光纤传感原理习题集

光纤传感原理习题集课本习题3.23.23.23.2试说明模式的含义及其特点，并比较光纤中的模式和自由空间的场解。答：①模式是光纤内部存在的稳定的电磁场模式，每个模型即模式可以认为是以特定传播角度传播的一个独立光束。②光纤中的模式表现为稳定的驻波；而自由空间中的场解为普通波，即任意的场分布。3.63.63.63.6试分析纤芯半距aaaa和模场半径SSSS的差别，以及定义两个参量的重要性。答：纤芯版半径a是光纤的结构参数；对单模频率归一化、单模光纤的设计有重要的意义。模场半径S是指光在光纤中传输时光场分布的大小；模场半径S定量描述了光斑的大小，为光纤模场耦合提供了依据。3.73.73.73.7试比较多模光纤和单模光纤色散产生的原因和大小。答：多模光纤由于各种模式之间的群速度不同而产生的色散以模式色散为主，色散较大。单模光纤一般由于轴的不对称性、材料及本身的结构而产生的弯曲色散、材料色散和波导色散，色散较小。3.83.83.83.8减小光纤中损耗的主要途径是什么？答：①减少光纤中的杂质（材料工艺）离子浓度。②提高制作工艺。③注意选用损耗较小的材料。3.93.93.93.9试分析影响单模光纤色散的诸因素，如何减小单模光纤的色散。答：单模光纤中存在材料色散和波导色散，波长对材料的折射率和传播常数有关，为了减小单模光纤中的色散，应选择具有合适的谱宽、波长和稳定的光源。3.103.103.103.10分析影响光纤中双折射的诸因素。答：①形状双折射：由于波导（光纤芯）几何形状不同而引入的双折射。②应力双折射：光纤受到外界应力而产生的双折射，如弯、扭、拉制作中的应力累积等。③温度双折射：光纤芯和包层热涨系数不同而产生的双折射。3.13.13.13.12222试分析比较各种光纤偏振器的基本原理。要制作一个光纤偏振器主要有哪些技术难点？试分析比较现有的各种解决方法。答：①a.光纤研磨偏振器：利用倏逝波耦合损耗的方向性，使特定方向模式完全衰减。b.单偏振光纤偏振器：只传输特定振动方向的偏振器c.光纤偏振控制器：利用弹光效应改变光纤中的双折射，形成波片效果。②研磨的参数设计，工艺控制、镀膜时的厚度要控制为1/4波长的整数倍。③通过泄漏能的检测来推算研磨深度3.183.183.183.18试分析光纤光栅的基本原理，由此讨论用光纤光栅可以构成哪些器件？分析其优缺点及应用前景。答：①光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，在纤芯内形成空间相位光栅，其作用实质上是纤芯内形成一个窄带的滤波器或者反射器。②滤波器、反射器、传感器等③优点：波长型，基于波长调制抗干扰能力强；传感探头结构尺寸小；测量结果重复性好，可靠性高。缺点：容易受应力和温度的交叉干扰；对温度的敏感对滤波效果有影响。前景：光栅的写入技术、传输和传感特性等技术的发展，使光纤光栅技术得以进一步运用在全光纤通信和传感网络中。半导体光源1.1.1.1.半导体激光器的结构与PNPNPNPN结二极管有何不同，其激光产生过程与其他激光器相比有何特点。答：①异：半导体激光器具有有源波导结构，是能产生激光的有源波导区，而PN结二极管不是。同：都是P-N结构②a.增益能带宽，能够产生多个波长b.能量注入型c.谐振腔短d.输出光有很强的发散性e.衍射系数大得多2.2.2.2.与气体激光器相比，半导体激光器输出分布有何特点？如何实现光束整形？答：发散角很大；可采用准直镜或目聚焦透镜准直3.3.3.3.总体半导体激光器的特性参数答：中心波长，标称功率，带宽（线宽），工作电压，前向电压4.4.4.4.半导体激光器组件由哪几部分组成，阐述其作用答：①管芯：发光部分②监控二极管：探测器管芯输出功率并进行反馈调节③热敏元件：监测温度并进行反馈控温④TE制冷器：控温执行机构光探测器1.1.1.1.简述光电二极管的主要参数及其物理意义答：①量子效率：光电效应中在某特定波长上美妙产生光子数与入射的量子数之比PeIhvPhveI=∴=ηη②响应度：表征其灵敏度的参量，为输入信号与输出辐射之间的关系参数PIRPVRsIsV==,③频率响应：响应随入射辐射的调制频率变化而变化的特征2/12])2(1[)(τπfRfR+=④噪声等效功率：SNR=1时入射到光电二极管的辐射通量NSVVPNEP/=⑤线性度：描述其光电特性，输入输出信号保持线性关系的程度，用非线性误差12maxII−∆=δ2.2.2.2.画出光电二极管的电路模型并予以分析答：如下图，光电二极管PN结工作在反向偏压状态，电流随光照强度的增加而上升。3.3.3.3.比较激光二极管与光电二极管的原理、结构与应用特点。答：激光二极管光电二极管原理注入电荷产生光光生电荷结构有波导结构PIN结构，APN结构，有光敏面应用特点用作光源，工作在正偏状态用于探测，PN结工作在反偏状态，可视为恒流源光纤传感原理（一）1.1.1.1.总结光纤传感的基本原理，举例说明各种传感方法的特点。答：略信号检测基本技术1.1.1.1.阐述相关信号检测的原理及实现技术答：相关检测技术是应用信号的周期性和噪声的随机性特点，通过自相关和互相关运算，提取有用信息并去掉噪声和干扰的一种技术。2.2.2.2.参数差分检测的优缺点，举例说明其实现技术。答：单/双光路微弱光信号检测优点：抑制共模干扰缺点：系统复杂3.3.3.3.推导马氏干涉仪相位信号的相干解调过程表达式答：)coscos(0tkvmmAϖφφ+=用Bessel函数展开)}sin(])12cos()()1(2[)cos(]2cos)()1(2)(cos{[1212100AmmnnnAmmnnnmtnJtnJJkvφϖφφϖφφ+−−−+=∴+∞=∞=∑∑提取一次谐波AmmtkJvφϖφsinsin)(211=相关检测AmJkvφφsin)(211’=4.4.4.4.推导马氏干涉仪位相信号的PGCPGCPGCPGC解调过程表达式])cos(cos[])cos(cos[22121φωφω++=+++=tCBAtCIIIIIcc答：用贝塞尔函数展开)}sin(])12cos()()1(2[)cos(]2cos)()1(2)({[121210φϖφϖtnCJtnCJCJBAIcnnncnnn+−−−++=+∞=∞=∑∑用微分交差相乘法①提取1,2次谐波φcos)(1aCBJI=，φsin)(2bCBJI=②经微分得'sin)('1aφφ⋅−=CBJI，'cos)('2bφφ⋅−=CBJI③交叉相乘并相减得''sin'cos''21222122212φφφφφJJBJJBJJBIIIIIabba=⋅+⋅=−=④再经积分时间从tt−0的积分高通得)()('02122120tJJBtJJBIdtIttφφ+==∫光纤陀螺技术概述1.1.1.1.光纤陀螺是哪一年提出来的，如何时间惯性转动量的测量答：略Sagnac效应及干涉1.1.1.1.写出sagnacsagnacsagnacsagnac效应的定义及基本表达式并说明每个符号的意义。答：光沿环形光纤相反方向传播，当环形干涉仪沿与面法线平行的轴旋转时，将产生一个正比于旋转速度的相位差Ω⋅=∆AR2c4ωφ∫×=dAr21A为环路围城的面积，ω为光波频率，c为光速，Ω为旋转角速度2.2.2.2.阐述互易sagnacsagnacsagnacsagnac干涉仪的基本原理，画出两种典型的互易光路结构图。答：①输入和输出光共光路，满足单模单偏振的原则②光路图开环光纤互易光路图闭环光纤互易光路图3.3.3.3.何为特征频率，写出表达式并揭示每个量的物理意义。答：①②τ∆=21pf，τ∆为光纤环中走一圈的时间。4.4.4.4.推导正弦波调制和方波调制时，sagnacsagnacsagnacsagnac干涉仪的输出信号表达式，说明两种工作状态下的信号参数要求。答：略光纤陀螺方案和技术1.1.1.1.描述开环光纤陀螺结构及信号检测原理，说明如何设置相位调制参数和如何实现位相调制深度的控制，推导控制方程。答：①a.光源经过耦合器后分成两路，其中一路经过偏振器调制后进入PZT调制器后到达调解环节；另一路进入探测器后进入调解环节，两路信号共同调解后进行信号处理可得到角速度的信号值。b.检测原理：相关检测②84.1b=φ③详见课件2.2.2.2.阐述斜波位相反馈机理，闭环光纤陀螺的原理和全数字闭环光纤陀螺的工作原理，关键参数，计算公式和方法。答：略By:leafinee