光纤传感器基础
前言第1章引言................................................................... 1
1.1 历史回顾和展望........................................................ 1
1.2 光纤传感器的分类和应用.............................................. 2
1.3 本书各章内容提要..................................................... 4
参考文献.................................................................... 5
第2 章光导纤维基础..........................................................7
2.1 光导纤维简介.......................................................... 7
2.1.1 光纤的基本结构和制备.............................................. 7
2.1.2 光纤的基本特性.................................................... 9
2.1.3 光纤的分类....................................................... 12
2.2 阶跃折射率光纤的电磁场理论........................................ 13
2.2.1 圆柱坐标系的麦克斯韦方程........................................ 13
2.2.2 边界条件和本征值方程.............................................16
2.2.3 弱导近似、混合模和线偏振模....................................... 19
2.2.4 场分布和偏振特性................................................. 21
2.2.5 多模光纤和包层模................................................. 26
2.2.6 光脉冲在光纤中的传输.............................................29
2.3 梯度折射率光纤的基本理论........................................... 31
2.3.1 非均匀介质中的射线方程...........................................31
2.3.2 梯度折射率光纤的射线光学........................................ 34
2.3.3 梯度折射率光纤的波动光学........................................ 38
2.3.4 梯度折射率透镜的基本特性........................................ 42
2.4 特种光纤.............................................................. 43
2.4.1 稀土掺杂光纤和双包层光纤........................................ 43
2.4.2 保偏光纤......................................................... 45
2.4.3 光子晶体光纤和微结构光纤........................................ 48
习题........................................................................ 51
参考文献................................................................... 52
第3 章光纤敏感性和光纤器件............................................... 58
3.1 光纤对所处物理条件的敏感性........................................ 58
3.1.1 光纤对轴向应变的敏感性...........................................58
3.1.2 光纤对侧向压力的敏感性...........................................59
3.1.3 光纤弯曲导致的双折射.............................................64
3.1.4 光纤扭转导致的偏振模交叉耦合和偏振旋转.......................... 67
3.1.5 光纤弯曲损耗..................................................... 70
3.1.6 光纤中的机械振动和波.............................................73
3.1.7 光纤的温度敏感性................................................. 74
3.2 光纤耦合器........................................................... 75
3.2.1 2×2 光纤耦合器的结构和制备...................................... 75
3.2.2 光纤耦合器的基本特性和理论分析.................................. 76
3.2.3 N × N 和1 × N 星型光纤耦合器................................... 85
3.2.4 轴向模式耦合和锥形光纤...........................................88
3.3 基于耦合器的光纤环路器件........................................... 91
3.3.1 光纤萨格纳克环................................................... 91
3.3.2 光纤单向环....................................................... 98
3.3.3光纤马赫–曾德尔干涉仪和迈克耳孙干涉仪.......................... 102
3.3.4 基于3 × 3 耦合器的光纤环路器件................................. 106
3.4 光纤的偏振特性......................................................111
3.4.1 光纤中偏振态的演变..............................................111
3.4.2 偏振模色散的基本特性............................................123
3.4.3 自旋光纤和圆双折射光纤......................................... 125
3.4.4 法拉第旋转和旋光效应............................................126
3.5 光纤偏振器件........................................................ 128
3.5.1 光纤偏振器...................................................... 129
3.5.2 光纤偏振控制器.................................................. 131
3.5.3 光纤退偏器和扰偏器..............................................132
3.5.4 光纤光隔离器和环行器............................................135
习题.......................................................................137
参考文献.................................................................. 138
第4 章光纤光栅和相关器件................................................ 147
4.1 光纤光栅简介........................................................ 147
4.1.1 光纤光栅的基本结构和原理....................................... 147
4.1.2 光纤的光敏性.................................................... 149
4.1.3 光纤光栅的制备和分类............................................152
4.2 光纤光栅理论........................................................ 155
4.2.1 均匀光纤布拉格光栅理论......................................... 155
4.2.2 长周期光纤光栅理论..............................................161
4.2.3 非均匀光纤光栅基本理论......................................... 166
4.2.4 光纤光栅的逆工程设计............................................171
4.2.5 光纤光栅的切趾.................................................. 174
4.3 特种光纤光栅器件................................................... 176
4.3.1 多段结构光纤布拉格光栅......................................... 176
4.3.2 啁啾光纤布拉格光栅..............................................185
4.3.3 倾斜光纤布拉格光栅..............................................189
4.3.4 保偏光纤光栅.................................................... 195
4.3.5 纤内干涉仪和声光可调谐滤波器................................... 197
4.4 光纤光栅的敏感性和光纤光栅传感器................................ 199
4.4.1 光纤光栅的敏感性................................................199
4.4.2 光纤光栅的调谐.................................................. 201
4.4.3 光纤光栅器件的封装..............................................203
4.4.4 光纤光栅传感系统及其应用....................................... 207
习题.......................................................................210
参考文献.................................................................. 211
第5 章分布式光纤传感器...................................................223
5.1 光纤中的光散射......................................................223
5.1.1 弹性光散射...................................................... 223
5.1.2 非弹性光散射.................................................... 225
5.1.3 受激拉曼散射和受激布里渊散射................................... 227
5.2 基于瑞利散射的分布式光纤传感器.................................. 229
5.2.1 光时域反射仪.................................................... 229
5.2.2 偏振光时域反射仪................................................234
5.2.3 相干光时域反射仪和相敏光时域反射仪............................. 236
5.2.4 光频域反射仪.................................................... 239
5.3 基于拉曼散射的分布式传感器....................................... 241
5.3.1 光纤中的拉曼散射................................................241
5.3.2 分布式拉曼温度传感器............................................244
5.3.3 频域拉曼温度传感器..............................................246
5.4 基于布里渊散射的分布式光纤传感器................................ 247
5.4.1 光纤中的布里渊散射..............................................247
5.4.2 布里渊光时域反射仪..............................................250
5.4.3 布里渊光时域分析仪..............................................253
5.4.4 布里渊频域分析仪................................................257
5.5 基于光纤干涉仪的分布式传感器..................................... 258
5.5.1 干涉型光纤传感器的结构和特性................................... 259
5.5.2 分布式光纤传感系统中的低相干技术............................... 262
5.5.3 基于多模光纤中散斑效应和模式耦合的传感器.......................266
习题.......................................................................269
参考文献.................................................................. 270
第6 章特种用途光纤传感器................................................ 283
6.1 光纤陀螺仪.......................................................... 283
6.1.1 干涉型光纤陀螺仪................................................283
6.1.2 光纤布里渊激光陀螺仪............................................291
6.1.3 谐振型光纤陀螺仪................................................292
6.2 光纤水听器.......................................................... 293
6.2.1 光纤水听器基本结构..............................................293
6.2.2 声传感器阵列和复用..............................................298
6.2.3 低噪声激光光源.................................................. 300
6.3 光纤法拉第传感器................................................... 301
6.3.1 光纤中的法拉第效应..............................................301
6.3.2 基于法拉第效应的电流传感器..................................... 303
6.3.3 法拉第磁场传感器................................................305
6.4 基于表面等离子体效应的光纤传感器................................ 307
6.4.1 表面等离子体效应................................................308
6.4.2 基于表面等离子激元波的传感器................................... 311
习题.......................................................................313
参考文献.................................................................. 314
第7章非本征光纤法布里--珀罗干涉仪传感器.............................. 322
7.1非本征光纤F-P传感器的结构和基本原理........................... 322
7.1.1光纤F-P器件的基本结构.........................................322
7.1.2 F-P 干涉仪的基本特性........................................... 324
7.2高斯光束F-P干涉仪的理论......................................... 327
7.2.1 基本模型和理论分析..............................................327
7.2.2 斐索干涉仪近似.................................................. 329
7.3光纤F-P传感器的基本特性和性能.................................. 330
7.3.1非本征光纤F-P传感器的灵敏度.................................. 330
7.3.2 测量传感的线性范围和动态范围................................... 332
7.3.3光纤F-P传感器的解调和稳定性.................................. 333
7.3.4光纤F-P传感器的频率响应.......................................336
7.4光纤F-P传感器的应用及相关技术问题............................. 339
7.4.1 声源的定位...................................................... 339
7.4.2 在原子力显微镜中的应用......................................... 340
7.4.3光纤F-P传感器的应用实例.......................................341
习题.......................................................................343
参考文献.................................................................. 343
附录A数学公式............................................................ 348
A.1 贝塞尔方程和贝塞尔函数........................................... 348
A.2龙格–库塔方法...................................................... 352
A.3 一阶线性微分方程...................................................352
A.4 里卡蒂方程..........................................................352
A.5 艾里方程和艾里函数................................................ 353
附录B弹性力学基础........................................................354
B.1 应变、应力和胡克定律.............................................. 354
B.2 坐标系之间的变换...................................................357
B.3 平面形变问题....................................................... 358
B.4 板和杆的应力平衡...................................................359
B.5 弹光效应............................................................ 362
B.6 各向同性介质内的弹性波........................................... 363
附录C偏振光学基础........................................................364
C.1 偏振光和琼斯矢量...................................................364
C.2 斯托克斯矢量和庞加莱球........................................... 365
C.3 各向异性介质光学...................................................366
C.4 琼斯矩阵和米勒矩阵................................................ 367
C.5 琼斯矢量和斯托克斯矢量的测量.................................... 370
附录D相关材料和器件的性能参数......................................... 372
D.1 光纤连接器..........................................................372
D.2 材料器件参数表..................................................... 374
索引........................................................................... 377
后记........................................................................... 391
1.1 历史回顾和展望........................................................ 1
1.2 光纤传感器的分类和应用.............................................. 2
1.3 本书各章内容提要..................................................... 4
参考文献.................................................................... 5
第2 章光导纤维基础..........................................................7
2.1 光导纤维简介.......................................................... 7
2.1.1 光纤的基本结构和制备.............................................. 7
2.1.2 光纤的基本特性.................................................... 9
2.1.3 光纤的分类....................................................... 12
2.2 阶跃折射率光纤的电磁场理论........................................ 13
2.2.1 圆柱坐标系的麦克斯韦方程........................................ 13
2.2.2 边界条件和本征值方程.............................................16
2.2.3 弱导近似、混合模和线偏振模....................................... 19
2.2.4 场分布和偏振特性................................................. 21
2.2.5 多模光纤和包层模................................................. 26
2.2.6 光脉冲在光纤中的传输.............................................29
2.3 梯度折射率光纤的基本理论........................................... 31
2.3.1 非均匀介质中的射线方程...........................................31
2.3.2 梯度折射率光纤的射线光学........................................ 34
2.3.3 梯度折射率光纤的波动光学........................................ 38
2.3.4 梯度折射率透镜的基本特性........................................ 42
2.4 特种光纤.............................................................. 43
2.4.1 稀土掺杂光纤和双包层光纤........................................ 43
2.4.2 保偏光纤......................................................... 45
2.4.3 光子晶体光纤和微结构光纤........................................ 48
习题........................................................................ 51
参考文献................................................................... 52
第3 章光纤敏感性和光纤器件............................................... 58
3.1 光纤对所处物理条件的敏感性........................................ 58
3.1.1 光纤对轴向应变的敏感性...........................................58
3.1.2 光纤对侧向压力的敏感性...........................................59
3.1.3 光纤弯曲导致的双折射.............................................64
3.1.4 光纤扭转导致的偏振模交叉耦合和偏振旋转.......................... 67
3.1.5 光纤弯曲损耗..................................................... 70
3.1.6 光纤中的机械振动和波.............................................73
3.1.7 光纤的温度敏感性................................................. 74
3.2 光纤耦合器........................................................... 75
3.2.1 2×2 光纤耦合器的结构和制备...................................... 75
3.2.2 光纤耦合器的基本特性和理论分析.................................. 76
3.2.3 N × N 和1 × N 星型光纤耦合器................................... 85
3.2.4 轴向模式耦合和锥形光纤...........................................88
3.3 基于耦合器的光纤环路器件........................................... 91
3.3.1 光纤萨格纳克环................................................... 91
3.3.2 光纤单向环....................................................... 98
3.3.3光纤马赫–曾德尔干涉仪和迈克耳孙干涉仪.......................... 102
3.3.4 基于3 × 3 耦合器的光纤环路器件................................. 106
3.4 光纤的偏振特性......................................................111
3.4.1 光纤中偏振态的演变..............................................111
3.4.2 偏振模色散的基本特性............................................123
3.4.3 自旋光纤和圆双折射光纤......................................... 125
3.4.4 法拉第旋转和旋光效应............................................126
3.5 光纤偏振器件........................................................ 128
3.5.1 光纤偏振器...................................................... 129
3.5.2 光纤偏振控制器.................................................. 131
3.5.3 光纤退偏器和扰偏器..............................................132
3.5.4 光纤光隔离器和环行器............................................135
习题.......................................................................137
参考文献.................................................................. 138
第4 章光纤光栅和相关器件................................................ 147
4.1 光纤光栅简介........................................................ 147
4.1.1 光纤光栅的基本结构和原理....................................... 147
4.1.2 光纤的光敏性.................................................... 149
4.1.3 光纤光栅的制备和分类............................................152
4.2 光纤光栅理论........................................................ 155
4.2.1 均匀光纤布拉格光栅理论......................................... 155
4.2.2 长周期光纤光栅理论..............................................161
4.2.3 非均匀光纤光栅基本理论......................................... 166
4.2.4 光纤光栅的逆工程设计............................................171
4.2.5 光纤光栅的切趾.................................................. 174
4.3 特种光纤光栅器件................................................... 176
4.3.1 多段结构光纤布拉格光栅......................................... 176
4.3.2 啁啾光纤布拉格光栅..............................................185
4.3.3 倾斜光纤布拉格光栅..............................................189
4.3.4 保偏光纤光栅.................................................... 195
4.3.5 纤内干涉仪和声光可调谐滤波器................................... 197
4.4 光纤光栅的敏感性和光纤光栅传感器................................ 199
4.4.1 光纤光栅的敏感性................................................199
4.4.2 光纤光栅的调谐.................................................. 201
4.4.3 光纤光栅器件的封装..............................................203
4.4.4 光纤光栅传感系统及其应用....................................... 207
习题.......................................................................210
参考文献.................................................................. 211
第5 章分布式光纤传感器...................................................223
5.1 光纤中的光散射......................................................223
5.1.1 弹性光散射...................................................... 223
5.1.2 非弹性光散射.................................................... 225
5.1.3 受激拉曼散射和受激布里渊散射................................... 227
5.2 基于瑞利散射的分布式光纤传感器.................................. 229
5.2.1 光时域反射仪.................................................... 229
5.2.2 偏振光时域反射仪................................................234
5.2.3 相干光时域反射仪和相敏光时域反射仪............................. 236
5.2.4 光频域反射仪.................................................... 239
5.3 基于拉曼散射的分布式传感器....................................... 241
5.3.1 光纤中的拉曼散射................................................241
5.3.2 分布式拉曼温度传感器............................................244
5.3.3 频域拉曼温度传感器..............................................246
5.4 基于布里渊散射的分布式光纤传感器................................ 247
5.4.1 光纤中的布里渊散射..............................................247
5.4.2 布里渊光时域反射仪..............................................250
5.4.3 布里渊光时域分析仪..............................................253
5.4.4 布里渊频域分析仪................................................257
5.5 基于光纤干涉仪的分布式传感器..................................... 258
5.5.1 干涉型光纤传感器的结构和特性................................... 259
5.5.2 分布式光纤传感系统中的低相干技术............................... 262
5.5.3 基于多模光纤中散斑效应和模式耦合的传感器.......................266
习题.......................................................................269
参考文献.................................................................. 270
第6 章特种用途光纤传感器................................................ 283
6.1 光纤陀螺仪.......................................................... 283
6.1.1 干涉型光纤陀螺仪................................................283
6.1.2 光纤布里渊激光陀螺仪............................................291
6.1.3 谐振型光纤陀螺仪................................................292
6.2 光纤水听器.......................................................... 293
6.2.1 光纤水听器基本结构..............................................293
6.2.2 声传感器阵列和复用..............................................298
6.2.3 低噪声激光光源.................................................. 300
6.3 光纤法拉第传感器................................................... 301
6.3.1 光纤中的法拉第效应..............................................301
6.3.2 基于法拉第效应的电流传感器..................................... 303
6.3.3 法拉第磁场传感器................................................305
6.4 基于表面等离子体效应的光纤传感器................................ 307
6.4.1 表面等离子体效应................................................308
6.4.2 基于表面等离子激元波的传感器................................... 311
习题.......................................................................313
参考文献.................................................................. 314
第7章非本征光纤法布里--珀罗干涉仪传感器.............................. 322
7.1非本征光纤F-P传感器的结构和基本原理........................... 322
7.1.1光纤F-P器件的基本结构.........................................322
7.1.2 F-P 干涉仪的基本特性........................................... 324
7.2高斯光束F-P干涉仪的理论......................................... 327
7.2.1 基本模型和理论分析..............................................327
7.2.2 斐索干涉仪近似.................................................. 329
7.3光纤F-P传感器的基本特性和性能.................................. 330
7.3.1非本征光纤F-P传感器的灵敏度.................................. 330
7.3.2 测量传感的线性范围和动态范围................................... 332
7.3.3光纤F-P传感器的解调和稳定性.................................. 333
7.3.4光纤F-P传感器的频率响应.......................................336
7.4光纤F-P传感器的应用及相关技术问题............................. 339
7.4.1 声源的定位...................................................... 339
7.4.2 在原子力显微镜中的应用......................................... 340
7.4.3光纤F-P传感器的应用实例.......................................341
习题.......................................................................343
参考文献.................................................................. 343
附录A数学公式............................................................ 348
A.1 贝塞尔方程和贝塞尔函数........................................... 348
A.2龙格–库塔方法...................................................... 352
A.3 一阶线性微分方程...................................................352
A.4 里卡蒂方程..........................................................352
A.5 艾里方程和艾里函数................................................ 353
附录B弹性力学基础........................................................354
B.1 应变、应力和胡克定律.............................................. 354
B.2 坐标系之间的变换...................................................357
B.3 平面形变问题....................................................... 358
B.4 板和杆的应力平衡...................................................359
B.5 弹光效应............................................................ 362
B.6 各向同性介质内的弹性波........................................... 363
附录C偏振光学基础........................................................364
C.1 偏振光和琼斯矢量...................................................364
C.2 斯托克斯矢量和庞加莱球........................................... 365
C.3 各向异性介质光学...................................................366
C.4 琼斯矩阵和米勒矩阵................................................ 367
C.5 琼斯矢量和斯托克斯矢量的测量.................................... 370
附录D相关材料和器件的性能参数......................................... 372
D.1 光纤连接器..........................................................372
D.2 材料器件参数表..................................................... 374
索引........................................................................... 377
后记........................................................................... 391
方祖捷，中科院上海光光机所研究员、博士生导师。1964年毕业于复旦大学物理系，1968年毕业于复旦大学物理系半导体物理专业研究生。同年进入上海光机所所工作。长期从事半导体激光器、光电子器件及相关应用领域的科研工作。
光纤传感器是一种应用广泛、有重要实用价值的器件，它涉及光学、材料、电子学等众多学科领域。《光纤传感器基础》系统地论述了光纤传感技术的基础，是反映该领域近年来新进展的教科书和工具书。《光纤传感器基础》论述了光纤传感器的基本原理，用清晰的图示和基本公式解释其物理机理，介绍其主要结构、光学特性和基本性能。它不仅对高年级大学生和研究生的课程学习有一定指导作用，而且对该领域工作的研究者和工程技术人员有参考价值。《光纤传感器基础》由7 章组成。在引言之后，第2 章综述光纤的基本原理，包括电磁场理论和射线光学理论。第3 章论述光纤敏感性和光纤器件。第4 章分析各种结构的光纤光栅及其在传感技术中的应用。第5 章综述基于光纤内瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射的分布式光纤传感器。第6 章介绍几个有特殊应用意义的光纤传感器，包括光纤陀螺、光纤水听器、光纤法拉第传感器和基于表面等离子元的传感器。第7 章讨论光纤法布理.珀*涉仪传感器。附录提供有关的数学公式、弹性力学基础、偏振光学基础、相关材料和器件的性能参数。
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