折射，
φ1
θ1
A
D
n2
C
n1
d
图7-4 光纤导光示意图
• 光纤的传播基于光的全反射。当光线 以不同角度入射到光纤端面时，在端 面发生折射后进入光纤；
❖ 光线在光纤端面入射角φ减小到某一角 度φ c时，光线全部反射。
❖ 只要θ＜θc，光在纤芯和包层界面上经 若干次全反射向前传播，最后从另一 端面射出。
Hale Waihona Puke 斯奈尔（Snell）定律：光线（子午光线）呈锯齿形轨迹
传播。 2020年6月28日
阶跃
剖面 n(r)
n1
纤芯
n2
a
r
阶跃折射率光纤 4
右图所示为梯度型光纤，纤
芯的折射率n1不是常数，从 中心轴线开始沿径向大致按 抛物线规律逐渐减小。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。 光线偏离中心轴线越远，则 传播路程越长。传播的轨迹 类似正弦波曲线。这种光纤 又称自聚焦光纤。 右下图所示为经过轴线的子 午光线传播的轨迹。