1、關(guān)于光纖傳感系統(tǒng)第一張，PPT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月3.1 光纖傳感系統(tǒng)的組成光源傳感頭光電探測(cè)器信號(hào)處理光纖（光纖或非光纖）（信號(hào)接收）被測(cè)參量光纖傳感系統(tǒng)主要包括光源、傳感頭（光纖或非光纖）、傳輸光纖和光纖器件以及光電探測(cè)器等。當(dāng)光電探測(cè)器完成了傳感信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換后，光信號(hào)的處理就變成了電信號(hào)的處理問(wèn)題。第二張，PPT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月3.2 光纖 光纖是光導(dǎo)纖維的簡(jiǎn)寫(xiě)，是一種利用光在玻璃或塑料等制成的纖維中的全反射原理而實(shí)現(xiàn)光傳導(dǎo)的工具。 通常以高純度的石英玻璃為主,摻少量雜質(zhì)鍺、硼、磷等。材料:細(xì)長(zhǎng)的圓柱形，細(xì)如發(fā)絲(通常直徑為幾微米到幾百微米)形狀：第三張，P

2、PT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月結(jié)構(gòu)n1n2n1n2纖芯包層涂覆層護(hù)套 兩個(gè)同軸區(qū)，折射率較高的內(nèi)區(qū)稱(chēng)為纖芯，折射率較低的外區(qū)稱(chēng)為包層。通常，在包層外面還有一層起支撐保護(hù)作用的套層。第四張，PPT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月基本光學(xué)定義和定律光在均勻介質(zhì)中是沿直線(xiàn)傳播的，其傳播速度為： v=c/n 式中：c2.997105km/s，是光在真空中的傳播速度；n是介質(zhì)的折射率。 常見(jiàn)物質(zhì)的折射率： 空氣 1.00027；水 1.33；玻璃 (SiO2) 1.47折射率大的媒介稱(chēng)為光密介質(zhì)，反之稱(chēng)為光疏介質(zhì)光在不同的介質(zhì)中傳輸速度不同第五張，PPT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月折射-反射原

3、理 當(dāng)一束光線(xiàn)以一定的入射角1從光密介質(zhì)1射到光疏介質(zhì)2的分界面上時(shí)，一部分能量反射回原介質(zhì)；另一部分能量則透過(guò)分界面，在另一介質(zhì)內(nèi)繼續(xù)傳播。 第六張，PPT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月當(dāng)時(shí)，全反射臨界角 只有時(shí)，才能發(fā)生全反射第七張，PPT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月條件實(shí)現(xiàn)惠更斯-菲涅耳原理（不同入射角光纖在光纖中傳輸?shù)谋容^（設(shè)與入射臨界角 相對(duì)應(yīng)的光纖入射光的入射角 為當(dāng)時(shí)，入射光在光纖內(nèi)全反射傳輸；時(shí)，入射光在光纖內(nèi)部分傳輸，大部分泄露出光纖.當(dāng) 稱(chēng)為孔徑角，反映了光纖集光能力的大小第八張，PPT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月光纖傳光與數(shù)值孔徑n02maxn2n1數(shù)值孔徑：光

4、纖的數(shù)值孔徑取決于光纖的折射率，而與光纖的幾何尺寸無(wú)關(guān)。 NA表示光纖接收和傳輸光的能力。NA越大，光纖接收光的能力越強(qiáng)，從光源到光纖的耦合效率越高；但NA越大經(jīng)光纖傳輸后產(chǎn)生的信號(hào)畸變?cè)酱?，因而限制了信息傳輸容量。?yīng)適當(dāng)選擇NA。 第九張，PPT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 即使是最好的光纖，光從它的一端傳到另一端，強(qiáng)度也會(huì)有所減弱。光纖中的信號(hào)劣化與光纖的傳輸特性有關(guān)。光纖的傳輸特性主要是指光纖的損耗特性和色散特性。第十張，PPT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月光纖的損耗 光波在光纖中傳輸，隨著傳輸距離的增加，而光功率強(qiáng)度逐漸減弱，光纖對(duì)光波產(chǎn)生衰減作用，稱(chēng)為光纖的損耗（或衰減）。 式

5、中： 為光纖損耗 L 為光纖長(zhǎng)度 Pi、Po 分別為光纖輸入輸出功率第十一張，PPT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月光纖的損耗 光纖的損耗限制了光信號(hào)的傳播距離。光纖的損耗主要取決于吸收損耗、散射損耗、彎曲損耗三種損耗。 第十二張，PPT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月圓孔愛(ài)里吸收損耗散射損耗彎曲損耗光纖的損耗吸收損耗是由制造光纖材料本身以及其中的過(guò)渡金屬離子和氫氧根離子等雜質(zhì)對(duì)光的吸收而產(chǎn)生的損耗。光吸收系數(shù)調(diào)制光纖傳感器第十三張，PPT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月圓孔愛(ài)里光纖的損耗 散射損耗主要由材料微觀密度不均勻引起的瑞利散射和由光纖結(jié)構(gòu)缺陷(如氣泡)引起的散射產(chǎn)生的。 結(jié)構(gòu)缺陷散射

6、產(chǎn)生的損耗與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)。 吸收損耗散射損耗彎曲損耗第十四張，PPT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月圓孔愛(ài)里光纖的損耗光纖的彎曲有兩種形式：曲率半徑比光纖的直徑大得多的彎曲，稱(chēng)為彎曲或宏彎；光纖軸線(xiàn)產(chǎn)生微米級(jí)的彎曲，這種高頻彎曲習(xí)慣稱(chēng)為微彎。吸收損耗散射損耗彎曲損耗第十五張，PPT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月圓孔愛(ài)里光纖的損耗宏彎：在光纜的生產(chǎn)、接續(xù)和施工過(guò)程中，不可避免地出現(xiàn)彎曲。光纖有一定曲率半徑的彎曲時(shí)就會(huì)產(chǎn)生輻射損耗。當(dāng)曲率半徑減小時(shí)，損耗以指數(shù)形式增加。高階模比低階模容易發(fā)生宏彎損耗，可用彎曲的辦法濾掉高階模消逝場(chǎng)qqq qcqRCladdingCore場(chǎng)分布吸收損耗散射損耗彎曲損耗

7、第十六張，PPT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月圓孔愛(ài)里吸收損耗散射損耗彎曲損耗光纖的損耗 微彎的原因 光纖受到側(cè)壓力和套塑光纖遇到溫度變化時(shí)，光纖的纖芯、包層和套塑的熱膨脹系數(shù)不一致 導(dǎo)致的后果 造成能量輻射損耗微彎損耗第十七張，PPT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月圓孔愛(ài)里吸收損耗散射損耗彎曲損耗光纖的損耗高階模功率損耗低階模功率耦合到高階模抑制：在光纖外面一層彈性保護(hù)套利用：微彎調(diào)制型光纖傳感器第十八張，PPT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月光纖的色散 色散(Dispersion)是在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)，由于不同成分的光的時(shí)間延遲不同而產(chǎn)生的一種物理效應(yīng)。色散一般包括模間色散、材料色散和

8、波導(dǎo)色散。 第十九張，PPT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月圓孔愛(ài)里模間色散材料色散波導(dǎo)色散 模間色散是指多模傳輸時(shí)同一波長(zhǎng)分量的各傳導(dǎo)模的群速度不同而引起到達(dá)終端的光脈沖展寬的現(xiàn)象。僅發(fā)生于多模光纖光纖的色散第二十張，PPT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月圓孔愛(ài)里模間色散材料色散波導(dǎo)色散 材料色散是由于光纖的折射率隨波長(zhǎng)而改變，以及模式內(nèi)部不同波長(zhǎng)成分的光(實(shí)際光源不是純單色光)，其時(shí)間延遲不同而產(chǎn)生的。 這種色散取決于光纖材料折射率的波長(zhǎng)特性和光源的譜線(xiàn)寬度。 光纖的色散第二十一張，PPT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月圓孔愛(ài)里模間色散材料色散波導(dǎo)色散 波導(dǎo)色散是由于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)與波長(zhǎng)有關(guān)

9、而產(chǎn)生的， 它取決于波導(dǎo)尺寸和纖芯與包層的相對(duì)折射率差。光纖的色散第二十二張，PPT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月圓孔愛(ài)里光纖的色散 光纖具有不同的類(lèi)型，各種色散對(duì)各種光纖的影響也不同。 一、單模光纖的色散 由于單模光纖只傳輸一種模式，因而它不存在模間色散，只有模內(nèi)色散，即材料色散和波導(dǎo)色散。 通常，材料色散比波導(dǎo)色散大兩個(gè)量級(jí)。但是，在零色散區(qū)，材料色散與波導(dǎo)色散值大致相當(dāng)，只是兩者符號(hào)相反。對(duì)于石英光纖，其材料色散在 近似為零第二十三張，PPT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月圓孔愛(ài)里光纖的色散二、多模光纖的色散 對(duì)于多模光纖，模間色散通常占主導(dǎo)地位。如果把模間色散平衡掉，則剩下的是材料色

10、散和波導(dǎo)色散。此時(shí)，情況與單模傳輸類(lèi)似，不同的是這里的波導(dǎo)色散是多模波導(dǎo)色散。在多模光纖中，波導(dǎo)色散與材料色散相比，常?？梢院雎浴５诙膹?，PPT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月光纖的分類(lèi)光纖的分類(lèi)1.根據(jù)光纖能傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)目，可將其分為單模光纖和多模光纖。 區(qū)別：?jiǎn)文＃褐荒軅鬏斠环N模式的光纖多模：能同時(shí)傳輸多種模式的光纖A 傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)（定義） B 纖芯尺寸 單模：纖芯直徑?。?12m）多模：纖芯直徑大（50500m）第二十五張，PPT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月光纖的分類(lèi)光纖的分類(lèi)單模：折射率差小多模：折射率差大 C 纖芯-包層折射率差值 單模：不存在模間色散，具有比多模光纖大得 多

11、的帶寬 ，適于長(zhǎng)距離傳輸，用于相位 調(diào)制型或偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器； 多模：存在模間色散，只能用于短距離傳輸， 常用于強(qiáng)度調(diào)制型或傳光型光纖傳感器D 適用范圍 第二十六張，PPT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月光纖的分類(lèi)光纖的分類(lèi)在光纖中允許存在的模式數(shù)目 其中，g為光纖斷面折射率分布指數(shù)，決定光纖折射率沿徑向分布的規(guī)律；V 稱(chēng)為光纖的歸一化頻率，是一個(gè)反映光纖結(jié)構(gòu)特征的重要參數(shù)，單模光纖確切的判據(jù)是：V2.405 為波數(shù)，r為纖芯半徑，NA為光纖數(shù)值孔徑是否單模傳輸，與 (1) 光纖自身的結(jié)構(gòu)參數(shù)和 (2) 光纖中傳輸?shù)墓獠ㄩL(zhǎng)有關(guān)。第二十七張，PPT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 理論上的

12、截止波長(zhǎng)是單模光纖中光信號(hào)能以單模方式傳播的最小波長(zhǎng)。 截止波長(zhǎng)光纖的分類(lèi)光纖的分類(lèi) 截止波長(zhǎng)條件可以保證在最短光纜長(zhǎng)度上單模傳輸，并且可以抑制高次模的產(chǎn)生或可以將產(chǎn)生的高次模噪聲功率代價(jià)減小到完全可以忽略的地步。第二十八張，PPT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月光纖的分類(lèi)光纖的分類(lèi) 指描述單模光纖中光能集中程度的參量。模場(chǎng)直徑: 模場(chǎng)直徑越小，通過(guò)光纖橫截面的能量密度就越大。當(dāng)通過(guò)光纖的能量密度過(guò)大時(shí)，會(huì)引起光纖的非線(xiàn)性效應(yīng)，造成光纖系統(tǒng)的光信噪比降低，影響系統(tǒng)性能。 因此，對(duì)于傳輸光纖而言，模場(chǎng)直徑越大越好.第二十九張，PPT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月光纖的分類(lèi)光纖的分類(lèi)2.根據(jù)傳輸

13、的偏振態(tài)分布，單模光纖可分為非保偏光纖和保偏光纖。差別是前者不能傳輸偏振光，后者能。 保偏光纖又可以分為單偏振光纖、高雙折射光纖、低雙折射光纖和圓偏光纖。 只能傳輸一種偏振模式的光纖為單偏光纖；只能傳輸兩正交偏振模式、且傳播速度相差很大的光纖為高雙折射光纖，而傳播速度近于相等的光纖為低雙折射光纖；能傳輸圓偏振光的光纖為圓偏振光纖。第三十張，PPT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月光纖的分類(lèi)光纖的分類(lèi)3.根據(jù)纖芯折射率分布，可分為階躍型折射率光纖和梯度（漸變）折射率光纖。 纖芯折射率是均勻的，在纖芯和包層的分界處，折射率發(fā)生突變A 階躍型 B 梯度折射率型 折射率是按一定的函數(shù)關(guān)系隨光纖中心徑向距

14、離變化而變化，至纖芯區(qū)的邊沿時(shí)，降低到與包層區(qū)一樣。 第三十一張，PPT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月光纖的分類(lèi)光纖的分類(lèi)4.根據(jù)制造材料，可分為石英光纖、多組分玻璃纖維、塑料光纖、紅外光纖、液芯光纖、光子晶體光纖等光傳輸損耗低。一般低于1dB/km，目前已研制出在2.25m 波長(zhǎng)處損耗低達(dá)0.16dB/km 的單模光纖A 石英光纖 B 多組分玻璃纖維 纖芯-包層折射率可在較大范圍內(nèi)變化，有利于大NA光纖制作，但材料損耗大，在可見(jiàn)光波段一般為1dB/m。第三十二張，PPT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月光纖的分類(lèi)光纖的分類(lèi)C 塑料光纖優(yōu)點(diǎn)：重量輕，為石英光纖的1/31/2 。這在導(dǎo)彈、人造衛(wèi)

15、星、宇宙航行中有重要的應(yīng)用。韌性好。直徑為2mm 仍可自由彎曲而不斷裂，而玻璃光纖直徑大于500m 就不能彎曲。對(duì)不可見(jiàn)光透過(guò)性能好。光學(xué)塑料在可見(jiàn)光和近紅外波段的透過(guò)性能接近光學(xué)玻璃，在遠(yuǎn)紅外和紫外波段，透過(guò)率可以大于50%，比光學(xué)玻璃好。成本低，工藝簡(jiǎn)便。塑料的原材料比玻璃便宜，而且操作溫度通常在300以下，而玻璃光纖的制作則需要1000以上的高溫，工藝比玻璃光纖簡(jiǎn)單。第三十三張，PPT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月光纖的分類(lèi)光纖的分類(lèi)C 塑料光纖損耗大，一般在幾十到幾百分貝每公里，但在0.65 0.68m，波段得到了損耗為20dBkm 的塑料光纖缺點(diǎn)：耐熱性差。一般只能在-4080的溫

16、度范圍內(nèi)使用，只有少數(shù)塑料光纖可以在200附近工作。當(dāng)溫度低于-40時(shí)，塑料光纖將變硬、變脆。由于塑料熔點(diǎn)低，比玻璃易老化?？够瘜W(xué)腐蝕和表面磨損性能比玻璃差。在丙酮、醋酸乙臘或苯的作用下，光學(xué)性能會(huì)受到很大影響，表面易被劃傷，影響光學(xué)質(zhì)量。第三十四張，PPT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月光纖的分類(lèi)光纖的分類(lèi)C 塑料光纖 塑料光纖主要用作短距離照明或在監(jiān)控方面作傳光媒質(zhì)、內(nèi)窺鏡等，在這方面，塑料光纖可以與玻璃光纖競(jìng)爭(zhēng)，甚至可以部分地代替玻璃光纖。 塑料光纖與發(fā)光二極管和光探測(cè)器的耦合簡(jiǎn)單而且效率高，雖然它的損耗還大于石英光纖，但在120 米以?xún)?nèi)作傳輸媒質(zhì)使用，塑料光纖還比石英光纖優(yōu)越。第三十五

17、張，PPT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月光纖的分類(lèi)光纖的分類(lèi)D 紅外光纖可透過(guò)近紅外（15um）和中紅外（10um）的光波，在紅外探測(cè)與傳輸方面具有石英光纖無(wú)法替代的作用；極低的理論損耗極限(10-3dB/km)，因此在長(zhǎng)距離光纖通信，尤其是跨洋通信中具有極其誘人的前景。E 液芯光纖 采用液體材料作為芯料、聚合物材料作為皮層管，具有大芯徑，大數(shù)值孔徑、光譜傳輸范圍廣、傳光效率高等特點(diǎn)，尤其是在紫外光波段比普通的石英傳光束具有優(yōu)越的傳光效率，已廣泛應(yīng)用于傳感測(cè)量（溫度、電壓、折射率等）、紫外固化、熒光檢測(cè)、刑偵取證、光譜治療等。（南京春輝科技實(shí)業(yè)有限公司已有成熟產(chǎn)品 ）第三十六張，PPT共八十

18、七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月光纖的分類(lèi)光纖的分類(lèi)F 光子晶體光纖定義光子晶體光纖（photonic crystal fiber，PCF），又稱(chēng)多孔光纖或微結(jié)構(gòu)光纖，是由在纖芯周?chē)刂S向規(guī)則排列微小空氣孔構(gòu)成，通過(guò)這些微小空氣孔對(duì)光的約束，實(shí)現(xiàn)光的傳導(dǎo)。獨(dú)特的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，靈活的制作方法，使得PCF與常規(guī)光纖相比具有許多奇異的特性，有效地?cái)U(kuò)展和增加了光纖的應(yīng)用領(lǐng)域。第三十七張，PPT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月光纖的分類(lèi)光纖的分類(lèi)F 光子晶體光纖就結(jié)構(gòu)而言，PCF可分為實(shí)心光纖和空心光纖實(shí)心光纖是將石英玻璃毛細(xì)管以周期性規(guī)律排列在石英玻璃棒周?chē)墓饫w；空心光纖是將石英玻璃毛細(xì)管以周期性規(guī)律排列在

19、石英玻璃管周?chē)墓饫w。光子晶體光纖技術(shù)中最具革命性創(chuàng)新，通過(guò)在光纖包層中產(chǎn)生光子帶隙將光限制在中央的空心核中傳播第三十八張，PPT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月光纖的分類(lèi)光纖的分類(lèi)F 光子晶體光纖折射率導(dǎo)光機(jī)理光子能隙導(dǎo)光機(jī)理按導(dǎo)光機(jī)理來(lái)說(shuō)，PCF可以分為兩類(lèi)：第三十九張，PPT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月光纖的分類(lèi)光纖的分類(lèi)折射率導(dǎo)光機(jī)理周期性缺陷的纖芯折射率（石英玻璃）和周期性包層折射率（空氣）之間有一定差別，從而使光能夠在纖芯中傳播，這種結(jié)構(gòu)的PCF導(dǎo)光機(jī)理依然是全內(nèi)反射。但與常規(guī)G.652光纖有所不同，由于包層包含空氣，使得空芯PCF中的小孔尺寸比傳導(dǎo)光的波長(zhǎng)還小，所以這種機(jī)理稱(chēng)

20、為改進(jìn)的全內(nèi)反射（Modified Total Internal Reflection）。第四十張，PPT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月光纖的分類(lèi)光纖的分類(lèi)光子能隙導(dǎo)光機(jī)理 在空心PCF中形成周期性的缺陷是空氣，傳輸機(jī)理是利用包層光子晶體對(duì)一定波長(zhǎng)的光形成光子能隙，光波只能在空氣芯形成的缺陷中存在和傳播（光子帶隙效應(yīng)（Photonic Bandgap Effect）。傳輸機(jī)理具體解釋?zhuān)旱谒氖粡?，PPT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月光纖的分類(lèi)光纖的分類(lèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活，具有各種各樣的小孔結(jié)構(gòu)；纖芯和包層折射率差可以很大；纖芯可以制成多種樣式；包層折射率是依波長(zhǎng)而變的函數(shù)，包層性能反映在波長(zhǎng)尺度

21、上PCF的特點(diǎn)：第四十二張，PPT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月光纖的分類(lèi)光纖的分類(lèi)無(wú)截止單模( Endlessly Single Mode) 不同尋常的色度色散 優(yōu)良的雙折射效應(yīng) 易于實(shí)現(xiàn)多芯傳輸 PCF的特性：第四十三張，PPT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月光纖的分類(lèi)光纖的分類(lèi)PCF應(yīng)用領(lǐng)域高功率低損耗近紅外激光傳輸脈沖整形，脈沖壓縮非線(xiàn)性光學(xué)光纖傳感領(lǐng)域 第四十四張，PPT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月3.3 光源光纖傳感器所選用的光源類(lèi)型的意義 決定了此傳感器的工作模式、信號(hào)處理方法、分辨率、靈敏度及測(cè)量精度；光源的作用： 將電信號(hào)電流轉(zhuǎn)換為光信號(hào)功率；選擇光源應(yīng)考慮的因素 光源

22、的波長(zhǎng)、尺寸、輸入輸出功率、穩(wěn)定性、相干性、光譜特性，與光纖的耦合難易程度以及價(jià)格等；第四十五張，PPT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月本章內(nèi)容光波：波長(zhǎng)為10106nm的電磁波可見(jiàn)光：波長(zhǎng)380780nm紫外線(xiàn)：波長(zhǎng)10380nm， 波長(zhǎng)300380nm稱(chēng)為近紫外線(xiàn) 波長(zhǎng)200300nm稱(chēng)為遠(yuǎn)紫外線(xiàn) 波長(zhǎng)10200nm稱(chēng)為極遠(yuǎn)紫外線(xiàn)，紅外線(xiàn)：波長(zhǎng)780106nm 波長(zhǎng)3m（即3000nm）以下的稱(chēng)近紅外線(xiàn) 波長(zhǎng)超過(guò)3m 的紅外線(xiàn)稱(chēng)為遠(yuǎn)紅外線(xiàn)?；局R(shí)第四十六張，PPT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月本章內(nèi)容激光器（相干光源） 按工作方式分類(lèi)： 激光器的工作原理：連續(xù)式（功率可達(dá)104 W）脈

23、沖式（瞬時(shí)功率可達(dá)1017W /cm2 ）自由輻射、受激吸收和受激輻射激光物質(zhì)激勵(lì)能源光學(xué)諧振腔產(chǎn)生激光必要條件1. 實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn).使原子被激發(fā).要實(shí)現(xiàn)光放大 第四十七張，PPT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月本章內(nèi)容激光器（相干光源）激光的形成過(guò)程 工作物質(zhì) 激勵(lì)、受激輻射 自激振蕩增益 外界能量注入（泵浦） 光學(xué)諧振腔第四十八張，PPT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月1 半導(dǎo)體光源 半導(dǎo)體光源是光纖系統(tǒng)中最常用的也是最重要的光源。其主要優(yōu)點(diǎn)是體積小、重量輕、可靠性高、使用壽命長(zhǎng)，頻率可調(diào)制、供電電源簡(jiǎn)單等。它與光纖的特點(diǎn)相容，因此，在光纖傳感器和光纖通信中得到廣泛應(yīng)用。第四十九張，PPT

24、共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月半導(dǎo)體光源分為發(fā)光二極管（LED）和半導(dǎo)體激光器（LD）。聯(lián)系：發(fā)光波長(zhǎng)由半導(dǎo)體的能隙決定； 常采用異質(zhì)結(jié)構(gòu)不同點(diǎn)：LD發(fā)射的是受激輻射光，LED發(fā)射的是自發(fā)輻射光；LD發(fā)射的是相干光，LED發(fā)射的是非相干光第五十張，PPT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月發(fā)光二極管（LED） 優(yōu)點(diǎn)： 輸出光功率較小，譜線(xiàn)寬，調(diào)制頻率較低。不適于需要功率高、調(diào)制速度快、單色性好的光源的傳感器中。 性能穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)，輸出光功率線(xiàn)性范圍寬， 而且制造工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，可用于簡(jiǎn)易的光纖傳感器，大大降低成本。不足：第五十一張，PPT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 半導(dǎo)體激光器（LD）

25、 優(yōu)點(diǎn)： 長(zhǎng)時(shí)間工作后性能退化，甚至變質(zhì)； 單色性和方向性不好。 效率高、體積小，波長(zhǎng)范圍較寬，價(jià)格低，在光纖傳感中使用非常方便，特別是在光纖混合傳感器中，常用較大功率的LD作為光源，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換后給傳感器探頭提供電功率，已實(shí)現(xiàn)溫度、壓力等傳感系統(tǒng)實(shí)用化。 不足：第五十二張，PPT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月超輻射發(fā)光二極管（SLED）：兼具LD輸出功率高和LED輸出光譜寬的特點(diǎn)，且具有短相干長(zhǎng)度，但價(jià)格比二者均高。 應(yīng)用：光纖陀螺、光相干層析成像（OCT）、分布式光纖傳感、白光干涉儀等光纖傳感系統(tǒng)第五十三張，PPT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 最常用的氣體激光源有： 工作波長(zhǎng)為0.6

26、33 um或1.15 um的氦氖激光器工作波長(zhǎng)為10.6um的二氧化碳激光器工作波長(zhǎng)為457 514 nm 的氬離子激光器2 氣體激光器 缺陷：體積較大，使用不方便，多用于實(shí)驗(yàn)系 統(tǒng)中，而在實(shí)際傳感系統(tǒng)中應(yīng)用較少。 以氣體或金屬蒸氣作為主要工作物質(zhì)的激光器。 優(yōu)點(diǎn)：相干度高，可產(chǎn)生高連續(xù)功率。 第五十四張，PPT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月特點(diǎn)：極好的單色性、高度的相干性和很強(qiáng)的方向 性（發(fā)散角?。?，價(jià)格適中，實(shí)驗(yàn)室常用。氦氖（He-Ne）激光器組成:放電管(充有工作物質(zhì)氦氣氖氣的玻璃管及電極)、輸出鏡及全反鏡(光學(xué)諧振腔)、電源(激勵(lì)裝置)實(shí)際組成:激光器(放電管、輸出鏡及全反鏡)與電源

27、按放電管與輸出鏡、全反鏡連接方式：內(nèi)腔式、外腔式及半外腔式第五十五張，PPT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 使用時(shí)諧振腔不用調(diào)節(jié)，價(jià)格低，使用方便。內(nèi)腔式氦氖激光管優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)：?jiǎn)文］敵黾す夤β实?。工作過(guò)程中放電管受熱變形時(shí)，諧振腔反射鏡會(huì)偏離相互平行位置，造成器件損耗增加，輸出功率下降。激光管越長(zhǎng)，其熱穩(wěn)定性越差，所以?xún)?nèi)腔式激光管的長(zhǎng)度一般不超過(guò)一米。當(dāng)諧振腔反射鏡損壞后，不易更換，反射鏡內(nèi)表面污染后也無(wú)法清除。第五十六張，PPT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月外腔式氦氖激光管輸出鏡、全反鏡安裝在諧振腔調(diào)節(jié)架上，諧振腔調(diào)節(jié)架安裝在激光器支架兩端，放電管(激光管)安裝在諧振腔調(diào)節(jié)架之間的激光器

28、支架上 結(jié)構(gòu)：第五十七張，PPT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月外腔式氦氖激光管優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)：?jiǎn)文?、線(xiàn)偏振輸出、激光功率大、輸出功率穩(wěn)定性高；由于諧振腔鏡與放電管分離，放電管的熱變形對(duì)諧振腔影響較小，加上諧振腔可以調(diào)整，因此，長(zhǎng)期使用中能保持穩(wěn)定輸出。結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格高； 由于諧振腔鏡與放電管分離，相對(duì)位置易改變， 需要經(jīng)常調(diào)整， 使用不方便。第五十八張，PPT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 按激光器工作時(shí)放電管產(chǎn)生的熱量對(duì)激光器支架不同的影響，激光器支架可分為散熱型激光器支架（激光器輸出功率始終有明顯慢漂移 ）、隔熱型激光器支架（機(jī)殼外形體積較大 ）、保溫型激光器支架三種結(jié)構(gòu)。目前普遍采用保溫

29、型激光器支架。第五十九張，PPT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月激光器體積小，重量輕，輸出功率穩(wěn)定性高 保溫型激光器支架結(jié)構(gòu) 第六十張，PPT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月半外腔式氦氖激光管 左端結(jié)構(gòu)與外腔式相同：輸出鏡安裝在一諧振腔調(diào)節(jié)架上，諧振腔調(diào)節(jié)架安裝在激光器支架一端，放電管安裝在激光器支架上。右端與內(nèi)腔相同：全反鏡直接封接在放電管另一端外側(cè)的玻璃外套管上(半外腔式氦氖激光器為非常規(guī)產(chǎn)品，通常需要定做) 結(jié)構(gòu)：第六十一張，PPT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月半外腔式氦氖激光管優(yōu)缺點(diǎn)介于內(nèi)、外腔式之間；為非常規(guī)產(chǎn)品，通常需要定做。第六十二張，PPT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月功率

30、高（數(shù)瓦），是目前可見(jiàn)光區(qū)域輸出功率最高的連續(xù)工作激光器。優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)：價(jià)格高，效率低，使用不便應(yīng)用：對(duì)于非線(xiàn)性效應(yīng)和大面積受相干光照射的全息處理有用 氬離子（Ar）激光器第六十三張，PPT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月工作在紅外區(qū)，具有高效性，在脈沖工作方式下產(chǎn)生幾千瓦的功率，在連續(xù)工作時(shí)，產(chǎn)生幾瓦的功率優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)：價(jià)格高，使用不便應(yīng)用：加工（焊接、切割、打孔等），通訊、雷達(dá)、化學(xué)分析，激光誘發(fā)化學(xué)反應(yīng)，外科手術(shù)等方面 二氧化碳（CO2）激光器第六十四張，PPT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月3 固體激光器根據(jù)工作物質(zhì)分類(lèi)： 紅寶石激光器，波長(zhǎng)：694.3nm； Nd:YAG激光器，波長(zhǎng)：1

31、.06m； 釹玻璃激光器：波長(zhǎng):1.06m； 輸出能量大、峰值功率高、器件結(jié)構(gòu)緊、便于光纖耦合、使用壽命長(zhǎng)和單元技術(shù)成熟等。優(yōu)點(diǎn)：固體激光器即激光物質(zhì)為固體的激光器。第六十五張，PPT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 可以用于測(cè)量吸收光譜，如測(cè)量由污染物產(chǎn)生 的瑞利、喇曼散射光譜; 可用于超長(zhǎng)距離的測(cè)量，如月球到地球的離 可利用紅寶石激光器的熒光熱效應(yīng)來(lái)測(cè)量環(huán)境 溫度等。固體激光器的在光纖傳感應(yīng)用： 常用惰性氣體放電燈泵浦效率低，熱效應(yīng)嚴(yán)重，限制了輸出功率的進(jìn)步提高和光束質(zhì)量的改善。不足：第六十六張，PPT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月4 光纖激光器 光纖激光器是指用摻稀土元素的光纖作為激光

32、介質(zhì)的激光器，屬于固體激光器。 根據(jù)摻雜離子的不同以及兩端起反射鏡功能機(jī)理的不同，可以分為稀土類(lèi)摻雜光纖激光器、光纖光柵激光器、非線(xiàn)性效應(yīng)光纖激光器、單晶光纖激光器、塑料光纖激光器、光孤子激光器、放大自發(fā)輻射ASE光源、光子晶體光纖激光器等。第六十七張，PPT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月優(yōu)勢(shì)：閾值低，增益高;利用定向耦合和Bragg反射，可制作窄線(xiàn)寬、可調(diào)諧光纖激光器;光纖導(dǎo)出，與現(xiàn)有的光纖器件完全兼容，能很好地與光纖耦合，能進(jìn)行全光纖測(cè)試，可傳輸系統(tǒng)光源，這在任何光系統(tǒng)、光器件的設(shè)計(jì)中都是及其珍貴也及其重要的；光纖制造成本低、技術(shù)成熟及其光纖的可繞性所帶來(lái)的小型化、集約化優(yōu)勢(shì)；第六十八張

33、，PPT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月優(yōu)勢(shì)：諧振腔內(nèi)無(wú)光學(xué)鏡片，具有免調(diào)節(jié)、免維護(hù)、高穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)，這是傳統(tǒng)激光器無(wú)法比擬的；勝任惡劣的工作環(huán)境，對(duì)灰塵、震蕩、沖擊、濕度、溫度具有很高的容忍度；熱效應(yīng)低，不需熱電制冷和水冷，只需簡(jiǎn)單的風(fēng)冷；高功率,目前商用化的光纖激光器是六千瓦；高的電光效率：綜合電光效率高達(dá)20%以上，大幅度節(jié)約工作時(shí)的耗電，節(jié)約運(yùn)行成本。 第六十九張，PPT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月在光纖傳感中的有著十分重要的地位：光纖激光器具有效率高、可調(diào)諧、穩(wěn)定性好、緊湊小巧、重量輕和光束質(zhì)量好等優(yōu)異性能； 光纖激光器和光纖傳感器能相互兼容，光纖激光器產(chǎn)生的激光可以很容易耦合到

34、傳感器中；光纖激光器既可以作為傳感器的優(yōu)質(zhì)光源，自身也可作為傳感器，在傳感中有著廣闊的應(yīng)用前景。特別是用作光纖時(shí)域發(fā)射（OTDR）測(cè)量的強(qiáng)光源以及光纖陀螺的寬帶發(fā)射源。 第七十張，PPT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月光源中常用概念：功率dBm和瓦特之間換算：dBm=30+10lgW; lgW=(dBm-30)/10波數(shù)(cm-1)=104/波長(zhǎng)(um)=107/波長(zhǎng)(nm)線(xiàn)寬： 第七十一張，PPT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月3.4 光電探測(cè)器光電探測(cè)器： 光電探測(cè)器是一種將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件，它實(shí)現(xiàn)光電信息轉(zhuǎn)換是基于物質(zhì)在光作用下釋放出電子這一物理現(xiàn)象(即光電效應(yīng))。外特性參數(shù)：

35、 光譜響應(yīng)特性，光電靈敏度，暗電流和噪聲特性第七十二張，PPT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月線(xiàn)性好，按比例地將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；靈敏度高，能敏感微小的輸入光信號(hào)，并輸出較大的電信號(hào)；響應(yīng)頻帶寬、響應(yīng)速度快、動(dòng)態(tài)特性好；性能穩(wěn)定、噪聲小等。光纖傳感器用光探測(cè)器的要求第七十三張，PPT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月光譜響應(yīng)特性輸出光電流的相對(duì)值與輸入光信號(hào)波長(zhǎng)的關(guān)系曲線(xiàn)歸一化光譜響應(yīng)曲線(xiàn): 把響應(yīng)的相對(duì)最大值作為1截止波長(zhǎng):峰值響應(yīng)波長(zhǎng) : 響應(yīng)度最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)當(dāng)光波長(zhǎng)偏離 時(shí)，響應(yīng)度便下降。當(dāng)響應(yīng)度下降到其峰值的50時(shí)，所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)第七十四張，PPT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 光電靈敏度 在給定波長(zhǎng)的入射光照射下，輸入單位光功率時(shí)，光探測(cè)器的輸出值。（光電轉(zhuǎn)換能力） 暗電流是指光探測(cè)器在反向電壓作用下沒(méi)有光輸入時(shí)的輸出電流。暗電流是一種噪聲，暗電流小的探測(cè)器性能穩(wěn)定，噪聲低，檢測(cè)弱信號(hào)的能力強(qiáng)。第七十五張，PPT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月光纖傳感器中常用光電探測(cè)器及特性第七十六張，PPT共八十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 PIN管是光電二極管中的一種。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間夾著一層（相對(duì)）很厚的本征半導(dǎo)體。這樣，PN結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)就基本上全集中于本征層中，從而使PN結(jié)雙電層的間距加寬，結(jié)電容變小。時(shí)間常數(shù)變小，頻帶變寬。 P-Si N-