光纖傳感技術(shù)及應(yīng)用

前言

光纖傳感技術(shù)是以光電子學(xué)、機(jī)械學(xué)、材料學(xué)及計(jì)算機(jī)信息處理等為基礎(chǔ)的一門新興技術(shù)。光纖是光波導(dǎo)的一種，具有損耗低、頻帶寬、線徑細(xì)、可撓性好、抗電磁干擾，耐化學(xué)腐蝕、原料豐富、制造過程能耗少、節(jié)約大量有色金屬等突出優(yōu)點(diǎn)，引起了人們的高度重視。隨著光纖制造工藝的不斷發(fā)展、完善以及光電器件性能的不斷提高，光纖的應(yīng)用由最初的傳像、醫(yī)療診斷到通信網(wǎng)絡(luò)，從長距離光纖通信到光纖傳感，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、運(yùn)輸、通信、服務(wù)、軍事、能源、教育等各種領(lǐng)域，為信息世界的發(fā)展提供了一個(gè)有效的媒介。光纖的各種特性直接影響著光纖的各種應(yīng)用，光纖的各種應(yīng)用又對(duì)光纖特性的改進(jìn)提出了許多新要求、新課題。光纖自20世紀(jì)60年代問世以來，就已應(yīng)用于傳遞圖像和檢測技術(shù)方面，主要是用于傳遞遠(yuǎn)距離和難以接收到的信號(hào)。隨著光通信的應(yīng)用，光纖工藝和技術(shù)得到了迅速發(fā)展。人們逐漸認(rèn)識(shí)到光纖的許多性質(zhì)可用于探測各種物理量，光纖傳感技術(shù)引起人們極大的重視，成為一個(gè)很有生命力的研究和應(yīng)用領(lǐng)域。應(yīng)用光作為檢測技術(shù)的手段已經(jīng)有較長的歷史，光測技術(shù)是隨著科學(xué)發(fā)展同步地發(fā)展起來的，激光發(fā)明后也是首先考慮應(yīng)用到測量技術(shù)上。由于半導(dǎo)體激光器和光導(dǎo)纖維等光學(xué)部件的顯著進(jìn)步，光測技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)飛躍時(shí)期。尤其是測試技術(shù)中低損耗光纖的“光纖敏感元件”的出現(xiàn)，使得作為非接觸、高速度、高精度的測試手段的光測技術(shù)又獲得一次飛躍發(fā)展。隨著光纖技術(shù)與光學(xué)波導(dǎo)、集成光學(xué)、非線性光學(xué)、傅里葉光學(xué)、微光學(xué)等不斷深入研究和交叉影響及發(fā)展，光纖傳感器將在眾多領(lǐng)域中得到更廣泛的應(yīng)用。由于光纖傳感器不受電磁干擾，傳輸信號(hào)安全，可實(shí)現(xiàn)非接觸測量，可做成光纖傳光型及光纖敏感型的各式各樣的傳感器，因而它具有高靈敏度、高精度、高速度、高密度，適應(yīng)各種惡劣環(huán)境下使用以及非接觸、非破壞和使用簡便等特點(diǎn)。近年來，傳感器朝著微型化、數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。光纖傳感器具有眾多優(yōu)異的性能，能夠?qū)?yīng)變、壓力、溫度、振動(dòng)、聲場、折射率、加速度、電壓、氣體等各種參數(shù)進(jìn)行精確測量，適應(yīng)極端惡劣的環(huán)境。

內(nèi)容概要

本書主要論述光纖傳感器中使用的光纖、光源、光探測器以及光纖傳感器及其系統(tǒng)的原理、特點(diǎn)、應(yīng)用。主要內(nèi)容包括：光纖的結(jié)構(gòu)特性、光學(xué)特性和傳輸特性；光纖傳感器使用的光源，諸如氣體放電光源、脈沖氙燈、半導(dǎo)體光源、激光光源的基本特性；熱電探測器、光電子發(fā)射探測器、光電導(dǎo)探測器、光電二極管等的光電機(jī)理及其光譜特性；光電混合式光纖傳感器、光纖光柵傳感器、光纖熒光傳感器、光纖溫度傳感器、光纖氣體傳感器和光纖陀螺儀等的原理、特點(diǎn)以及一般設(shè)計(jì)方法。    本書可供測控技術(shù)、光學(xué)、精密儀器、光電工程等學(xué)科的學(xué)生及教師閱讀，也可供相關(guān)工程技術(shù)領(lǐng)域的研究人員參考。

書籍目錄

第1章　光纖的基本特性  1.1  引言  1.2　光纖的結(jié)構(gòu)與分類    1.2.1　光纖的結(jié)構(gòu)    1.2.2　光纖的分類  1.3　光纖的導(dǎo)光原理    1.3.1　光在介質(zhì)分界面上的全反射    1.3.2　光線在光纖中的傳播    1.3.3　光波在光纖中的傳播  1.4　光纖的損耗特性    1.4.1　光纖的損耗系數(shù)    1.4.2　吸收損耗    1.4.3　散射損耗    1.4.4　輻射損耗  1.5　光纖的色散特性    1.5.1　時(shí)延差和色散系數(shù)    1.5.2　材料色散和波導(dǎo)色散    1.5.3　模間色散    1.5.4　光纖的傳輸帶寬  1.6　光纖的偏振與雙折射    1.6.1  單模光纖的理想偏振特性與雙折射效應(yīng)　　1.6.2　保偏光纖    1.6.3　純單模光纖  1.7　光纖的非線性    1.7.1　非線性折射    1.7.2　受激非彈性散射    1.7.3　參量過程與四波混頻    1.7.4　光弧子  1.8　光子晶體光纖　　1.8.1　光子晶體光纖概述    1.8.2　光子晶體光纖的導(dǎo)光原理    1.8.3　光子晶體光纖的特性    1.8.4　光子晶體光纖的應(yīng)用前景第2章　光源與光探測器  2.1  引言  2.2　輻射光源基礎(chǔ)  2.3　光源的相干性    2.3.1　時(shí)間相干性    2.3.2　空間相干性  2.4　非相干光源    2.4.1　熱光源    2.4.2　氣體放電光源    2.4.3　固態(tài)非相干光源——發(fā)光二極管  2.5　相干光源    2.5.1　激光器的工作原理    2.5.2　激光的模式    2.5.3　應(yīng)用于光學(xué)傳感領(lǐng)域的激光光源  2.6　熱電探測器    2.6.1　輻射熱電偶與熱電堆    2.6.2　熱敏電阻    2.6.3　氣動(dòng)探測器    2.6.4　熱釋電探測器  2.7　光電子發(fā)射探測器    2.7.1　光電子發(fā)射效應(yīng)    2.7.2　光電管    2.7.3　光電倍增管    2.7.4　圖像增強(qiáng)器  2.8　光電導(dǎo)探測器    2.8.1　工作原理和結(jié)構(gòu)    2.8.2　基本特性    2.8.3　幾種光電導(dǎo)材料  2.9　光電二極管    2.9.1　結(jié)型探測器工作原理　　……第3章　光纖激光器與光纖放大器第4章　光纖傳感器的基本原理第5章　光電混合式光纖傳感器第6章　光纖光柵傳感技術(shù)第7章　光纖熒光傳感技術(shù)第8章　光纖溫度傳感器第9章　光纖氣體傳感器第10章　光纖陀螺儀參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：第1章　光纖的基本特性1.1 引言光纖（optic fiber）是光導(dǎo)纖維的簡稱，是一種重要和常用的光波導(dǎo)材料。它利用光的全反射原理將光波能量約束在其界面內(nèi)，并引導(dǎo)光波沿著光纖軸線方向傳播。與電纜相比，光纖（束）具有信息傳輸容量大、中繼距離長、不受電磁場干擾、保密性好和使用輕巧等特點(diǎn)。1966年7月，英國標(biāo)準(zhǔn)電話研究所的英籍華人高錕博士在一篇具有劃時(shí)代意義的論文中提出，利用帶有包層材料的石英玻璃光學(xué)纖維作為傳光介質(zhì)，其損耗可低于20 dB／km。在這一理論指導(dǎo)下，1970年美國康寧公司宣布研制成功傳輸損耗為20 dB／km的光導(dǎo)纖維。采用這種光纖，每傳輸1km的長度，光功率將下降到原來的1／100，可以用做傳輸介質(zhì)。目前，石英光導(dǎo)纖維的損耗已降至0.2 dB／km以下，多種特殊光纖也層出不窮，如雙折射光纖、衰減場光纖、摻稀土元素光纖及光子晶體光纖等。這些具有不同性能的光纖，不僅用于信號(hào)的傳輸，還廣泛應(yīng)用于信號(hào)的處理和信號(hào)的獲取。光纖的基本特性包括它的結(jié)構(gòu)特性、光學(xué)特性及傳輸特性。結(jié)構(gòu)特性主要指光纖的幾何尺寸（芯徑等）；光學(xué)特性包括折射率分布、數(shù)值孔徑等；傳輸特性主要是損耗及色散特性。本章介紹光纖的結(jié)構(gòu)與分類、光波在光纖中的傳輸原理、光纖的損耗特性、光纖的色散特性、光纖的偏振特性、光纖的非線性效應(yīng)及光子晶體光纖。

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