第七章光纤传感检测技术

时间：2025-07-07

第七章光纤传感检测技术光纤传感器的基础

光纤的光波调制技术光纤传感器实例分布式光纤传感器

7.1 光纤传感器的基础1、光纤的结构光导纤维(Optical Fiber 简称光纤)又纤芯、

包层及外套组成。纤芯折射率大于包层折射率。光纤具有使光封闭在纤芯里面传输的功能。外套起保护作用。

2、光纤的种类 1)按制作材料高纯度石英玻璃纤维多组分玻璃光纤塑料光纤

2)按传输模式分单模光纤

多模光纤

3)按折射率分布特点分阶跃光纤梯度光纤

阶跃光纤4)按用途分通信光纤特殊光纤

梯度光纤

5)按制作方法分

化学气相沉积法、双坩埚/三坩埚法。

3、光纤的传输原理 1)光线传播解释

将光看作光线。光由光密介质向光疏介质传播，在满足一定条件时发生全反射。n2 sin c n1n2

全反入射角：n0 sin 0 n1 sin n1 (1 sin 1 )2 1 2

可得：n0 sin 0 n n NA2 1 2 2

NA称为数值孔径(Numerical Aperture)。 NA是光纤受光能力的标度。

标准多模光纤的NA公称值一般为0.2,孔径角为11.5o; 标准单模光纤的NA公称值一般为0.1~0.15, 孔径角约5.7o~8.6o

在梯度光纤中：在梯度光纤中的折射

在梯度光纤中的传播

自聚焦效应

2)波导传播解释

将光看作电磁波。用麦克斯韦方程解表示光波。

满足麦克斯韦方程的任一特解称为一种模式，简称模。任意电磁波可以看作多个模式的线性组合，同样满足麦克斯韦方程。电磁波主要有横模和纵模。

光波在光纤中传播存在三类模式：传输模(导模)、泄漏模(漏模)、辐射模导模：光功率限制在纤芯内传播的光波场，又称为芯模。包括横电模、横磁模和混合模。漏模：在纤芯内及距纤壁一定距离的包层中传播的光波场，又称为包层模。辐射模：在纤芯和包层中均为传输场，不满足全反射条件，模场能量向包层外溢出，光纤失去对光波场功率的限制作用。

三种模式： a)TEmn模。在轴向只有磁场分量H,而横截面上只有电场分量E。称为横电模。 b)TMmn模。在轴向只有电场分量E,而横截面上只有磁场分量H。称为横磁模。 c)HEmn模( EHmn模) 。轴向同时存在电场分量和磁场分量。称为混合模。m,n表示贝塞尔函数的阶及相应的根数。代表不同的模式。

不同模式的传输特性不同。若光纤中仅传播HE11基模，则因该模在芯心处最强，所以光纤输出的光斑是一个外围光强较弱的圆光斑。TE01模则因芯心处电场最弱，所以光纤输出光斑将在芯心处出现暗区。

电磁波可表示为：E ( , , z , t ) E ( , )e j ( t z )

β 为传播常

数。 kn1 cos 2

n1 cos

β 决定了在传播过程中等效在z方向上引入的相位变化值。光纤轴向相速度由ω /β 决定。

归一化频率为： 2 rNA / 0 2

2 r n12 n2

归一化频率是表征光纤中模式传播特性的重要参数。在一个给定结构参数的光纤中，允许存在的导模数目取决于v,v越大，允许存在的导模越多，反之亦然。当 v 2.2048 (阶跃光纤)或 v 3.401(平方分布率梯度光纤) 时，只允许一个模式(HE11)。 2 M gv /[2( g 2)]

M v /22

阶跃型梯度型

M v /42