包邮光纤传感器基础

前言第1章引言................................................................... 1
1.1 历史回顾和展望........................................................ 1

1.2 光纤传感器的分类和应用.............................................. 2

1.3 本书各章内容提要..................................................... 4

参考文献.................................................................... 5

第2 章光导纤维基础..........................................................7

2.1 光导纤维简介.......................................................... 7

2.1.1 光纤的基本结构和制备.............................................. 7

2.1.2 光纤的基本特性.................................................... 9

2.1.3 光纤的分类....................................................... 12

2.2 阶跃折射率光纤的电磁场理论........................................ 13

2.2.1 圆柱坐标系的麦克斯韦方程........................................ 13

2.2.2 边界条件和本征值方程.............................................16

2.2.3 弱导近似、混合模和线偏振模....................................... 19

2.2.4 场分布和偏振特性................................................. 21

2.2.5 多模光纤和包层模................................................. 26

2.2.6 光脉冲在光纤中的传输.............................................29

2.3 梯度折射率光纤的基本理论........................................... 31

2.3.1 非均匀介质中的射线方程...........................................31

2.3.2 梯度折射率光纤的射线光学........................................ 34

2.3.3 梯度折射率光纤的波动光学........................................ 38

2.3.4 梯度折射率透镜的基本特性........................................ 42

2.4 特种光纤.............................................................. 43

2.4.1 稀土掺杂光纤和双包层光纤........................................ 43

2.4.2 保偏光纤......................................................... 45

2.4.3 光子晶体光纤和微结构光纤........................................ 48

习题........................................................................ 51

参考文献................................................................... 52

第3 章光纤敏感性和光纤器件............................................... 58

3.1 光纤对所处物理条件的敏感性........................................ 58

3.1.1 光纤对轴向应变的敏感性...........................................58

3.1.2 光纤对侧向压力的敏感性...........................................59

3.1.3 光纤弯曲导致的双折射.............................................64

3.1.4 光纤扭转导致的偏振模交叉耦合和偏振旋转.......................... 67

3.1.5 光纤弯曲损耗..................................................... 70

3.1.6 光纤中的机械振动和波.............................................73

3.1.7 光纤的温度敏感性................................................. 74

3.2 光纤耦合器........................................................... 75

3.2.1 2×2 光纤耦合器的结构和制备...................................... 75

3.2.2 光纤耦合器的基本特性和理论分析.................................. 76

3.2.3 n × n 和1 × n 星型光纤耦合器................................... 85

3.2.4 轴向模式耦合和锥形光纤...........................................88

3.3 基于耦合器的光纤环路器件........................................... 91

3.3.1 光纤萨格纳克环................................................... 91

3.3.2 光纤单向环....................................................... 98

3.3.3光纤马赫–曾德尔干涉仪和迈克耳孙干涉仪.......................... 102

3.3.4 基于3 × 3 耦合器的光纤环路器件................................. 106

3.4 光纤的偏振特性......................................................111

3.4.1 光纤中偏振态的演变..............................................111

3.4.2 偏振模色散的基本特性............................................123

3.4.3 自旋光纤和圆双折射光纤......................................... 125

3.4.4 法拉第旋转和旋光效应............................................126

3.5 光纤偏振器件........................................................ 128

3.5.1 光纤偏振器...................................................... 129

3.5.2 光纤偏振控制器.................................................. 131

3.5.3 光纤退偏器和扰偏器..............................................132

3.5.4 光纤光隔离器和环行器............................................135

习题.......................................................................137

参考文献.................................................................. 138

第4 章光纤光栅和相关器件................................................ 147

4.1 光纤光栅简介........................................................ 147

4.1.1 光纤光栅的基本结构和原理....................................... 147

4.1.2 光纤的光敏性.................................................... 149

4.1.3 光纤光栅的制备和分类............................................152

4.2 光纤光栅理论........................................................ 155

4.2.1 均匀光纤布拉格光栅理论......................................... 155

4.2.2 长周期光纤光栅理论..............................................161

4.2.3 非均匀光纤光栅基本理论......................................... 166

4.2.4 光纤光栅的逆工程设计............................................171

4.2.5 光纤光栅的切趾.................................................. 174

4.3 特种光纤光栅器件................................................... 176

4.3.1 多段结构光纤布拉格光栅......................................... 176

4.3.2 啁啾光纤布拉格光栅..............................................185

4.3.3 倾斜光纤布拉格光栅..............................................189

4.3.4 保偏光纤光栅.................................................... 195

4.3.5 纤内干涉仪和声光可调谐滤波器................................... 197

4.4 光纤光栅的敏感性和光纤光栅传感器................................ 199

4.4.1 光纤光栅的敏感性................................................199

4.4.2 光纤光栅的调谐.................................................. 201

4.4.3 光纤光栅器件的封装..............................................203

4.4.4 光纤光栅传感系统及其应用....................................... 207

习题.......................................................................210

参考文献.................................................................. 211

第5 章分布式光纤传感器...................................................223

5.1 光纤中的光散射......................................................223

5.1.1 弹性光散射...................................................... 223

5.1.2 非弹性光散射.................................................... 225

5.1.3 受激拉曼散射和受激布里渊散射................................... 227

5.2 基于瑞利散射的分布式光纤传感器.................................. 229

5.2.1 光时域反射仪.................................................... 229

5.2.2 偏振光时域反射仪................................................234

5.2.3 相干光时域反射仪和相敏光时域反射仪............................. 236

5.2.4 光频域反射仪.................................................... 239

5.3 基于拉曼散射的分布式传感器....................................... 241

5.3.1 光纤中的拉曼散射................................................241

5.3.2 分布式拉曼温度传感器............................................244

5.3.3 频域拉曼温度传感器..............................................246

5.4 基于布里渊散射的分布式光纤传感器................................ 247

5.4.1 光纤中的布里渊散射..............................................247

5.4.2 布里渊光时域反射仪..............................................250

5.4.3 布里渊光时域分析仪..............................................253

5.4.4 布里渊频域分析仪................................................257

5.5 基于光纤干涉仪的分布式传感器..................................... 258

5.5.1 干涉型光纤传感器的结构和特性................................... 259

5.5.2 分布式光纤传感系统中的低相干技术............................... 262

5.5.3 基于多模光纤中散斑效应和模式耦合的传感器.......................266

习题.......................................................................269

参考文献.................................................................. 270

第6 章特种用途光纤传感器................................................ 283

6.1 光纤陀螺仪.......................................................... 283

6.1.1 干涉型光纤陀螺仪................................................283

6.1.2 光纤布里渊激光陀螺仪............................................291

6.1.3 谐振型光纤陀螺仪................................................292

6.2 光纤水听器.......................................................... 293

6.2.1 光纤水听器基本结构..............................................293

6.2.2 声传感器阵列和复用..............................................298

6.2.3 低噪声激光光源.................................................. 300

6.3 光纤法拉第传感器................................................... 301

6.3.1 光纤中的法拉第效应..............................................301

6.3.2 基于法拉第效应的电流传感器..................................... 303

6.3.3 法拉第磁场传感器................................................305

6.4 基于表面等离子体效应的光纤传感器................................ 307

6.4.1 表面等离子体效应................................................308

6.4.2 基于表面等离子激元波的传感器................................... 311

习题.......................................................................313

参考文献.................................................................. 314
第7章非本征光纤法布里--珀罗干涉仪传感器.............................. 322

7.1非本征光纤f-p传感器的结构和基本原理........................... 322

7.1.1光纤f-p器件的基本结构.........................................322

7.1.2 f-p 干涉仪的基本特性........................................... 324

7.2高斯光束f-p干涉仪的理论......................................... 327

7.2.1 基本模型和理论分析..............................................327

7.2.2 斐索干涉仪近似.................................................. 329

7.3光纤f-p传感器的基本特性和性能.................................. 330

7.3.1非本征光纤f-p传感器的灵敏度.................................. 330

7.3.2 测量传感的线性范围和动态范围................................... 332

7.3.3光纤f-p传感器的解调和稳定性.................................. 333

7.3.4光纤f-p传感器的频率响应.......................................336

7.4光纤f-p传感器的应用及相关技术问题............................. 339

7.4.1 声源的定位...................................................... 339

7.4.2 在原子力显微镜中的应用......................................... 340

7.4.3光纤f-p传感器的应用实例.......................................341

习题.......................................................................343

参考文献.................................................................. 343
附录a数学公式............................................................ 348

a.1 贝塞尔方程和贝塞尔函数........................................... 348

a.2龙格–库塔方法...................................................... 352

a.3 一阶线性微分方程...................................................352

a.4 里卡蒂方程..........................................................352

a.5 艾里方程和艾里函数................................................ 353
附录b弹性力学基础........................................................354

b.1 应变、应力和胡克定律.............................................. 354

b.2 坐标系之间的变换...................................................357

b.3 平面形变问题....................................................... 358

b.4 板和杆的应力平衡...................................................359

b.5 弹光效应............................................................ 362

b.6 各向同性介质内的弹性波........................................... 363
附录c偏振光学基础........................................................364

c.1 偏振光和琼斯矢量...................................................364

c.2 斯托克斯矢量和庞加莱球........................................... 365

c.3 各向异性介质光学...................................................366

c.4 琼斯矩阵和米勒矩阵................................................ 367

c.5 琼斯矢量和斯托克斯矢量的测量.................................... 370
附录d相关材料和器件的性能参数......................................... 372

d.1 光纤连接器..........................................................372

d.2 材料器件参数表..................................................... 374

索引........................................................................... 377

后记........................................................................... 391