光纤传感技术.

θ2
折射光
折射率 n2 折射率 n1
θ1
入射光 反射光
θ1 < θc 图7-3 （a） 光线入射角小于临界角
n1sin1 n 2sin 2
当逐渐加大入射角 θ 1，一直到θ c，折 折射率 n2 θ2 折射光 射光就会沿着界面传 反射光 播，此时如右图所示 折射率 n1 折射角θ 1＝90o。这 θ1 时，入射角θ 1＝ θ c， 入射光 θ c称为临界角，由 θ1＝θc 下式决定：
阶跃
n1
剖面 n(r)
n2 r
纤 芯 a
4 阶跃折射率光纤
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。
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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。 • 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。
入射角的最大值 为： 1 2 2 sin c n1 - n 2 n0 将sinθc定义为光导纤维的数值孔径,用NA 表示,则
1 2 2 NA sin c n1 - n 2 n0
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。
（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 光线（子午光线）呈锯齿形轨迹 2018年9月16日 传播。
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
包层 （一）光纤的结构 基本采用石英玻璃， 外层直径1mm 主要由三部分组成 单模：8 ~10μm 中心——纤芯； 多模：大于50μm 外层——包层； 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 ）。
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.
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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， 一部分光线被反射， 另一部分折射入光 疏媒质。如图所示。 折射角满足斯奈尔 （Snell）定律则
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渐变 纤
剖面n(r) n1 n2 芯 r a
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 1 sin (n2 / n1 ) 时，光线将在柱体 于界面临界角 c 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。
第七章 光纤传感技术
光纤的基本概述 功能型光纤传感器 非功能型光纤传感器 光纤传感器的应用举例
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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。
由斯奈尔（Snell）定律：
n 0sin 0 n1sin1 n1cos 1 n1 1 sin 1
2
n0
2θ0
B θ0 Aφ1DCn2 n1θ1
d
若满足
n2 sin1 n1
1 即 sin 0 n0
n -n
2 1
2 2
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。
n2 sin c n1
图7-3 （b） 光线入射角等于临界角
当继续加大入 射角θ 1，（即 θ 1>θ c)， 光 不再产生折射， 只有反射，形 成光的全反射 现象，如右图 所示。
折射率 n2
折射率 n1
入射光 θ1 > θ c θ1 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
入射角大 于临界角 的光线发 生全反射
n2
ic
n1
阶跃型多模光纤的传光原理
n0 2θ0 B θ0 A θ1 φ
1
D C
n2 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。