【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 耗 ? 端面傾斜對(duì)傳播的影響 模式 考慮三條光線，三個(gè)角度入射 只有小于臨界角的光線才能在光纖中傳播 基模 ：直線 總能傳播 高階模 ：第一個(gè)偏離直線而又滿足 2πm 條件的的光線 第二個(gè)偏離直線而又滿足 2πm 條件的的光線。 結(jié)論 ：從高階模到低階模順序截至（隨頻率、隨光線直徑變化） 光纖中模式的截止 : 模式分類(m) u值 (n) TEon,TMon EH1n,HE1n 0 EH2n,HE2n EH3n,HE3n 截止順序 HE11 TE01 TM01 HE21 EH11 HE31 場(chǎng)型圖 11( ) a H E 模 01( ) b TE 模 01( ) c TM 模 21( ) d H E 模11( ) e EH 模 31( ) f H E 模(a) 光能量閉鎖較好的情況 (b) 臨近截止的情況 11( ) a H E 模 0 1 0 1 2 1( ) b T E T M H E模 、 模 、 模 V 122 21202()aV n n???? 122 21202( ) 2. 40 4ann???? sinio ioio NA???為 一 個(gè) 臨 界 角 ， 凡 是 小 于 的 光 線 都 可 以 在 光 纖 中 傳 輸定 義 ： 為 數(shù) 值 孔 徑 NA: Numerical Aperture 定義： sinθ=NA NA越大 θ越大，進(jìn)入光線的的光越多 傳輸損耗 定義：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度上輸入功率與輸出功率的比值 oiPPL lo g101??損耗原因：吸收損耗，散射損耗，彎曲損耗等。 1)吸收損耗 （ 1） 本征吸收（非缺陷吸收 ） 起因：原子振動(dòng)（吸收光能轉(zhuǎn)化為振動(dòng) 與固有振蕩頻率有關(guān) ——與光譜有關(guān) ） 兩個(gè)吸收帶： 紫外區(qū) 中心 ?? ?吸收帶尾延伸至 ? ?0 . 1 6 μ 0 . 7 1 . 1 μ~紅外區(qū) 中心 ?? 128 ??吸收帶尾延伸至 ?兩吸收帶都影響至傳輸窗口 1 . 5 μ 8 1 2 μ（ 2） 雜質(zhì)吸收（雜質(zhì)吸收） 起因：雜質(zhì)吸收光能，振動(dòng) →熱能 影響最大的雜質(zhì) 根， 銅 ， 鐵 ， 鎳 ??uC ??eF ??iN???rC例 ： ?OH 根，振動(dòng)基頻 m?? ?釩 ，鉻 ，鎂 ???V其諧波吸收譜如右圖 ， 若 ?? ?要求 kmdb /??OH???gMμ0 . 50 . 7 0 . 91 . 11 . 3 1 . 51 . 3 90 . 9 50 . 7 21 0 01 0 0 04 倍 頻3 倍 頻2 倍 頻αd b / k m其濃度應(yīng)為 ppm1ppm1 （重量為百萬分之一） 若要求 Kmdb /1????nC 吸收峰值 ，則濃度為 （重量十億分之一 ） ? ??eF 吸收峰值 ，則濃度為 ? （ 3）原子缺陷吸收 在成纖時(shí)產(chǎn)生的原子缺陷 2) 散射損耗 （ 1）本征散射 a)原因： ?在加熱過程中，熱騷動(dòng)使原子受壓縮，起伏，引起物質(zhì) 密度不均勻 →導(dǎo)致折射率不均勻。 ?折射率不均勻 →產(chǎn)生散射 特點(diǎn)：缺陷尺寸與波長(zhǎng)相比較小 瑞利散射 分子散射是由瑞利提出的，散射光強(qiáng) 和波長(zhǎng)的四次方成反比 41??I其核心理論是小質(zhì)點(diǎn)的散射 (2) 散射光譜較寬 41??I? 在長(zhǎng)波長(zhǎng)工作散射較小 例：熔融二氧化硅，散射極限值 （最低極限值） ?? ??θ0dφ0φ0φ0φ0φ1ABDφ2xXOC3)彎曲損耗 由于光纖彎曲，可以破壞原來的傳播特性。 光纖直徑為 d CX為彎 —直部分界線 CO為曲率半徑 R 為直部處入射角 為彎曲處入射角（外表面） 為彎曲處入射角（內(nèi)表面 ） 0?1?2?xOX ?應(yīng)用正弦定理于 ACX??C X ACACX??? s ins in 100 s in)1 8 0s in (s in ??????? C X A?01 s i n2s i ns i n ???????dRxRC X ACACX2dx??? 01 ???同理： 結(jié)論：當(dāng) R過小時(shí)（嚴(yán)重彎曲）， 可使之 不滿足全反射條件，輻射損耗 當(dāng) R變小到某一程度時(shí)， 變?yōu)橹本€傳播，不經(jīng)內(nèi)表面反射。 20???20???2 90? ?? 光纖端面傾斜對(duì)傳播的影響 實(shí)際上，端面與軸線有一定不垂直度 有時(shí)故意做成某種形狀 激光器與光纖耦合 α 端面傾斜角為 ?0 0 1 11101si n si n2()21si n ( c os c os si n si n )nnn???? ? ??? ? ?? ? ? ? ??? ? ?? ? ? ??? ? ?0令 n211122222212211sin1c o s ( )cnnnnnnn?????? ? ?cc如 果 此 時(shí) 為 臨 界 角 ＝ （ 1 ）122 21 2 2s i n s i n ( ) c o s s i noa n n n? ? ? ?? ? ? ?因?yàn)槭桥R界角 ,即為數(shù)值孔徑 如果法線 α 上方入射 ,分析可得 (利用 ) 12? ? ? ?? ? ?122 21 2 2s i n ( ) c o s s i na n n n? ? ?? ? ?前面講過數(shù)值孔徑 12221 2 1s i n ( ) 2a n n n N A? ? ? ? ? ?2s i n . c o s s i na N A n? ? ?? ? ?如果 (無傾斜 ),則與原來一樣 0? ?2s in s in.c o sa nNA ?????討論極端情況 ,集光最大 2a?? ?21 s in.c o snNA ????(所有方向上的光均能進(jìn)入光纖 ) 這時(shí) ,NA為可能大于 1(如 :α =45度 ) 說明端面傾斜對(duì)入射光來說有利于集光 但是討論出射 : 1 1 11s in s in c o ss inc o soon n nnn? ? ??????代入前面的公式 : 122 21s i n s i n c o s ( s i n ) s i no n? ? ? ? ?? ? ?當(dāng) θ ≥ 90度時(shí) 12 21s i n c o s ( 1 ) s i no n? ? ?? ? ?如果前面算出的 比上式大 ,則要產(chǎn)生全反射 ,而不能出射 . 因此 ,出射的限制 , 受到限制 . s in s inoa???o?二、光纖傳感器 ■ 問題： 被測(cè)信號(hào)如何與光纖的各種特性相聯(lián)系 ？ ◆ 光纖有哪些特點(diǎn)？ ◆ 作為傳輸媒質(zhì)：物理量： n、 n的分布 幾何量： r、 l、橢圓度 ◆ 被傳導(dǎo)的光的性質(zhì)：強(qiáng)度、相位、頻 率、偏振態(tài)、光的干涉、衍射等 ◆ 被測(cè)信號(hào)：力學(xué)量、電學(xué)量、化學(xué)量等 ???光和光線如何能夠感知被測(cè)信號(hào) ??? (傳輸損耗 ) 原理 :被測(cè)量調(diào)制光強(qiáng) 特點(diǎn) :技術(shù)簡(jiǎn)單 ,可靠 原理圖 : 光 強(qiáng)度調(diào)制區(qū) D 裝置 (1)微彎效應(yīng) 光 D ?位移 強(qiáng)度變化原因 : a)彎曲損耗 (射線光學(xué) ) b)模間耦合 (波動(dòng)理論 ) 當(dāng)一對(duì)模式的有效傳播常數(shù)之差 時(shí) ,其兩模式之間的耦合程度最強(qiáng) . 如果 β 1為導(dǎo)波模式 , β 2 為包層模式 . 對(duì)于階躍光纖 ,當(dāng) 時(shí) ,有最大耦合效果 . (a為纖芯半徑 ,Δ 為相對(duì)折射率差 ) 122 ?? ? ?? ? ? ??a????(2)光強(qiáng)度外調(diào)制 特點(diǎn) :光纖只起接收光和傳光作用 . DF ( 位 移 )F半 導(dǎo) 體 ( 隨 溫 度 透 光 性 變 化 ) 原理 : 由于外部被測(cè)量的作用使光纖內(nèi)傳播的 光波發(fā)生相位變化 ,利用干涉測(cè)量技術(shù) ,將相位 變化變換為振幅變化 ,通過光電探測(cè)器進(jìn)行檢 測(cè) . 激光器光檢測(cè)器換能器分束器固定平面鏡移動(dòng)平面鏡(1)邁克爾遜干涉儀 (2). 馬赫 ― 澤德 (Mach―Zehnder) 干涉儀 激光器分束器移動(dòng)平面鏡換能器光檢測(cè)器分束器固定平面鏡(3). 薩格奈克 (Sagnac)干涉儀 激光器光檢測(cè)器平面鏡平面鏡(4). 法布里 ―珀羅 (Fabry―Perol)干涉儀 激光器光檢測(cè)器換能器固定平面鏡 移動(dòng)平面鏡(5)光纖干涉儀 耦合的概念 耦合的方法 : 光纖并行 . 耦合的效果 : 耦合可控制 ,使之達(dá)到能量分配 目的 .例如 ,可實(shí)現(xiàn)一半功率的耦合 (3db) “全光纖 ” 干涉儀結(jié)構(gòu) 激光器光探測(cè)器激光器信號(hào)處理器3 d B 耦合器反射的光纖端面換 能 器( a )( b )激光器光探測(cè)器激光器 光探測(cè)器( c )( d )部分透射反射鏡兩光纖光的干涉 ? 外界信號(hào)調(diào)制使測(cè)量光纖伸長(zhǎng) （ 6）相位檢測(cè) 問題： 光電探測(cè)器對(duì)光強(qiáng)敏感，對(duì)相位不敏感 如何使相位變化轉(zhuǎn)換對(duì)應(yīng)成光強(qiáng)變化？ 阿 考慮特殊點(diǎn)的情況 靈敏度 如果光纖的變化比波長(zhǎng)大很多，周期變化頻率與信號(hào)變化對(duì)應(yīng)。 如果光纖的變化比波長(zhǎng)小很多，采用零差檢測(cè)等技術(shù)。 ()dId ?? I探 測(cè) 器 電 流a 光源 差分放大器 積分放大器 帶通濾波器 鎖相放大器 數(shù)據(jù)處理 結(jié)果顯示 移項(xiàng)控制 整形電路 3db 3db 阿 h?0?? L L?02 L n L L?? ? ??? ? ? 被測(cè)信號(hào)使光線變化（長(zhǎng)度： L， 應(yīng)變 ；折射率； 彈光效應(yīng) 直徑： 泊松效應(yīng) 考慮：參考臂和測(cè)量臂中通過的光 ( ) ( ) ( )LL L n L aL n a???? ? ? ?? ? ? ? ? ???1 1 1 1 139。2 2 2 2c os ( ) 39。c os ( ) pEtEt? ? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ? ?? ?1 1 22 1 2121 i0 2 i02 [ D 1 c os( ) ] 1 c os [ 1 c os( ) ] 1 c os D D U =U 1+ c os U = U 1 c osS S =iiiiI I II I IdU? ? ?? ? ???? ? ? ? ?? ? ? ?、（ ）的 輸 出 電 壓 為 ：（ ） ； （ ） ；考 察 靈 敏 度 ：根 據(jù) 耦 合 理 論 ， 兩 探 測(cè) 器 1 、2 接 受 的光 強(qiáng) 為 ：0012si n ( )2 : = 2