文档介绍：HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY第五章光纤传感器光纤——光导纤维,是由石英、玻璃、塑料等光折射率高的介质材料制成的极细的纤维,是一种理想的光传输线路。光纤传感器兴起于20世纪70年代,是一类较新的光敏器件,它是利用被测量对光纤内传输的光波进行调制,使光波的一些参数,如强度、频率、波长、相位、偏振态等特性产生变化来工作。可以测量位移、加速度、压力、温度、磁、声、电等物理量。 光导纤维的结构和导光原理?1、光纤结构纤芯包层涂覆层护套光纤通常由纤芯、包层及保护套组成。纤芯是由玻璃、石英或塑料等材料制成的圆柱体,直径约为5~150μm。包层的材料也是玻璃或塑料等,但纤芯的折射率n1稍大于包层的折射率n2。涂敷层起隔离杂光的作用。外套起保护光纤的作用。较长的光纤又称为光缆。) 斯乃尔定理(Snell's Law)当光由光密物质(折射率大)入射至光疏物质时发生折射,如图(a),其折射角大于入射角,即n1>n2时,θr>θi。n1n2θrθi(a)光的折射示意图可见,入射角θi增大时,折射角θr也随之增大,且始终θr>θi。n1、n2、θr、θi之间的数学关系为n1sinθi=n2sinθr θi0=arcsin(n2/n1)sinθi0=n2/n1 sinθr=sin90o=1n1n2θrθi(b)临界状态示意图当θr=90o时,θi仍<90o,此时,出射光线沿界面传播如图(b),称为临界状态。这时有式中:θi0——临界角当θi>θi0并继续增大时,θr>90o,这时便发生全反射现象,如图(c) ,其出射光不再折射而全部反射回来。n1n2θrθi(c)光全反射示意图2) 光纤导光原理??22 2 21 1 22 1 2 20 0 1 01sin cos 1 sin sini c r rn n nn nn n n n? ? ??? ?? ????? ?? ?全反射,则290r?? ?2 20 1 2 0sin /in n n?? ?外介质为空气时,2 20 1 2sinin n?? ?3 光纤特性参数:1)数值孔径以入射角小于θi0进入光纤的光线将形成全反射被引导至光纤输出端,并以近似等于入射角的角度射出。θi0称为临界角,2θi0为接受角,处于接受角之外的光线均被包层吸收而损失掉。sinθi0定义为光纤的数值孔径,用NA表示,它反映纤芯接收光量的多少,是光纤的一个重要参数。2 21 2NA n n? ?当θr2<90o时,sinθi>NA,θi>arcsin(NA),光线消失。这说明arcsinNA是一临界角,凡入射角θi>arcsinNA的那些光线进入光纤都不能传播而在包层消失;相反,只有入射角θi<arcsinNA的光线才可进入光纤被全反射传播当θr2=90o时当θr2>90o时,光线发生全反射,则sinθi0=NAθi0=arcsin(NA)θi<θi0=arcsin(NA)?光纤的数值孔径大小与几何尺寸无关,与纤芯—包层相对折射率有关。?数值孔径大有利于光纤的对接。?可以使光纤NA值很大而截面积很小,使得光纤柔软可以弯曲。?NA太大时,光信号的畸变加大,会影响光纤的带宽。因此对光纤的数值孔径有一定的要求。≤NA<。2 21 2siniNA n n?? ??