光纤传感中的光学原理及效应概要.docx
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光纤传感中的光学原理及效应概要
1.3光学吸收原理选择浹收：
介质对慕些波长的光的吸收特别显著郎爸比（Lambert-Beer）x律:
Lambert-Beer定律是吸收光度法的基本定律，表示物质对禁一单色光吸收的强弱与吸光扬质浓度和厚度间的关糸。
多毛体浓度、光程均很小的肘候，可以近似为：
1.4光学多普勒效应
雷达测速仪检查机动车速度的雷达测速仪也是利用这种多普勒效应。
交通警向行进中的车辆发射频率己知的色滋波，通常是红外线，同肘测量反射波的频率，根据反射波频率变化的多少就能知道车轲的速度.裝有多普勒测速仪的警车有肘就停蛊公路•务，在测速的同肘把车辆牌号柏摄下来，并把测得的速度自动打印疫照片上。
1-5＞光效应
超步波通过介质肘会隹成介质的局部压缩和伸长而尹生弹性应变，该应变随肘诃和空间作周期性变化，使介质出现疏密相问的现象，如同一个相住光栅。
当光通过这一受到超步波扰动的介质时就含发生衍射现象，这种现象称之为步光效应。
利用步光衍射效应制成的器件，称为步光器件。
步光彖件能快速有效地按制激光束的强度、方向和频率，还可把电传号卖肘转换为光估号。
此外，步光衍射还是探测材料步学性质的主要手段。
主要用途有：
制作步光调制器件，制作步光偏转彖件，步光调Q开关，可调谐滤光器，亦光估号处理和集成光通训方面的应用。
1-6滋光效应具有固有修•矩的物质亦外该场的作用下，电该特性发生变化，因而使得光波亦其內部传输特性也发生麦化的现象。
A、冻拉第效应：
当线偏振光沿滋场方向通过置于滋场中的该光介质时，其偏振面发生炎转的现象，对于给定的介质，偏振面炎转角度=介质长度x滋场强度x维庖徳糸＜
B、该•光克余效应：
指一束线偏振光柱滋化了的介质表面反射时，反射光将是桶圆偏振光，而且以桶圖的长轴为栋志的“偏振面''相对于入射偏振光的偏振面炎转了一定的角度。
分类：
1馭化克余效应，印该化强度M与介质表面垂直肘的克余效应，应用于该光存伪技术中
2横向克余赦应：
M既平行于介质表面，但垂直于光的入射面
3纵向克余赦应：
M既平行于介质表面，又平行于光的入射面
C、该玫线玖折射效应：
禁些由各向异性分子俎成的介质，在不加滋场时表现为各向同性，加上足够强的外礙场肘，分子礙矩受到了力的作用，各分子对外该场有了一定的取向，使介质宏观上呈现各向异性，当光以不同于盛场方向通过这样的介质肘，就会出现玖折射现象。
1-7尅光效应
当光波通过此介质
（6-3）
Pockels）效
电光数应：
指禁些晶体的折射率因外加电场而发生变化的一种效应,肘，其传输特性就受到影响而改.变。
nnoaEbE2
在上式中，
aE是一次项，由该项引起.的折射率变化，称为线性电光数应或泡克耳斯（
应；bE2是二次项，由该项引起的折射率麦化，称为二次电光效应或克余（对于大多数Kerr）效应。
骷体，一次电光效应要比二次放应显著，可略去二次项。
但是亦具有对称中心的晶体
中，不存在一次屯光尹赦应。
电光效应己彼广迄用来卖现对光波的控制，并做成光调制彖、光偏转器和电光滤波器件等。
1.8弹光效应
由机械应力引起的材料折射率变化的现象称为弹光效应（Elasto・OpticalEffect）。
由于沿应力方向发生折射率变化，虑来同性材料也可麦成各向异性，印折射率桶球发生变化，而呈现玖折射。
因此，对弹光物质通光和施加应力肘，由于应力和与应力垂直的方向上尹生住相差，玫可以利用这种效应制作住移、振动和压力等光学传感器。
1-9光芦效应
激光光東照射到固体表面或毛体和液体中，会与彼照射扬质相互作用产生一定强度和频率的步波，这就是光步数应。
光步效应作为囲体杨质表面检测和物质成分含量分析的有效手段，己经广泛应用于物理、化学、因学、海洋、环境和材料等研允领域，有着/•阖的发展前曇。
同样，光步效应也可以应用于毛体和液体的成分含量的检测O
第2章：
光纤传感原理及应用技术
2.1相住调制型光纤传感彖技术相住调制型光纤传感器的基本传感机理是：
通过菠测能量场的作用，使光纤內传播■的光波相住发生变化，再利用干涉测量技术把相住变化转换为光强支化，从而检测出待测的物理量。
光纤中光波的相住，一方面由光纤的炀理长度、折射率及其分布、疫导横向几何尺寸所决定。
一般来说，应力、应麦、厦度等外界杨理量能直接改变上述三个波导参数，从而产生相住变化，卖现光波的相住调制。
另—方面也可以由Sagnac效应产生。
光相干条件两列光波疊加往一起能产生干涉现象，但并非任意两列光波相遏都能产生干莎现象。
必、要条件：
频率相同的两光波在相遏点有相同的振动方向和阂定的相住差。
补丸条件：
A・两光波在相遇.点所产生的振动的振幅相差不悬殊。
B・两束光波在相遏点的光程差不能丈丸。
四种常见的光纤干涉仪到达探测器的两東光的光场分别为：
estEsexpjsts
eLtElexpjLtl
总光场为：
EEsexpjstsElexpjLtl
总光强为：
IEsexpjstsElexpjLtl
EsexpjstsEi_expjLtlEsexpjstsElexpjLt
IsIl2IsIlCOSLst
其中，LS
根据相干条件，LS,则有
IIsll2IsIlCOS
I不IQII
I2Is1cos
马赫曾德（MachZehnder）光纤干莎仪
LD
光纤干涉仪与普通的光学干涉仪相比，优占征于：
nj彖易准直；
（2）可以通过增加光纤长度来增加光程，以提需干莎仪的灵敘度;
（3）封冈式的光路，不受外界干扰;
（4）测量的动态施囲大。
萨格纳克（Sagnac丿光纤干涉仪
光柱运动介质中的速度
上式中，V是介质运动速度。
CW和CCW估号同
若光从A占进入，分成CW和CCW两路光估号，多光纤环静止肘，时到达A
A,当光纤环按图中方向转动肘，两路光估号柱B点相遏。
此肘
12rrtewlcw
CWc112Tnn2
2rrtccwccw
》（1寻卜
由上两式得到
lcw
cr
nn
2r
2r2r
tccw
所以顺时针和适时针的肘问差为
1lcw，ccw
由于c2»今_，所以tA
n
住相差为：
2
4r228S
Cc
对于N匝光纤，则相住差为
8NS
自从加拿丸通传研究中心的Hill等人亦1978年首次利用驻波去在摻错光纤中研制出世界上第一支永久性的卖现反向模式间耦合的光纤光栅——光纤布喇格光栅以来，对其硏究与应用得到了很大的发展。
1993年，Hill等人提出了用紫外光垂直照射相住掩模形成的衍射条纹嗥光氢規光纤写入光纤布喇格光櫥的相住掩模去，使得光纤光栅真正走向卖用化和尹凤化。
1998年，美国东哈特福徳朕合技术研允中心的Meltz等人提出了用两東相干的紫外光形成的干涉条纹側面嗥光氮我光纤写入光纤布喇格光栅的横向全息成栅技术，相对于内部写入法，该方由又称为外側写入法。
光纤光栅的分类光纤光柵主要可以从光纤光栅的周期、相住和写入方金等几个方而对光纤光柿进行分类。
1、按光纤光枷的周期分类通常把周期小于1pm的光纤光栅称为短周期光纤光栅，而
把周期为几十至几百微采的光纤光栅称为长周期光纤光栅。
前者的反射谱和后者的透射谱分别为如5・1（a丿和5-1（b丿所示。
2.按波导结构
3.
耦合模方程
neff
mvcos2z（z）
（ej相移光纤光栅
光纤布拉格光捌的反射谱。
折射率分布为：
da（z）j?
a（z）ika（z）dz
da⑵-
i?
a（z）ik*a（z）
~3z
z
f丿超结构光纤光栅
1d11
其中，?
b2rw"为失调参数。
2dzb
k,分别为互耦合和自耦合糸数，对于单模式布拉格光栅光纤，有
2mneft（z）,kk*mvrw（z）。
利用耦合模方程，可求得布拉格光栅的反射谱，进而求得其它特性，但不幸的是，只有均匀光栅可求得精确鮮，对于非均匀先纤先栅，因为耦合模糸数与z有关，不再是常量，得不到精确解，而只能采用一些数学方法来近似求数值鮮，
尽管如此，均匀光纤光栅对了鮮非均匀光纤光栅的特性仿然是有很大的帮助。
对于均匀光栅，neff（z）与z无关，是常数，因此，由耦合模方程和边界条件a（L2）1,a（L2）
0,可求得反射糸数，L是光纤光栅的长度。
反射效率
sinh2（k2?
2L）cosh2（k
2?
2L）?
2k2
在？
0肘，有最大反射功率，此肘
2
Rmaxtanh2（kL）
对应的波长值为:
B2neff是段计的布拉格波长主辨两零点之间的波长间隔为:
ob2
nettLN
光纤光栅传感廉理
B2neff
dnadn
b2n
P12Pl1Pl2
1热膨胀糸数
T
neff
nTeff热光糸数
Bragg波长的变化与温度之问的支化有良好的线性关糸，光櫥的温度灵敎度为
Ktb/T（）b
一般a=5.5x107K'1；^=7.00x10-6K-1,如果光纤光栅的Bragg波长为l550nm,计算光纤光栅的温度灵数度？
光纤光栅的温度灵牧度为0.0117nm/°C,一般取0.01nm/°C。
△Ab
—-0.78
A
/•B
光纤光栅的应雯灵敏度为
下面分析用MZI作光外光柵传感鮮调的灵斂度。
I2Is1cos
dl2lssind
dl2ls2Ld
Ld
1度厂
0.1度，则
15.L1mm,155Onm,d10pm（对应裸光栅温度测量精度
dl2.615269638784427e-02,可以检测列。
若温度测量精度提為到
2ls
小2.615269638784427e-03,仍然可以检测。
2ls
I41s,当d10pm时，d
22
2Ld•02Ld,
此肘I2ls1.999658037727299,所以4%1.709811363502789e・04。
因为传号能
dl1
量提需了2得，这样传噪比提壽3dB,因此有最小探测强度变化为：
7.071067811865475e-04o能检测否?
4IsSNR
设光纤光栅反射带宽，则相干长度等于12cm.
非平衡MZI最大的缺点是因为两个臂长度不相等，所以两个臂受到外部环境因素的影响不相同，从而导玫性能
不稳定。
慢光效应对M・Z干莎仪的影响
nnL2nn
设估号从端D1输入，从端口4输出。
则两个臂的住相差为:
C
1-ngn
ddclngn
慢光奴应能增大群折射率ng,因此，慢光数应将极大增加干涉仪的灵敎度。
如果采用
慢光数应更丸的材料，干涉仪的灵敛度将增大灵多。
第四部分：
光纤毛体传感技术亦
毛体传感中，所毛体吸收的郎馅比（Lambert-Beer）x律：
丨其中：
C:
毛体浓度；L:
毛体吸收光
程；X：
毛体吸收糸数。
光路损耗糸数。
仅用上式很难测准毛体的浓度，为什么？
。
估号为：
Asintnt,问，如何检测有用估号A?
并写出分析过程。
笫五部分：
分布式光纤传感技术
•空间分辨率取决于光脉冲的宽度，设光脉冲宽度为P,则空间分辨率为:
zCp
2n
其中，c为光速，n为光纤的有效折射率。
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