《光纤传感器》

第一章 光纤概论1

1-1 引言1

1-2 光纤的结构、分类与制备方法1

1-3 子午光线的传播7

1-3-1 子午光线在折射率阶跃型光纤中的传播7

1-3-2 子午光线在折射率渐变型光纤中的传播9

1-4 平板波导的电磁场分析11

1-4-1 对称平板介质波导的模式11

1-4-2 截止特性、传播常数和场形状14

1-5 折射率阶跃型光纤的电磁场分析16

1-6 光纤的色散与损耗20

第二章 单模光纤的偏振光学24

2-1 引言24

2-2 偏振光的表示方法26

2-2-1 椭圆偏振、线偏振和圆偏振26

2-2-2 琼斯矢量表示法27

2-2-3 偏振器件的矩阵表示法29

2-2-4 偏振光的圆复平面表示法31

2-2-5 偏振光的庞加莱球表示法32

2-3 单模光纤双折射的测量34

2-3-1 偏振棱镜、波片和补偿器34

2-3-2 光纤本征双折射及法拉第效应的测量38

2-3-3 光纤的弹光偏振测量45

2-3-4 光纤的双折射与拍长48

2-3-5 光纤双折射的反向散射测量50

2-3-6 液体芯光纤的偏振测量52

2-4 单模光纤双折射的理论分析53

2-4-1 微扰耦合理论53

2-4-2 弹光效应57

2-4-3 扭转诱导的双折射59

2-4-4 光纤芯椭圆度造成的双折射61

2-4-5 电光效应62

2-4-6 电磁场引起的双折射63

2-4-7 弯曲诱导的双折射64

2-4-8 拉伸与弯曲组合诱导的双折射67

2-4-9 光纤本征双折射与扭转效应的组合69

2-4-10 自旋光纤的双折射72

2-5 不同类型的双折射光纤73

2-5-1 传感器对光纤双折射的要求73

2-5-2 扰动与随机偏振耦合74

2-5-3 普通低双折射光纤77

2-5-4 自旋光纤79

2-5-5 形状型高双折射光纤81

2-5-6 应变型高双折射光纤82

2-5-7 蝴蝶结式高双折射光纤83

2-6 单模光纤偏振器件及偏振态的演变86

2-6-1 光纤起偏器86

2-6-2 光纤补偿器89

2-6-3 偏振态演变的分析91

2-6-4 偏振态演变的实验95

第三章 光纤的耦合与连接99

3-1 引言99

3-2 光源与光纤的耦合101

3-2-1 直接耦合101

3-2-2 匹配措施102

3-3 光纤全息耦合103

3-4 光功率分配器概述105

3-5 定向耦合器的制作技术107

3-5-1 研磨法107

3-5-2 侵蚀法109

3-5-3 硅胶玻璃的应用111

3-6 定向耦合器的理论112

3-6-1 可调弯曲式光纤耦合器的理论112

3-6-2 瓶式光纤耦合器的理论117

3-7 定向耦合器的测试120

3-7-1 三端口弯曲式光纤耦合器的测试120

3-7-2 四端口弯曲式光纤耦合器的测试122

3-7-3 瓶式光纤耦合器的测试125

3-8 对接光纤的耦合129

3-9 光纤间的永久性连接133

3-10 光纤连接器134

3-10-1 球透镜耦合式多模光纤连接器134

3-10-2 偏心衬套式单模光纤连接器136

3-10-3 精密小孔定心式单模光纤连接器137

3-11 扩束连接器的光线追迹理论138

第四章 光纤干涉仪及其探测系统142

4-1 引言142

4-2 光纤干涉仪143

4-2-1 干涉仪概述143

4-2-2 周期性、动态范围和线性输出146

4-2-3 麦克尔孙干涉仪和马赫-泽德干涉仪147

4-2-4 法布里-珀罗干涉仪148

4-3 探测系统149

4-3-1 概述149

4-3-2 无源零差151

4-3-3 有源零差153

4-3-4 光源波长调谐156

4-3-5 外差157

4-3-6 似外差160

4-4 利用位相产生载波的零差技术162

4-5 单边带零差探测169

4-6 干涉仪型光纤传感器的偏振衰变177

第五章 光纤应变传感器181

5-1 引言181

5-2 干涉仪型光纤应变传感器182

5-3 干涉仪型光纤应变测量的进展186

5-4 偏振型光纤应变传感器188

5-5 微弯型光纤应变传感器192

第六章 光纤压力传感器198

6-1 引言198

6-2 干涉仪型光纤压力传感器199

6-3 偏振型光纤压力传感器202

6-3-1 单色弹光压力传感器202

6-3-2 特征波长弹光压力传感器205

6-3-3 利用低双折射光纤的弹光压力传感器209

6-4 膜片弯曲型光纤压力传感器214

6-5 频率编码型光纤压力传感器218

第七章 光纤温度传感器223

7-1 引言223

7-2 干涉仪型光纤温度传感器225

7-2-1 马赫-泽德干涉仪温度传感器225

7-2-2 麦克尔孙干涉仪温度传感器227

7-3 偏振型光纤温度传感器230

7-3-1 双折射光纤温度传感器230

7-3-2 利用石英晶体旋光性的温度传感器234

7-3-3 利用LiNbO3双折射的温度传感器238

7-4 材料吸收型光纤温度传感器241

7-4-1 单耦合器式半导体吸收型测温器241

7-4-2 双耦合器式半导体吸收型测温器244

7-4-3 分布式红宝石吸收型测温器247

7-4-4 稀土材料的吸收与温度的关系250

7-4-5 回流环式稀土材料吸收型测温器252

7-4-6 双光源式稀土材料吸收型测温器255

7-5 红外荧光衰变型光纤温度传感器258

7-6 串音型光纤温度传感器261

7-7 热辐射型光纤温度传感器277

7-8 包、敷层损耗型光纤温度传感器285

7-9 液体包层型光纤温度传感器292

第八章 光纤声传感器295

8-1 引言295

8-2 干涉仪型光纤声传感器297

8-2-1 裸光纤干涉仪的灵敏度297

8-2-2 有敷层的光纤干涉仪的灵敏度302

8-2-3 光纤敷层的优化319

8-2-4 激光器调谐的信号稳定技术325

8-2-5 有不同延迟的外差探测328

8-2-6 光纤水听器阵列331

8-3 偏振型光纤声传感器332

8-3-1 模-模干涉的光纤声传感器332

8-3-2 卷绕的单光纤声传感器336

8-3-3 聚束声传感器340

8-3-4 光纤超声传感器344

8-3-5 光纤应变类型与灵敏度的关系349

8-3-6 双腔式光纤声传感器351

8-4 微弯型光纤声传感器355

8-4-1 膜片式微弯型光纤声传感器355

8-4-2 橡胶套式微弯型光纤声传感器356

8-5 受抑全内反射型光纤声传感器361

8-6 纹影型光纤声传感器367

第九章 光纤加速度计373

9-1 引言373

9-2 干涉仪型光纤加速度计374

9-2-1 直接转换式光纤加速度计374

9-2-2 间接转换式光纤加速度计376

9-3 偏振型光纤加速度计380

9-4 间隙耦合型光纤加速度计386

第十章 光纤流量计391

10-1 引言391

10-2 光纤平行于液流方向的流量计392

10-3 旋涡分离式光纤流量计393

10-3-1 流体力学原理393

10-3-2 多模光纤流量计396

10-3-3 单模光纤法布里-珀罗干涉仪流量计398

10-3-4 全光纤麦克尔孙干涉仪流量计400

10-3-5 改进的光纤流量计403

第十一章 光纤磁场传感器407

11-1 引言407

11-2 干涉仪型光纤磁场传感器408

11-2-1 灵敏度的理论分析408

11-2-2 灵敏度的测量414

11-2-3 金属玻璃的应用418

11-2-4 直流磁场的探测423

11-2-5 低频交流磁场的探测425

11-2-6 闭环系统427

11-3 偏振型光纤磁场传感器431

11-3-1 磁致伸缩光纤线圈架的应用431

11-3-2 光时间域反射术的应用436

11-3-3 特种光纤线圈的应用438

11-3-4 上升时间超短的极强磁场的探测441

第十二章 光纤电流传感器444

12-1 引言444

12-2 干涉仪型光纤电流传感器445

12-3 磁光式光纤电流变换器447

12-3-1 原理447

12-3-2 元件453

12-3-3 测量457

12-4 利用法拉第材料的光纤电流传感器462

参考文献468