【文章內(nèi)容簡介】 出其中之一。 式中=1019(dB/km)，=，為纖芯折射率，為模斑半徑。和由下式計算： 式中，為歸一化徑向變量，為纖芯半徑，為包層折射率，為標量場分布。由此可見，值和模斑半徑密切相關(guān)，模斑半徑越小，微彎損耗越小。(2) 光纖與半導體激光器的耦合損耗半導體激光器的特點是：發(fā)光面為窄長條，長約幾十微米，寬約零點幾微米。當激勵電流超過閾值不多時，是基橫模輸出，它在垂直于光軸的平面內(nèi)呈高斯分布： 式中 ，是高斯光束的腰寬；是只和有關(guān)的常數(shù)。半導體激光器與光纖之間的耦合方式主要有兩種：直接耦合和用透鏡耦合。直接耦合就是把端面已處理的光纖直接對向激光器的發(fā)光面。這時影響耦合效率的主要因素是：光源的發(fā)光面和光纖纖芯總面積的匹配以及光源發(fā)散角和光纖數(shù)值孔徑的匹配。對于單模光纖，由于纖芯很細，只有部分光能射入光纖。至于角度的匹配，光纖只能接受小于孔徑角中的那一部分光。利用透鏡耦合可大大提高耦合效率，分別有端面球透鏡耦合、柱透鏡耦合、凸透鏡耦合、園錐形透鏡耦合、異形透鏡耦合。(3) 單模光纖和單模光纖直接耦合的損耗計算單模光纖直接耦合的損耗和計算多模光纖耦合損耗的主要差別是：對多模光纖其端面光功率分布視為均勻分布，而對單模光纖其端面光功率則視為高斯分布。影響單模光纖直接耦合效率的因素有：兩光纖的離軸和軸傾斜、兩光纖端面間的間隙、光纖種類的不同。兩光纖的離軸和軸傾斜引起的耦合損耗： 式中為兩光纖軸之間的間距；為兩光纖軸之間的夾角；為光纖的模斑半徑。兩光纖端面間的間隙引起的耦合損耗： 式中為兩光纖端面之間的距離。不同種類光纖引起的耦合損耗： 式中和分別是兩光纖的模斑半徑。 雙錐光纖錐形光纖是一種在生物化學傳感、數(shù)據(jù)存儲、圖像傳感等領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛的不規(guī)則光纖。本節(jié)主要介紹一下雙錐光纖的制作、傳輸理論以及一些特點。 雙錐光纖的加工目前國內(nèi)外加工錐形光纖的方法有3種[[] 張艷麗. 基于雙錐光纖傳感技術(shù)實現(xiàn)液體濃度測量的新方法[D]. 吉林：吉林大學, 2008.]。一種是研磨的方法。這種方法是利用圓柱形光纖磨成圓錐形（通常用來加工單錐光纖）。但是，由于光纖本身的直徑十分微小，而機械加工又具有相對較高的誤差范圍，因此，這方面的發(fā)展目前已處于停滯狀態(tài)。二是化學溶液腐蝕方法。這種方法是利用特殊的化學溶液，對放入其中的光纖進行腐蝕，通過控制光纖不同位置的受腐蝕時間，來達到加工錐形光纖的目的。但是該方法由于可行性較差，發(fā)展也很緩慢。三是熔融拉錐的方法。熔拉法是利用熔接機、燃燒器或激光器使光纖熔融，并在兩端施以拉力，最終在加熱區(qū)形成雙錐體形式的特殊波導結(jié)構(gòu)。如果用較大的力將雙錐光纖從中拉斷，再對端面進行下處理，就形成了端面光滑的單錐光纖。該方法是利用加熱了的光纖易于拉長的特點，在加熱的同時對其進行拉伸，這種制作錐形光纖的方法容易控制，可重復(fù)性好，成錐后表面光滑，是一種比較理想的制作方法。 雙錐光纖的傳輸理論雙錐形光纖不同于普通的圓柱形光纖，圖23是雙錐型光纖的結(jié)構(gòu)示意圖?？梢钥闯?，它的結(jié)構(gòu)包括3個部分：2個過渡區(qū)和和1個錐腰部分。在過渡區(qū)，光纖直徑隨徑向方向逐漸減小或者逐漸增大，其中一端作為輸入端，另一端作為輸出端。光纖直徑在錐腰區(qū)最小，并且保持不變，錐腰部分也是雙錐型光纖最敏感的區(qū)域[10]。圖23 雙錐形光纖錐區(qū)結(jié)構(gòu)示意圖圖24 光纖中的模式事實上，光在光纖中只能以一組獨立的光束或光線傳播。如果我們能看到光纖內(nèi)部的話，我們會看到一組光線以不同的傳播角傳播，傳播角的值可以從零變到臨界值，其情形如圖24所示。這些傳播角不同的光束稱為模式。我們用傳播角度的大小來區(qū)分模式，并用級這個詞來描述模式：光束的傳播角越小，其模式的級數(shù)越低。所以，嚴格沿光纖中心軸傳播的模式為零級模式，傳播角度為臨界值的模式為這個光纖中可能有的最高級模式。光纖中存在一個模式為單模光纖，存在多個模式為多模光纖。光纖中允許存在的模式數(shù)量取決于光纖的光特性和幾何特性。我們用歸一化頻率來表示光纖中的模式數(shù)量。歸一化頻率滿足：，其中是纖芯半徑，是工作波長，和分別是光纖纖芯和包層的折射率。當時，光纖中只允許最低階模式（基模）的存在。隨著值的增加，光纖中允許存在的模式數(shù)量也隨著增加。在多模光纖中，每一個模式的光大部分在纖芯中傳輸，其余小部分的光在纖芯外傳輸，在纖芯外傳輸?shù)墓鈴睦w芯包層界面向外呈指數(shù)形式衰減。因此，這部分光所形成的場被稱為漸消失場或衰減場。最低級模式對它衰減場的束縛是最強的，因此，它的衰減場也是最弱的。對于光纖中的較高級模式，衰減場隨模式級數(shù)的增加而增強。在單模光纖中，雖然只存在最低階模式（基模）。但是，在光纖的錐區(qū)纖芯半徑迅速變小，使得值小于1，以至于光纖再沒有能力把光限制在纖芯中傳輸。這個時候，光纖包層相當于纖芯，而外界媒質(zhì)相當于包層，光纖錐區(qū)的歸一化頻率由得到，這里的是錐形區(qū)域沿軸向處光纖的半徑，是外界媒質(zhì)的折射率。由于光纖包層與外界的折射率差比較大，光纖錐區(qū)會允許更高級的模式存在，所以在光纖錐區(qū)往往存在多個模式。此時錐區(qū)就好像一錐形多模光波導，較高級的模式分布在衰減場能量也較大。在錐區(qū)，光纖纖芯直徑變小，意味著衰減場的增強。在衰減場中，光的傳輸特性會因外界因素（折射率、溫度、壓力、應(yīng)變、磁場、電場、位移、轉(zhuǎn)動等)間接或直接地發(fā)生變化，通過探測雙錐形光纖輸出端光功率或光譜響應(yīng)，就可以知道外界參數(shù)的變化情況。 雙錐光纖的耦合特性根據(jù)上一小節(jié)雙錐光纖的傳輸特性研究，可以知道當光波在一個半徑從大到小的錐區(qū)傳輸時，會從某一位置開始，光纖纖芯中的模式會耦合到光纖包層中。由此，我們可以利用雙錐光纖制作雙錐光纖耦合器件[[] 薛春榮. 熔錐光纖的特性研究[J]. 激光與紅外, 2006, 36(9):886888.]。其光錐結(jié)構(gòu)如圖25所示：圖25 光纖耦合器的光錐結(jié)構(gòu)這種器件是將兩根(或兩根以上)去除涂覆層的光纖以一定的方式靠攏，然后在高溫下相互熔融，并且向兩側(cè)拉伸，最終在加熱區(qū)形成了雙錐體形式的特殊波導結(jié)構(gòu)。如果讓兩根光纖的一小段纖芯互相靠近至幾毫米，并使纖芯直徑大幅度減小，就能實現(xiàn)雙光纖耦合。在輸入端，單模光纖的傳導模是兩個正交的基模， 當傳導模進入雙錐光纖區(qū)域時，隨著光纖纖芯的不斷變細，值逐漸減小， 光纖纖芯中越來越多的光功率滲入光纖包層中，入射光在雙錐體結(jié)構(gòu)的耦合區(qū)發(fā)生功率的再分配傳輸；在輸出端，隨著光纖纖芯的逐漸變粗，值逐漸增大，光功率被兩根纖芯以特定的比例“捕獲”在雙錐光纖區(qū)域，兩光纖包層合并在一起，纖芯足夠逼近，形成弱耦合。 根據(jù)光波導理論，該器件的光功率的轉(zhuǎn)移大小與輸入的光波長、 兩光纖的纖芯間距以及互相作用長度均有關(guān)： 式中，表示耦合區(qū)的長度；表示耦合的強度。并且滿足： 式中，為工作波長；為兩光纖熔拉后頸錐截面寬度。綜上所述，該器件的光功率轉(zhuǎn)移大小隨耦合強度和耦合區(qū)長度的變化而周期性變化，而耦合強度隨工作波長的增大而增大。 雙錐光纖的調(diào)制特性光脈沖在光纖中的傳輸受光纖本身特性、脈沖原始寬度及脈沖功率大小的影響，光脈沖在經(jīng)過光纖發(fā)生耦合后的情況取決于光纖的吸收效應(yīng)、色散效應(yīng)和非線性效應(yīng)的總和，其中光纖的吸收效應(yīng)對給定的光纖系統(tǒng)是一定的，并且由于現(xiàn)代光纖制造技術(shù)的提高，其影響極小，故可以忽略吸收效應(yīng)對光脈沖變化的影響；色散效應(yīng)的根本起源于光波與波導的束縛電子相互作用時，介質(zhì)的響應(yīng)通常與光波頻率有關(guān)，而實際所用的載波總是存在一定的頻譜范圍，由于不同的頻譜分量對應(yīng)不同的脈沖傳播速度，所以脈沖在經(jīng)過一定的傳輸長度后， 總會由于色散的存在而展寬；非線性效應(yīng)主要是指由折射率對光強的依賴關(guān)系而導致的自相位調(diào)制，但對于雙錐光纖器件，由于其耦合區(qū)極短，只有十幾微米，所以完全可以忽略色散效應(yīng)和非線性效應(yīng)，因此，光脈沖在經(jīng)過雙錐形光纖耦合后，會保持其脈沖形狀不變[12]。我們按如圖所示的裝置進行實驗，對光脈沖經(jīng)過雙錐形光纖耦合后的變化進行了檢測，從示波器的顯示圖也驗證了光脈沖在經(jīng)過雙錐形光纖耦合傳輸后其形狀保持不變。 本章小節(jié)本章簡單介紹了光纖的結(jié)構(gòu)、分類、損耗、外界因素引起的單模光纖系統(tǒng)的損耗、光纖與半導體激光器的耦合損耗以及單模光纖之間直接耦合的損耗，然后簡單講述了雙錐光纖的加工，并且分析了雙錐光纖的一些特性，包括傳輸特性、耦合特性和調(diào)制特性。第三章 光纖傳感器近年來，傳感器在朝著靈敏、精確、適應(yīng)性強、小巧和智能化的方向發(fā)展。在這一過程中，光纖傳感器這個傳感器家族的新成員倍受青睞。光波是短波長的電磁波，它可以產(chǎn)生干涉、衍射、偏振、反射、折射等現(xiàn)象．光纖具有質(zhì)量輕、透光性、電絕緣性、無感應(yīng)性、柔軟性、帶寬等優(yōu)點。將光的上述待點和光纖結(jié)合起來，可以做成各式各樣的