第九章 光导纤维与光纤传感器.ppt

第九章光导纤维与光纤传感器
光导纤维基础知识
光纤的结构
纤芯
包层
外套
纤芯:多为石英玻璃或塑料,直径为5~150μm. 折射率n1
包层:直径为100~200μm,也为玻璃或塑料但折射率低于纤芯. 折射率n2
外套:用于提高光纤的机械强度,保护光纤,其折射率大于纤芯的折射率
N2<n1
n1
n2
r
a)阶跃光纤
纤芯
包层
b)梯度光纤(渐变光纤)
n1(r)
n2
r
纤芯
包层
光纤的结构
多模光纤-----光纤中可以传播多个特征角的光波
能够在光纤中传播的光波的特征角不是连续的,而是一系列分立的值
特征角
从“射线光学”的角度定性的理解多模光纤和单模光纤:
单模光纤-----光纤中只能传输一种特征角的光波
单模光纤纤芯与包层的折射率差很小,且纤芯很小,所以其中传播的光近似的平行于纤芯
多模光纤的芯径较大
光纤的传输模式

-----特征角的不同
光纤的传光原理
空气n0
θ0
φ1
n1
n2
θ´
能在光纤中发生全反射的入射光的入射角不能大于θC:
数值孔径越大,光纤集光能力越强
数值孔径NA
最大张角
例:石英光纤的NA=~
张角为:°~°
当光纤有弯曲,但弯曲程度不大时,仍然认为,光在整个传播过程中,入射角φ1不变.
1
2
但当有相对较急剧的穹曲时,则会产生漏光
φ1
φ1
光纤的传输特性

吸收损耗:
光能转化为热能
散射损耗:
由光纤材料的不均匀性或材料的缺陷引起
弯曲损耗
1
2
(1) 材料色散(折射率色散)
材料的折射率随入射光波长的改变而稍有不同,所以当入射的光信号由多种波长的光组成时,不同波长的光不同时到达光纤的另一端,而产生色散
(3) 多模色散(模式色散)
各种模式的传输路径不同,所以同时射入光纤而传播模式不同的光,并不同时到达光纤的输出端,从而引起色散
光脉冲在传输过程中的展宽现像

(2) 波导色散(结构色散)
由于光纤的纤芯与包层的折射率差很小,因此在交界面产生全反射时,就可能有一部分光进入包层之内。这部分光在包层内传输一定距离后,又可能回到纤芯中继续传输。进入包层内的这部分光强的大小与光波长有关,这就相当于光传输路径长度随光波波长的不同而异。

由于光脉冲在传输过程中的色散展宽,而影响到光纤的信息容量和品质。
4. 抗拉程度
取决于材料的纯度、分子结构状态、光纤的粗细及缺陷
5. 集光本领
由光纤的数值孔径决定
光纤的耦合
3种结构形式
(1)
(2)
(3)