光纖傳感技術(shù)與應用王英武漢工程大學理學院光學信息技術(shù)實驗室電話-mail：wangying.hust@QQ：7079150課程內(nèi)容1光纖傳感器2多傳感器的光網(wǎng)絡技術(shù)3光電傳感器中的光纖技術(shù)4光傳感信號處理技術(shù)5光傳感器的封裝技術(shù)6多傳感器信息融合技術(shù)7光電傳感技術(shù)在電力系統(tǒng)的應用8光電傳感技術(shù)在石油與化工行業(yè)的應用9光電傳感技術(shù)在生物、生醫(yī)生化領(lǐng)域的應用10光電傳感技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應用11光電傳感技術(shù)在國防領(lǐng)域的應用12光電傳感技術(shù)在環(huán)境保護與監(jiān)測中的應用課程內(nèi)容1.1概述1.2振幅調(diào)制傳感型光纖傳感器1.3相位調(diào)制傳感型光纖傳感器1.4偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器1.5波長調(diào)制型光纖傳感器1.6光纖熒光溫度傳感器1.7分布式光纖傳感器1.8聚合物光纖傳感器1.9光子晶體光纖及其在傳感中的應用1.10傳光型光纖傳感器1.11光纖傳感技術(shù)的發(fā)展趨勢及課題1.12小結(jié)1光纖傳感器光纖有很多的優(yōu)點，用它制成的光纖傳感器（FOS）與常規(guī)傳感器相比也有很多特點：抗電磁干擾能力強、高靈敏度、耐腐蝕、可撓曲、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、以及與光纖傳輸線路相容等。光纖傳感器可應用于位移、振動、轉(zhuǎn)動、壓力、彎曲、應變、速度、加速度、電流、磁場、電壓、濕度、溫度、聲場、流量、濃度、pH值等70多個物理量的測量，且具有十分廣泛的應用潛力和發(fā)展前景。一.光纖的結(jié)構(gòu)光纖是用光透射率高的電介質(zhì)(如石英、玻璃、塑料等)構(gòu)成的光通路。光纖的結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由折射率n1較大(光密介質(zhì))的纖芯，和折射率n2較小(光疏介質(zhì))的包層構(gòu)成的雙層同心圓柱結(jié)構(gòu)。圖1光纖的基本結(jié)構(gòu)與波導

二.傳光原理

光的全反射現(xiàn)象是研究光纖傳光原理的基礎(chǔ)。根據(jù)幾何光學原理，當光線以較小的入射角θ1由光密介質(zhì)1射向光疏介質(zhì)2(即n1＞n2)時(見圖2)，則一部分入射光將以折射角θ2折射入介質(zhì)2，其余部分仍以θ1反射回介質(zhì)1。圖2光在兩介質(zhì)界面上的折射和反射依據(jù)光折射和反射的斯涅爾(Snell)定律，有

(1)當θ1角逐漸增大，直至θ1=θc時，透射入介質(zhì)2的折射光也逐漸折向界面，直至沿界面?zhèn)鞑?θ2=90°)。對應于θ2=90°時的入射角θ1稱為臨界角θc；由式(1)則有

(2)

由圖(1)和圖(2)可見，當θ1＞θc時，光線將不再折射入介質(zhì)2，而在介質(zhì)(纖芯)內(nèi)產(chǎn)生連續(xù)向前的全反射，直至由終端面射出。這就是光纖傳光的工作基礎(chǔ)。同理，由圖1和Snell定律可導出光線由折射率為n0的外界介質(zhì)(空氣n0=1)射入纖芯時實現(xiàn)全反射的臨界角(始端最大入射角)為

(3)

式中NA——定義為“數(shù)值孔徑”。它是衡量光纖集光性能的主要參數(shù)。它表示：無論光源發(fā)射功率多大，只有2θc張角內(nèi)的光，才能被光纖接收、傳播(全反射)；NA愈大，光纖的集光能力愈強。產(chǎn)品光纖通常不給出折射率，而只給出NA。石英光纖的NA=0.2～0.4。1.1概述1.1.1光纖傳感器的定義及分類傳感型——利用外界因素改變光纖中光的振幅、相位、偏振態(tài)或波長傳感合一傳光型——利用其他敏感元件測得物理量后通過光纖進行數(shù)據(jù)傳輸外界因素入射透射光纖1.1.2光纖傳感器的特點抗電測干擾，電絕緣，耐腐蝕，本質(zhì)安全靈敏度高重量輕，體積小，外形可變測量對象廣泛對被測介質(zhì)影響小便于復用，便于成網(wǎng)成本低1.2振幅調(diào)制傳感型光纖傳感器利用外界因素引起的光纖中光強的變化來探測物理量等各種參量的光纖傳感器稱為振幅調(diào)制傳感型光纖傳感器；對被測介質(zhì)影響小改變微彎狀態(tài)改變耦合條件用來改變光纖中光強的辦法改變吸收特性改變折射率分布1.1.2光纖微彎傳感器原理：利用微彎損耗的變化，來探測外界物理量的變化。微彎損耗：多模光纖微彎時，部分芯模能量轉(zhuǎn)化為包層模能量。通過測量芯模能量或包層能量的變化來測量位移或振動等參量。光纖微彎傳感器原理圖1.1.2光纖受抑全內(nèi)反射傳感器

一、透射式原理：全內(nèi)反射缺點：需要精密的機械調(diào)整和固定裝置，不利于現(xiàn)場環(huán)境使用。

透射式光纖受抑全內(nèi)反射傳感器簡圖二、反射式原理：也可以利用外界介質(zhì)折射率變化，改變臨界全反射條件，使反射光強變?nèi)?，從而測量外界物理量變化。特點：這種結(jié)構(gòu)簡單，無機械固定裝置，穩(wěn)定性好

反射式光纖受抑全內(nèi)反射傳感器簡圖1.2.3光纖輻射傳感器原理：X射線、γ射線會使光纖的吸收損耗增加，輸出端功率下降。特點：靈敏度高、線性范圍大、“記憶”特性

結(jié)構(gòu)靈活、牢固可靠應用：小型儀器；核電、放射性物質(zhì)監(jiān)測1.3相位調(diào)制傳感型光纖傳感器原理：利用外界因素引起的光纖中光波相位變化來探測各種物理量。

靈敏度高——光學干涉法是已知最靈敏的探測技術(shù)之一靈活多樣——光纖探頭的幾何形狀可按使用要求設計對象廣泛——可測量眾多物理量，用于測量壓力、轉(zhuǎn)動、溫度、加速度、電流、磁場、液體成分等對光纖有特殊需要——傾向于使用同一模式產(chǎn)生干涉1.3.2光纖M-Z干涉儀和光纖Michelson干涉儀光纖M-Z干涉儀原理圖光纖Michelson干涉儀原理圖

當外界（溫度、壓力等）因素引起光纖長度L的機械變形和折射率n的變化，均可以引起一個臂中的相位發(fā)生變化，如（1-3-5）式式中光纖的傳播常數(shù)光纖長度光纖折射率光纖直徑

1.3.3光纖Sagnac干涉儀原理：在由同一光纖繞成的光纖圈中沿相反方向前進的兩光波，在外界因素作用下產(chǎn)生不同的相移。通過干涉效應進行檢測。理論：GeogeSagnac效應（1913年）發(fā)表

光纖Sagnac干涉儀原理圖見書（1-3-6）

見書（1-3-7）

數(shù)值舉例：

1.3.4光纖Fabry-Perot干涉儀

原理：用光纖或光纖器件構(gòu)成F-P干涉儀。本征型——兩端面鍍膜的一段光纖做為傳感器的主體；

非本征型——兩根光纖對在一起，單端面鍍膜，隔開一定間距封裝在一固定的管道內(nèi)。

光學F-P干涉儀原理示意圖兩個相應嚴格平行的光學反射膜，構(gòu)成光學諧振腔。（1-3-9）（1-3-10）（1-3-11）

光學相位本征型光纖F-P傳感器：兩端面鍍膜的一段光纖做為傳感器的主體；本征型光纖法-珀傳感器原理圖

非本征型光纖F-P傳感器：兩根光纖對在一起，單端面鍍膜，隔開一定間距封裝在一固定的管道內(nèi)。非本征型光纖法-珀傳感器原理圖

改進型非本征法-珀傳感器原理圖1.3.5光纖環(huán)形腔干涉儀

輸出特性決定于：光纖耦合器的耦合比、插損，光纖環(huán)的長度、傳輸損耗光纖環(huán)形腔干涉儀1.3.6白光干涉型光纖傳感器解決問題：白光光纖傳感器，利用了白光零級干涉條紋可見的特點，可以進行絕對變化的測量。抗干擾能力強，解決了相位型光纖傳感器，只能測量相對變化量的問題。特點——絕對測量；強抗干擾；光纖通用；長度任選；便于復用1.3.7光纖干涉儀的傳感應用外界作用于光纖上的壓力、溫度等因素，或者通過某些敏感材料的作用，直接引起光纖中光波相位的變化，從而構(gòu)成相位調(diào)制型的光纖傳感器光纖水聲傳感器、光纖壓力傳感器、光纖溫度傳感器、光纖轉(zhuǎn)動傳感器（光纖陀螺）、光纖磁場傳感器、光纖加速度計、光纖化學傳感器、光纖生物傳感器、光纖氣體傳感器……1.4偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器光纖偏振干涉儀

原理：先用1/4λ波振片將線偏振光變成圓偏振光，正交的兩個偏振光在雙折射單模光纖中均勻激勵，如果相移不同，則出射的合成偏振光可以在左旋--45度線偏--右旋--135度線偏之間變化。（利用學過的電光調(diào)制知識，可知輸出光光強的投影強度為）單光纖偏振干涉儀1.5波長調(diào)制型光纖傳感器光纖光柵光纖光柵的類型

光纖光柵模型（Fibergrating）

光纖光柵從本質(zhì)上講是通過波導與光波的相互作用，將在光纖中傳輸?shù)奶囟l率的光波，從原來前向傳輸?shù)南薅ㄔ诶w芯中的模式耦合到前向或后向傳輸?shù)南薅ㄔ诎鼘踊蚶w芯中的模式，從而得到特定的透射和反射光譜特性。光纖光柵中，光場與光波導之間的相互作用可用耦合模理論來描述。

光纖光柵按折射率變化周期的長短大體可分為兩類：短周期光纖光柵(FBG，也叫反射或布喇格光柵)

短周期光纖光柵FiberBragggratingm為衍射級數(shù)

光柵周期一般為零點幾個μm,耦合發(fā)生在正向與反向傳輸?shù)哪Ｊ街g，它的一個重要特性是將某一頻段內(nèi)的光反射回去

長周期光纖光柵(LPG，也叫傳輸光柵)

長周期光纖光柵Longperiodgrating

光柵周期在100μm以上,耦合發(fā)生在同向傳輸?shù)哪Ｊ街g，它的特性是將導波中某頻段的光耦合到包層中損耗掉而讓其他頻段的光通過光纖光柵傳感器的優(yōu)勢（1）

光纖光柵用于智能結(jié)構(gòu)（smartstructure）和材料的光纖傳感器的研究，主要用于結(jié)構(gòu)內(nèi)部應變、壓力、溫度、振動、載荷疲勞、結(jié)構(gòu)損傷等參數(shù)的監(jiān)測。

1）抗干擾能力強：這一方面是因為普通傳輸光纖不會影響光波的頻率特性（忽略光纖的非線性效應）；另一方面光纖光柵傳感系統(tǒng)從本質(zhì)上排除了各種光強起伏引起的干擾，例如光源強度的起伏、光纖微彎效應引起的隨機起伏等都不可能影響傳感信號的波長特性，因而基于光纖光柵的傳感系統(tǒng)具有很高的可靠性和穩(wěn)定性；2）光纖光柵傳感器是自參考的，可以絕對測量（在對光纖光柵進行定標后），不必如基于條紋計數(shù)的干涉型傳感器那樣要求初始參考；光纖光柵傳感器的優(yōu)勢（2）3）傳感探頭結(jié)構(gòu)簡單、尺寸?。ㄆ渫鈴脚c光纖本身等同），適于各種場合，尤其是智能材料和結(jié)構(gòu)。便于埋入復合材料構(gòu)件及大型建筑物內(nèi)部，對結(jié)構(gòu)的完整性、安全性、載荷疲勞、損傷程度等狀態(tài)進行連續(xù)實時監(jiān)測；4)便于構(gòu)成各種形式的光纖傳感網(wǎng)絡，尤其是采用波分復用（WDM）技術(shù)構(gòu)成分布式光纖光柵傳感器陣列，進行大面積的多點測量；5）測量結(jié)果具有良好的重復性；6)光柵的寫入工藝己較成熟，便于形成規(guī)模生產(chǎn)（商品化）。光纖光柵的歷史1978年由加拿大通訊研究中心(CRC,CanadianResearchCentre)的K.O.Hill.率先報道了光纖的光敏特性，制造了第一支光纖光柵。1989年G.Melts報道了從光纖的側(cè)面用激光的干涉曝光制作了光纖光柵，使光纖光柵得到迅速發(fā)展。1993年K.O.Hill提出的相位掩模制造法使光纖光柵的制造技術(shù)得到重大發(fā)展，使光纖光柵的大批量制造成為可能。光纖的光敏性所謂的光敏性，就是指當材料被外部光照射時，引起該材料物理或化學特性的暫時或永久性變化的一種特性。光纖中的光敏性通常是特指光纖纖芯折射率在外部光源照射時發(fā)生改變的特性。在一定條件下，變化的大小與光強成線性關(guān)系并可保存下來。色心一般是指缺陷的吸收帶，是導致光纖傳輸?shù)闹匾?。石英結(jié)構(gòu)光敏光纖摻鈰光纖、摻鉺鍺光纖、摻鍺硼光纖、摻氟鋯光纖、摻銪光纖。在通信中應用最廣泛的是纖芯摻鍺光纖。在光纖材料中摻入Ge以后將產(chǎn)生位于195nm、213nm、240nm、281nm、325nm、517nm等多個附加吸收帶，其中240nm、195nm為強吸收帶光纖材料的紫外增敏技術(shù)標準單模通信光纖摻有3％的鍺，典型的折射率變化是3X10-5，提高鍺摻雜濃度可達到5X10-4增加摻雜鍺濃度提高了纖芯和包層折射率之差，要減小纖芯，造成普通光纖和光敏光纖的匹配性能下降。因此要尋找增敏新方法，主要考慮：提高缺陷濃度；在光纖中摻雜紫外吸收系數(shù)大的雜質(zhì)；纖芯或包層中摻入適當雜質(zhì)，盡可能增大二者之間的熱特性失配度；主要方法：載氫技術(shù)、光纖還原法、多種摻雜、預加應力增敏技術(shù)；光纖光柵的寫入技術(shù)內(nèi)部寫入法干涉寫入法逐點寫入法光纖光柵的分類光纖光柵的制作分振幅寫入原理光強分布干涉條紋的強度分布為：光纖光柵的Bragg反射波長為

分波陣面干涉儀較分振幅相干法結(jié)構(gòu)更為簡單，可采用更少或更靈活的光學元件。逐點寫入法逐點寫入法是利用聚焦光束沿光纖逐點曝光，使光纖纖芯的折射率形成周期性分布而制成光纖光柵的方法。關(guān)鍵在于光纖與寫入光斑的相對位置。相位掩模寫入法1993年K.O.Hill研究組和美國AT&TBell實驗室D.A.Anderson幾乎同時提出掩模寫入法，將光敏光纖貼近相位掩模，利用相位掩模產(chǎn)生的近場衍射所產(chǎn)生的干涉條紋在光纖中形成折射率的周期性變化，從而形成光纖光柵。目前相位掩模法已成為最廣泛使用的光纖光柵寫入法。近場衍射特性相位掩模是采用電子束平板印刷術(shù)或全息曝光蝕刻于硅基片表面的一維周期性透射相位光柵，其實質(zhì)是一種特殊設計的光學衍射元件。光纖光柵的光學特性理論描述光纖光柵的方法有：

耦合模理論轉(zhuǎn)移距陣方法

Fourier變換法光纖光柵是一種參數(shù)周期變化的波導，其縱向折射率的變化將引起不同光波模式之間的耦合，并且可以通過將一個光纖模式的功率部分地或完全地轉(zhuǎn)移到另一個光纖模式中去來改變?nèi)肷涔獾念l譜。主要依賴于相位匹配條件：

β1－β2＝2π/Λ

光纖光柵常用分類根據(jù)光纖光柵的波矢方向、空間周期分布以及周期大小，可分為四種基本類型，光纖Bragg光柵、閃耀光纖光柵、啁啾光纖光柵和長周期光纖光柵。若進一步對光纖光柵的折射率分布以及周期深度進行調(diào)制，可進一步分成多種衍生光纖光柵，即超結(jié)構(gòu)光纖光柵、多重寫入光柵光柵、相移光纖光柵、Moire光纖光柵和變跡光纖光柵等光纖Bragg光柵這種光纖光柵的周期很小，有一個反射波長滿足：FBG透射和反射特性FGB應用FGB可作為激光器外腔反射鏡，制成光纖光柵外腔半導體激光器，也可以作為Fabry-Perot諧振腔制成性能優(yōu)良的光纖(DFB)激光器、主動鎖?；蚩烧{(diào)諧光纖激光器、DWDM中的復用/解復用器、插分復用器及波長轉(zhuǎn)換器、光柵路由器等；利用光纖光柵的溫度、應力特性還可制成不同的光纖傳感器。閃耀光纖光柵閃耀光柵的光柵周期與折射率調(diào)制深度均為常數(shù)，但其光柵波矢方向卻不是與光纖軸線相一致，而是與其成一定的角度。閃耀光柵不僅引起反向?qū)Рｑ詈希疫€將基階模耦合至包層中損耗掉。閃耀光纖光柵寫入閃耀光柵的Bragg波長可表示為

閃耀光纖光柵的應用利用閃耀光纖光柵的包層模耦合形成的帶寬損耗特性，可將其應用于摻鉺光纖放大器的增益平坦。當光柵法線與光纖軸向傾角較小時，還可將閃耀光柵用作空間模式耦合器。啁啾光纖光柵啁啾光纖光柵的周期不是常數(shù)而是沿軸向單調(diào)變化的,是一個非周期的光柵間距，可改變軸向的光柵周期Λ或光纖纖芯折射率或同時改變兩者獲得。啁啾光柵的寫入原理1993年K.C.Byron等人用紫外干涉儀在錐形光纖中產(chǎn)生了非均勻周期分布的干涉條紋，獲得了折射率近似線性變化的光纖折射率分布，即線性啁啾光纖光柵。啁啾光柵的譜分布由于不同的柵格周期對應于不同的反射波長，啁啾光柵能夠形成很寬的反射帶。長周期光纖光柵長周期光纖光柵是指柵格周期大于100μm的光纖光柵結(jié)構(gòu)。它是一種透射型光柵，將光纖中傳播的特定波長的光波耦合到包層中損耗掉。長周期光柵的制作方法可采用遮光板形成明暗條紋制作；振幅掩模；逐點寫入方法；長周期光纖光柵的應用在光通信系統(tǒng)中光柵模式轉(zhuǎn)換器旋光濾波器在光纖傳感中很多應用。超結(jié)構(gòu)光纖光柵又稱取樣光柵，折射率調(diào)制是周期性間斷的，相當于在光纖Bragg光柵或啁啾光纖光柵的折射率調(diào)制上又加一個調(diào)制函數(shù)超結(jié)構(gòu)光纖光柵寫入和應用R.Kashyap寫入方法采用相移相位掩模近場衍射法。B.J.Eggleton等人利用振幅掩模與相位掩模聯(lián)合使用的方法也可精確地寫入超結(jié)構(gòu)光纖光柵。超結(jié)構(gòu)均勻光柵在梳狀濾波器以及多波長激光器在波分復用通信系統(tǒng)中的色散補償；多重寫入光纖光柵在同一位置重疊寫入多個具有不同中心波長的Bragg光柵多重寫入光纖光柵應用在光纖光柵寫入基礎(chǔ)上,A.Othonos等人于1994年對光纖同一位置進行了多次曝光，寫入了具有不同反射波長的光纖Bragg光柵；用于復用和解復用的梳狀函數(shù)，可用于光纖激光器和光纖傳感器。相移光纖光柵是指在光纖Bragg光柵的某些點，通過一些方法破壞其周期的連續(xù)性而得到的，每個不連續(xù)連接都會產(chǎn)生一個相移。相移光纖光柵的透射譜其主要特點是在Bragg反射帶中打開透射窗口，使波長具有更高的選擇性，通過選擇合適的相移點位置和相移量，能夠使光纖光柵更好地滿足EDFA增益平坦的需要；常采用相移相位掩模法Moire光纖光柵采用兩個具有微小周期差異的紫外條紋對光纖的同一位置進行二次曝光的結(jié)果，其譜特征是在反射帶中開了很窄的透射窗口。變跡光纖光柵采用特殊形式對光纖Bragg光柵的折射率調(diào)制深度進行調(diào)制，可形成變跡光柵，這種光柵具有豐富的譜特性，通過改變其調(diào)制函數(shù)及其他有關(guān)參數(shù)可根據(jù)需要控制其反射譜形狀。變跡光纖光柵可在兩非均勻光束形成的干涉條紋曝光中寫入；在相位掩模寫入過程中改變曝光次數(shù)來獲得變跡；具有不同衍射效率的變跡相位掩模。光纖光柵的波長調(diào)諧電磁調(diào)諧,舉例：如使用103mT磁場可以實現(xiàn)1.1nm的調(diào)諧熱調(diào)諧，Bragg波長的溫度靈敏度為1.1X10-2nm/℃機械調(diào)諧其他方式:壓強、化學都不太成熟。光纖光柵傳感器及應用光纖光柵是采用波長編碼，普通光纖傳輸不會影響光波的頻率，而排除了強度起伏干擾，光纖光柵傳感器具有很高的可靠性和穩(wěn)定性；光纖Bragg光柵傳感器、啁啾光纖光柵傳感器、長周期光纖光柵傳感器等主要考慮的技術(shù)問題光纖光柵的機械可靠性和光學可靠性；光纖光柵的壽命光纖光柵的封裝交叉敏感的消除增敏和去敏寬光譜、高功率的獲得波長移位的探測光探測器的波長分辨率光纖Bragg光柵傳感器光纖Bragg光柵的基本光學參數(shù)反射率R透過率T中心波長λmax反射帶寬光柵方程應變傳感模型

應力引起光柵Bragg波長的移位可由下式統(tǒng)一描述：式中為光纖本身在應力作用下的彈性形變，光纖的彈光效應。

外界應力的改變會引起光纖Bragg光柵波長的移位。從物理本質(zhì)上來看，引起波長移位的原因主要包括三個方面：光纖彈性形變、光纖的彈光效應以及光纖內(nèi)部應力引起的波導效應。溫度應變模型

外界溫度改變同樣也會引起光纖光柵Bragg波長的移位。從物理本質(zhì)看，引起波長移位的原因主要有三個方面：光纖熱膨脹效應、光纖熱光效應以及光纖內(nèi)部熱應力引起的彈光效應。

當外界溫度改變時，溫度變化導致光纖光柵的相對波長移位為：

式中第一項代表光纖光柵的熱光系數(shù)；第二項代表熱膨脹引起的彈光效應；第三項代表熱膨脹導致光纖芯徑變化而產(chǎn)生的波導效應，第四項線性熱膨脹系數(shù)磁場傳感器由于Faraday效應引起光纖Bragg光柵中左旋和右旋偏振光的光纖折射率的微弱變化，光纖Bragg光柵也被用于動態(tài)磁場探測。一個縱向磁場會導致光柵中的一個圓偏振光的折射率變化

其中下標（+，-）表示光纖Bragg光柵中的右旋和左旋偏振光，以硅光纖為材料的磁場可被線性地檢測出來，使得這種方法適用于核磁共振（NMR），等離