光纖光柵理論基礎(chǔ)與傳感技術(shù)

前言

1978年，世界上誕生了第一根光纖布拉格光柵，1996年，出現(xiàn)了長周期光纖光柵。這些年來，很多學(xué)者為此付出了勞動(dòng)和努力，人們對(duì)光纖光柵有了較深入的了解，光纖光柵在實(shí)際中獲得了應(yīng)用。目前，國內(nèi)外大量文獻(xiàn)對(duì)光纖光柵進(jìn)行了研究介紹，雖然對(duì)平面光波導(dǎo)中的同向模間的耦合和反向模間的耦合有較早的研究，但對(duì)光纖光柵中的同向模間和反向模間的耦合研究卻較晚，大量文獻(xiàn)主要出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代以后。國內(nèi)外有幾部著作介紹了光纖光柵，但都局限于介紹光纖光柵的特性、應(yīng)用、制作方法，在理論方面通常都是直接引用文獻(xiàn)上的結(jié)果，較少從理論上系統(tǒng)和全面地介紹分析光纖光柵，而且不同文獻(xiàn)在理論上給出的結(jié)果存在一定的差異。本書旨在將分布在這些文獻(xiàn)上有關(guān)光纖光柵的資料，特別是理論方面的內(nèi)容整理在一起，并給出完整和系統(tǒng)的推理過程，給讀者尤其是初學(xué)者提供一個(gè)能夠快速了解和系統(tǒng)掌握光纖光柵的發(fā)展、研究方法、特性和應(yīng)用的捷徑。作者希望給出有關(guān)光纖光柵的基本理論，特別是給出較詳細(xì)而且容易理解的推理過程，對(duì)一些主要和基本公式，不是簡單地引用文獻(xiàn)上的結(jié)果，而是給出較詳細(xì)的推導(dǎo)過程，以使讀者能夠更深刻地了解光纖光柵的特性，掌握研究方法，為從事有關(guān)方面的研究提供參考。例如，從一般的耦合模方程得到光纖布拉格光柵的耦合模方程，一般文獻(xiàn)上都是直接給出結(jié)果，或引用其他文獻(xiàn)上的結(jié)果。實(shí)際上，在這一過程中，忽略一些次要項(xiàng)，保留主要作用的項(xiàng)，便可以得到嚴(yán)格求解的耦合模方程。但若按嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推理，卻無法得到此方程，這對(duì)其他方面的研究有一定的參考意義。在編寫本書的過程中，出現(xiàn)了一些問題或困難，主要是有些公式在不同文獻(xiàn)中互不相同，較為典型的有光纖布拉格光柵耦合模方程、傳輸矩陣、啁啾光柵的Riccati方程和長周期光纖光柵的應(yīng)變與溫度靈敏度公式等。光纖布拉格光柵的耦合模方程的差別在于兩個(gè)方程的右邊，有些文獻(xiàn)上為一正一負(fù)，有些文獻(xiàn)皆為正，在用解析法求解時(shí)，實(shí)際上前者得到的是光纖布拉格光柵的解，后者得到的是長周期光纖光柵的解。有些文獻(xiàn)中給出的傳輸矩陣雖然得到的結(jié)果和實(shí)驗(yàn)所得基本符合，但在一些細(xì)節(jié)上有差別，從數(shù)學(xué)上嚴(yán)格推導(dǎo)時(shí)無法合理地給出。還有坐標(biāo)原點(diǎn)的選取問題，有些文獻(xiàn)中對(duì)相移光纖光柵的傳輸矩陣都是直接給出一個(gè)相移矩陣，而實(shí)際上是將折射率的相移直接反映在電場振幅的相移上，這顯然是不合理的。選取一個(gè)非常特殊的點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，相當(dāng)于將各段光柵之間的關(guān)系分開。因此，對(duì)于傳輸矩陣，結(jié)合作者近年來的研究成果，在本書給出了詳細(xì)的推導(dǎo)過程。

內(nèi)容概要

　　《光纖光柵理論基礎(chǔ)與傳感技術(shù)》系統(tǒng)地介紹了光纖光柵的發(fā)展、基本理論、特性和應(yīng)用。從內(nèi)容上分為光纖布拉格光柵和長周期光纖光柵兩部分。前者主要包括光纖布拉格光柵的發(fā)展、耦合模方程、譜寬度、傳輸矩陣、多層模方法等，以及相移、啁啾、取樣光纖布拉格光柵的特性和應(yīng)用、光柵的級(jí)聯(lián)、法布里-珀羅光纖光柵濾波器等，同時(shí)還介紹了群速度、群時(shí)延、色散等概念，并給出了分析非均勻光纖布拉格光柵的Riccati方程，介紹了光纖布拉格光柵的軸向應(yīng)變、溫度傳感特性、波長解調(diào)方法及應(yīng)用等。后者詳細(xì)介紹了耦合模方程、譜特性、傳輸矩陣等，以及相移、級(jí)聯(lián)長周期光纖光柵，分析了長周期光纖光柵對(duì)軸向應(yīng)變、溫度、折射率、扭轉(zhuǎn)、彎曲等外界微擾的敏感特性，以及金屬包層長周期光纖光柵的特性。最后介紹了光纖光柵的制作方法，附錄中詳細(xì)給出了單軸晶體光纖的本征方程和場方程?！　　豆饫w光柵理論基礎(chǔ)與傳感技術(shù)》側(cè)重于從理論方面詳細(xì)分析光纖光柵的各種特性，可供從事光纖光柵、光通信、傳感應(yīng)用專業(yè)的科研人員參考閱讀。

書籍目錄

前言常數(shù)表第1章 緒論1.1 概述1.2 光纖光柵的發(fā)展1.3 光纖光柵的主要應(yīng)用參考文獻(xiàn)第2章 光纖光柵基礎(chǔ)2.1 光纖的基本結(jié)構(gòu)與模式2.1.1 光纖的基本結(jié)構(gòu)2.1.2 纖芯模和包層模2.1.3 模的傳播常數(shù)與有效折射率2.2 光纖光柵概述2.2.1 平面光柵2.2.2 光纖光柵2.2.3 光纖光柵譜2.2.4 非均勻光纖光柵2.3 光纖光柵的應(yīng)用2.4 光纖的光敏性和載氫參考文獻(xiàn)第3章 耦合模理論與光纖布拉格光柵3.1 規(guī)則光波導(dǎo)的本征模及模的正交性3.2 耦合模理論3.3 均勻光纖布拉格光柵的耦合模方程及其求解3.4 光纖布拉格光柵的帶寬習(xí)題參考文獻(xiàn)第4章 相移、切趾和啁啾光纖布拉格光柵4.1 相移光纖布拉格光柵及其傳輸矩陣4.2 模自耦合的影響4.3 切趾光纖布拉格光柵4.4 啁啾光纖布拉格光柵及Riccati方程4.5 啁啾光纖布拉格光柵的傳輸矩陣法分析4.6 光在光纖中傳輸時(shí)的色散和時(shí)延4.6.1 光的色散、相速、群速和時(shí)延4.6.2 光纖的色散和時(shí)延4.7 光纖布拉格光柵的色散4.8 啁啾光纖布拉格光柵的色散特性及其應(yīng)用4.9 切趾對(duì)啁啾光纖布拉格光柵色散特性的影響習(xí)題參考文獻(xiàn)第5章 取樣光纖布拉格光柵及光纖光柵的多層模法分析5.1 取樣光纖布拉格光柵的諧振條件及譜間隔5.2 取樣光纖布拉格光柵的傳輸矩陣5.3 取樣光纖布拉格光柵反射譜中的缺級(jí)現(xiàn)象5.4 切趾取樣光纖布拉格光柵5.5 光纖布拉格光柵的級(jí)聯(lián)5.6 法布里一珀羅光纖布拉格光柵濾波器5.7 光纖布拉格光柵的多層模法分析5.7.1 多層模的矩陣法5.7.2 多層模的迭代法習(xí)題參考文獻(xiàn)第6章 光纖布拉格光柵傳感器及其應(yīng)用6.1 概述6.2 光纖布拉格光柵的軸向應(yīng)變傳感特性6.2.1 彈光效應(yīng)6.2.2 光纖布拉格光柵的軸向應(yīng)變靈敏度6.2.3 光纖布拉格光柵軸向應(yīng)變靈敏度的數(shù)值計(jì)算6.3 光纖布拉格光柵的溫度傳感特性6.4 光纖布拉格光柵的溫度與應(yīng)變交叉敏感問題6.5 光纖布拉格光柵傳感器的波長解調(diào)6.6 光纖光柵傳感的復(fù)用技術(shù)和傳感網(wǎng)絡(luò)6.6.1 復(fù)用技術(shù)6.6.2 傳感網(wǎng)絡(luò)6.7 光纖布拉格光柵傳感器應(yīng)用6.7.1 光纖布拉格光柵傳感器的主要應(yīng)用6.7.2 光纖布拉格光柵傳感器的安裝、穩(wěn)定性和耐久性問題參考文獻(xiàn)第7章 長周期光纖光柵的基本特性7.1 概述7.2 長周期光纖光柵的耦合模理論分析7.3 長周期光纖光柵的耦合模方程求解7.4 諧振波長與耦合深度7.5 長周期光纖光柵的帶寬7.6 長周期光纖光柵的傳輸矩陣7.7 相移長周期光纖光柵7.8 長周期光纖光柵的級(jí)聯(lián)7.9 長周期光纖光柵的譜結(jié)構(gòu)分析參考文獻(xiàn)第8章 長周期光纖光柵的耦合常數(shù)8.1 長周期光纖光柵的模耦合常數(shù)8.1.1 模耦合常數(shù)8.1.2 2—2層介質(zhì)模型長周期光纖光柵的纖芯模和包層模8.2 2—2層介質(zhì)模型長周期光纖光柵的模耦合常數(shù)8.3 2—3層介質(zhì)模型長周期光纖光柵的模耦合常數(shù)8.3.1 三層介質(zhì)模型光纖的包層模8.3.2 三層介質(zhì)光纖包層模本征方程的求解及包層HE／EH模8.3.3 2—3層介質(zhì)模型長周期光纖光柵的模耦合8.3.4 纖芯模的弱導(dǎo)近似習(xí)題參考文獻(xiàn)第9章 長周期光纖光柵傳感特性9.1 長周期光纖光柵的軸向應(yīng)變特性的簡化分析9.2 軸向應(yīng)變光纖的特點(diǎn)9.3 單軸晶體光纖的纖芯模和包層模本征方程9.3.1 兩層介質(zhì)模型單軸晶體光纖的纖芯模本征方程9.3.2 三層介質(zhì)模型單軸晶體光纖的包層模本征方程9.4 軸向應(yīng)變長周期光纖光柵的應(yīng)變靈敏度分析9.5 長周期光纖光柵的溫度傳感特性9.5.1 溫度對(duì)光纖纖芯模和包層模有效折射率的影響9.5.2 長周期光纖光柵的溫度靈敏度9.6 長周期光纖光柵的折射率傳感特性9.6.1 長周期光纖光柵折射率傳感特性概述9.6.2 長周期光纖光柵的折射率靈敏度9.6.3 薄包層長周期光纖光柵的折射率靈敏度9.7 長周期光纖光柵的扭轉(zhuǎn)9.7.1 ULPFG的扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)9.7.2 ULPFG的扭轉(zhuǎn)特性分析9.7.3 CLPFG的扭轉(zhuǎn)特性9.8 長周期光纖光柵的彎曲參考文獻(xiàn)第10章 金屬包層長周期光纖光柵10.1 金屬的光學(xué)特性10.2 金屬包層長周期光纖光柵的特點(diǎn)及包層模本征方程10.3 復(fù)本征方程的求解10.4 金屬包層對(duì)長周期光纖光柵諧振波長的影響10.5 金屬包層長周期光纖光柵諧振峰的電調(diào)諧參考文獻(xiàn)第11章 光纖光柵的制作11.1 光纖光柵制作方法簡介11.2 啁啾光纖布拉格光柵的制作11.3 取樣光纖布拉格光柵的制作11.4 切趾光纖布拉格光柵的制作11.5 長周期光纖光柵制作中的若干問題參考文獻(xiàn)附錄A 兩個(gè)包層模本征方程的等價(jià)性證明附錄B 長周期光纖光柵纖芯模到包層模耦合常數(shù)附錄C 單軸晶體光纖本征方程C.1 三層介質(zhì)模型單軸晶體光纖中的電磁場方程C.2 三層介質(zhì)模型單軸晶體光纖的包層HE／EH模本征方程C.3 三層介質(zhì)模型單軸晶體光纖的纖芯HE／EH模本征方程附錄D 單軸晶體光纖場方程D.1 單軸晶體光纖的HE／EH包層模場方程D.2 對(duì)易關(guān)系及單軸晶體光纖的HE／EH纖芯模場方程附錄E 貝塞爾函數(shù)公式

章節(jié)摘錄

插圖：第2章光纖光柵基礎(chǔ)光纖光柵是在光纖中制作的一種無源器件，在光纖中沿軸向建立一種折射率周期性的分布，它能夠?qū)μ囟úㄩL附近一定帶寬內(nèi)的光具有反射或損耗作用。早期的光纖光柵是指光纖布拉格光柵，直到1996年出現(xiàn)了長周期光纖光柵后，光纖光柵按照其工作原理的差別，被分為光纖布拉格光柵和長周期光纖光柵。前者周期較小，在通常的光通信波段，周期在微米以下；后者周期分布較寬，可以從數(shù)十微米到幾百微米，但從理論上說也可以小到數(shù)微米。光纖布拉格光柵是由于光柵的存在，而使在光纖中前向傳輸?shù)睦w芯模和后向傳輸?shù)睦w芯模之間發(fā)生耦合，也就是前向傳輸?shù)睦w芯模被耦合到后向傳輸?shù)睦w芯模中，實(shí)質(zhì)上相當(dāng)于在光纖中放置了一個(gè)反射鏡。長周期光纖光柵是由于光柵的存在，而使光纖中前向傳輸?shù)睦w芯模被耦合到同向傳輸?shù)陌鼘幽Ｖ?，由于光纖的包層與保護(hù)層之間的界面的不均勻性，包層模在傳輸不長的距離后被損耗掉，實(shí)際上，長周期光纖光柵相當(dāng)于使纖芯模受到了損耗或衰減。這兩種光柵的反射或損耗作用都是對(duì)特定范圍波長的光波起作用，因此具有選擇性，這也正是它們得到應(yīng)用的主要特性。受到最大反射或損耗的光波波長稱為諧振波長(resonant wavelength)。

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《光纖光柵理論基礎(chǔ)與傳感技術(shù)》由科學(xué)出版社出版。

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