第9章光导纤维与光纤传感器.

第9章光导纤维与光纤传感器1.光导纤维基础知识2.光导纤维的应用3.光纤传感器的分类及构成4.功能型光纤传感器5.非功能型光纤传感器光导纤维(OpticalFiber)是20世纪后半叶人类的重要发明之一。它与激光器、半导体光电探测器一起构成了新的光电技术，即光电子学领域。光纤的最初研究是为了通讯，光纤传感器是伴随着光纤通讯和光电技术而发展起来N一种新型传感器。光纤传感器具有灵敏度高、响应速度快、动态范围大、防电磁干扰、超高电绝缘、防燃、防爆、体积小、耐腐蚀、材料资源丰富、成本低等优点。目前，发达国家正投人大量人力、物力、财力对光纤传感器进行研制与开发。光纤传感器的缺点是有的系统比较复杂。光纤传感器的应用与光电技术密切相关，因而光纤传感器也成为光电检测技术的重要组成部分。9．1光导纤维基础知识9．1．1光纤的结构光纤由纤芯、包层及外套组成，如图9−1所示。纤芯是由玻璃、石英或塑料等制成的圆柱体，一般直径约为5~150μm。围绕着纤芯的那一层叫包层，材料也是玻璃或塑料等。纤芯的折射率nl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，所以光纤具有使光束封闭在纤芯里面传输的功能。外套起保护光纤的作用，它的折射率n3大于包层的折射率n2。通常人们把较长的或多股的光纤称为光缆。9．1．2光纤的种类根据折射率的变化规律，光纤被分为阶跃型和梯度型两种。阶跃型光纤如图9−2(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(光线永远在通过轴线的一个平面运动，这种光线称为子午光线)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，中心轴线处折射率最大，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曲线。这种光纤又称为自聚焦光纤。图9−2(b)示出了经过轴线的子午光线传播的轨迹。9．1．3光纤的传输模式在纤芯内传播的光波，可以分解为沿轴向传播的和沿半径方向传播的平面波。沿半径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)过程中相位变化为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人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(几十微米以上)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。根据光纤的传输模式，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9−2(c)所示为单模光纤。9．1．4光纤的传光原理当光线以较小的入射角φ1(φφc，φc为临界角)由光密媒质(折射率为n1)射入光疏媒质(折射率为n2)时，如图9−3(a)所示，折射角φ2满足斯乃尔(Snell)法则，即nlsinφ1=n2sinφ2(9−1)若逐渐加大入射角φ1，当φ1=φc，折射角φ2=90°，如图9−3(b)所示。此时有12sinnnc(9−2)则临界角φc可由式(9−2)决定。若继续加大入射角φ1(即φ1φc)，光不再产生折射，而只有在光密媒质中的反射，即形成了光的全反射现象，如图9−3(c)所示。下面以阶跃型多模光纤为例，来说明光纤的传光原理。当光线从空气(折射率为n0)中射人光纤的一个端面，并与其轴线的夹角为θ0时，在光纤内折射成θ1，然后以φ1(φ1=90°−θ1)入射到纤芯与包层的交界面上，如图9−4(a)所示。若入射角φ1大于临界角φc，则人射的光线就能在交界面上产生全反射，并在光纤内部以同样的角度反复全反射向前传播，直至从光纤的另一端射出。若光纤两端同处于空气之中，则出射角也将为θ0。从空气中射人光纤的光并不一定都能在光纤中产生全反射。图9−4(a)中的虚线表示入射角θ0过大，光线不能满足要求(即φ1φc)，大部分光线将穿透包层而逸出，这叫漏光。即使有少量光反射回纤芯内部，但经过多次这样的反射后，能量几乎耗尽，以致基本没有光通过光纤传播出去。能产生全反射的最大入射角可以通过斯乃尔法则及临界角定义求得。即222101sinnnnc(9−3)于是，引入光纤的数值孔径NA这个概念，光纤的数值孔径NA表示为NAnnnc222101sin(9−4)式中，n0光纤周围媒质的折射率。对于空气，n0=1。数值孔径NA是光纤的一个基本参数，它决定了能被传播的光束的半孔径角的最大值θc，反映了光纤的集光能力。当NA=1时，集光能力达到最大。从式(9−4)可以看出，纤芯与包层的折射率差值越大，数值孔径就越大，光纤的集光能力就越强。石英光纤的NA=0.2～0.4。9．1．5光纤的传输特性表征光信号通过光纤时的特性参数有以下几个。1．传输损耗上面在讨论光纤的传光原理时，忽略了光在传播过程中的各种损耗。实际上，入射到光纤中的光，由于存在着费涅耳反射损耗、吸收损耗、全反射损耗及弯曲损耗等，其中一部分在途中就损失了。因此，光纤不可能百分之百地将入射光的能量传播出去。当光纤长度为L，输人与输出的光功率分别为Pi和P0时，光纤的损耗系数α可以表示为oiPPLlg10光纤损耗可归结为吸收损耗和散射损耗两类。物质的吸收作用将使传输的光能变成热能，造成光能的损失。光纤对于不同波长光的吸收率不同，石英光纤材料SiO2对光的吸收发生在波长0.16μm附近和8～12μm的范围。散射损耗是由于光纤的材料及其不均匀性或其几何尺寸的缺陷引起的。如瑞利散射就是由于材料的缺陷引起折射率随机性变化所致。光纤的弯曲也会造成散射损耗。这是由于光纤边界条件的变化，使光在光纤中无法进行全反射传输所致。光纤的弯曲半径越小，造成的散射损耗越大。2．色散所谓光纤的色散就是输入脉冲在光纤内的传输过程中，由于光波的群速度不同而出现的脉冲展宽现象。光纤色散使传输的信号脉冲发生畸变，从而限制了光纤的传输带宽，光纤色散有以下几种。(1)材料色散。材料的折射率随光波长λ的变化而变化，使光信号中各波长分量的光的群速度vg不同，因此而引起的色散称为材料色散(又称为折射率色散)。(2)波导色散。由于波导结构不同，某一波导模式的传播常数β随着信号角频率ω变化而引起的色散，称为波导色散(有时也称为结构色散)。(3)多模色散。在多模光纤中，由于各个模式在同一角频率ω下的传播常数不同、群速度不同，因此而产生的色散称为多模色散。多模色散是阶跃型多模光纤中脉冲展宽的主要根源，多模色散在梯度型光纤中大为减少，因为在这种光纤中不同模式的传播时间几乎彼此相等。在单模光纤中起主要作用的是材料色散和波导色散。采用单色光源(如激光器)，可有效地减小材料色散的影响。3．容量输入光纤的可能是强度连续变化的光束，也可能是一组光脉冲，由于存在光纤色散现象，会使脉冲展宽，造成信号畸变，从而限制了光纤的信息容量和品质。光脉冲的展宽程度可以用延迟时间来反映，设光源的中心频率为f0，带宽为Δf，某一模式光的传播常数为β，则总的延迟增量Δτ为022001ffdkdkffc式中，c为真空中的光速。cfk002cfk24．抗拉强度可以弯曲是光纤的突出优点。光纤的弯曲性与光纤的抗拉强度的大小有关系。抗拉强度大的光纤，不仅强度高，可挠性也好；同时，其环境适应性能也强。光纤的抗拉强度取决于材料的纯度、分子结构状态、光纤的粗细及缺陷等因素。5．集光本领光纤的集光本领与数值孔径有密切的关系。如图9−5所示，光纤的数值孔径NA定义为当光从空气中入射到光纤端面时的光锥半角的正弦，即NA=sinθc光锥的大小是使此角锥内所有方位的光线一旦进入光纤，就被截留在纤芯中，沿着光纤传播。对于阶跃型光纤，其数值孔径可表示为222101sinnnnNAc当光信号从空气中射人光纤时，数值孔径可表示为2221nnNA(9−5)数值孔径只决定于光纤的折射率，与光纤的尺寸无关。因此，光纤就可以做得很细，使之柔软可以弯曲，这是一般光学系统无法做到的。当光纤的数值孔径最大时，光纤的集光本领也最强。9．1．6光纤的耦合光纤的耦合分为强耦合和弱耦合两种。光纤强耦合是光纤纤芯间形成直通，传输模直接进入耦合臂。光纤弱耦合是通过光纤的弯曲，或使其耦合处成锥状。于是，纤芯中的部分传导模变为包层模，再由包层进入耦合臂中的纤芯，形成传导模。常用的耦合器有以下3种结构形式。(1)把每根光纤埋人玻璃块的弧形槽中，将其侧面研磨抛光，使光纤耦合处的包层厚度达到一定的要求，然后将两根光纤拼接在一起，如图9−6(a)所示。(2)将两根光纤稍加扭绞，用微火炬对耦合部位进行加热，在熔融过程中拉伸光纤，最后拉细成型，如图9−6(b)所示。此时，在两根光纤的耦合部位形成双锥区，两根光纤包层合并在一起，纤芯变细，形成了一个新的合成光波通路，从而构成弱耦合。(3)将光纤的局部外套去掉，腐蚀掉光纤耦合部位的大部分包层，并将两根光纤的纤芯紧紧接触在一起，然后进行加固。如图9−7所示，还可通过控制扭力或张力，调节光纤间距，以达到调节光纤耦合强弱的目的。9．2光导纤维的应用光导纤维除了应用于光通信、制作传感器外，还可以应用于导光和传像。9．2．1光纤在直接导光方面的应用利用光纤柔软可弯曲的特点，可按需要制成各种导光器。1．光纤照明器光纤照明器可以实现不同形状的照明或多路照明。图9−8所示是线状照明的例子，光源发出的光经透镜进入圆形光纤束的一端，另一端排成所需的形状输出光束。光纤输出端可以排成圆形、方形或三角形等多种形状，实现所需形状的光输出。图9−9所示是多路照明的例子，光源所发出的光会聚进入光纤束的一端，另一端按需要由多束光纤输出，分别照明所需照明的位置。在检测技术中光纤照明器常制成叉型，又叫Y形光纤耦合器，如图9−10所示。合成一端作为探头，探测待测信息；两支分束光纤一支接受光源的光，另一支输出返回探头的光，从而使光电探测器获得所需的光信息。待测信息可以是孔或平面的粗糙度、位置、尺寸、变形、压力等。这些信息按性质不同反应为光的强弱、光谱的变化或角分布变化等。Y形光纤耦合器可用不同的方式合成。一种是将两束光纤均匀混合排列；另一种是各占一半；第三种是中间是发射光纤束，周围是接收光纤束或两柱形光纤束并联。2．光纤束行扫描器利用直线一圆环光纤转换器和Z型导光管可以对移动目标实现图像信号的采集，如图9−11所示。条状光源照明移动的带状待测物的一行，线状排列的光纤将光源所照明的那一行物体的信息采入，并传递到光纤圆环上。Z型导光管以输出光轴为旋转轴扫描圆环，将圆环光纤输出信息按时序由聚光镜会聚于光电探测器上。光电探测器输出的时序信号就是对待测物的扫描信号。3．光纤直接导光的其他应用光纤直接导光的例子很多，例如对于多种光的合成，利用光纤比利用光学系统方便得多。又如激光手术刀就是利用光纤束传输激光，使激光能量以高入射功率密度(1～10W)聚焦在人体某部分组织表面上，辐射能为人体组织吸收、升温，最后气化而切除。激光加工、加热及海底供能等，采用光纤束传输能量是最佳的方案。9．2．2光纤制品在传像方面的应用完成传像功能的光纤制品主要是光纤传像束和硬性光纤器件(光纤面板、扭像器和光纤锥等)。1．各种内窥镜利用光纤传像束可弯曲的特点，可制成各种内窥镜，以实现对用一般光学方法难以观察到的地方进行窥视。目前内窥镜在医疗及工业工程中得到了广泛而又满意的应用。用医用内窥镜可以检查食道、胃、直肠、支气管、心脏、血液、骨关节、鼻咽和腹腔等部位。医用光纤内窥镜主要由光源及传光部分、成像部分、传像部分和观察记录部分组成。高强度光源，如150W的卤素灯或氙灯发出的光通量，经光纤传光束传至内窥镜的头部，照明欲测部位，待测物由物镜成像在光纤传像束的输入端面上，经传像束将待测物的像传至体外，供观察、照相或录像。2．光纤图像换向器在许多工作场合需要对多处目标进行切换观察，这可采用光纤图像换向系统来实现。如图9−12所示。它由目标图像采集系统、图像切换系统，以及观察和记录系统