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光纤传感技术 光纤传光特性 光纤传感原理 （不同于通讯上的应用） 光纤传感器 调研：目前光纤传感器的实际应用情况 1.1光纤结构 纤芯 包层 涂敷层 护套 光纤分类 光纤的种类很多，分类方法也是各种各样 1.2 光纤的结构特征 * 其结构特征主要与折射率相关 梯度光纤 特点—折射率沿径向呈非线性递减，纤轴（r=0）折射率最大，纤壁最小。常见分布函数为 §1.2 光线在光纤中的传播 1.2.1 光线在阶跃光纤中的传播 1.2.1.1 斜光线的传播路径 1.2.1.2 子午光线的传播路径 有图可见，子午光线在单位长度光纤内的反射次数 1.2.2 光线在梯度光纤中的传播 1.2.3 数值孔径 数值孔径与传光特点 光纤模式 所谓的光纤模， 就是满足边界条件的电磁场波动方程的解， 即电磁场的稳态分布。 这种空间分布在传播过程中只有相位的变化，没有形状的变化， 且始终满足边界条件，每一种这样的分布对应一种模式。 光波在光纤中的传播（波动理论） 输出模式斑谱 简并模式LP下标m表示沿圆周最大值有几对，n表示光场沿半径最大值的个数 光纤损耗 光纤损耗 2. 光纤的散射损耗 光纤的弯曲损耗 光纤色散 光纤的色散是指光脉冲在光纤传输时，由于光的群速度不同而产生的脉冲展宽现象。 根据群速度产生的差异，将光纤的色散分为三类：材料色散，模式色散和波导色散。 对于多模光纤， 其纤芯为50 μm， 远大于光的波长1.3 μm， 因而波动理论与几何光学分析的结论是一致的。 可以将一个模式看成是光线在光纤中一种可能的行进路径。 由于不同的路径其长度不同， 因而对应的不同的模式其传播时延也不同。 设有一光脉冲注入长为L的阶跃型光纤中， 可以用几何光学求出其最大的时延差δτ， 如图所示。 设一单色光波注入光纤中， 其能量将由不同的模式携带， 速度最快的模（路径最短）与中心轴线光线相对应， 速度最慢的模（路径最长）与沿全反射路径的光线相对应， 可求出最大的时延差： R相关的解 式中 V叫归一化频率或结构参数，它是光纤波导的重要特性参数之一， 它与纤径、真空波数、数值孔径有关。 截止条件和传输模 当 W为虚数，则包层内部不再是修正的 汉克 函数，而是第一类贝塞尔函数，即振荡解，同纤芯内光场解具有同样形式。此时 波形由衰减变成振荡。由导模变为辐射模，所以导模截止条件为 当 这种情况该模最不容易截止，光纤对导模场的约束最强，即远离截止， U值反映导模在纤芯中驻波场的横向振荡频率，W值反映导模在包层中 的渐逝场的衰减速度。 几个特殊的传输模式，当m=0， Ez或Hz分量为零时： TE0n (横电模)， TM0n (横磁模), 不随角度θ变化，它们是线偏振模，而且在子午面内。从几何观点看，他们就是子午光线。 大部分模式的Ez或Hz分量不为零， 因而光纤中的模式是混合模。根据Ez和Hz的贡献大小，分为EHm,n模（EzHz） 和HEm,n模（EzHz）—混合模。下标m, n分别表示贝塞尔 函数的阶及相应得根数，不同的m,n代表不同的解，标识不同的模式。 光纤满足弱导条件时，n1=n2, 光纤对光波的约束和引导作用 大大减弱，使得导模的某些场分量相消为零，场分布得简并， 形成一种线偏模，即简并模，标记为LPm,n。简并模与精确模 之间存在线性叠加关系。 LPm,n=HEm+1,n+EHm-1,n 例如：LP11=HE21+EH01 其中EH01是一种对称模，它可能是TM01或TE01 LP01 LP11 LP21 LP模的分类及场分布和光斑 通常在光纤中传输的模式的数目很多，允许存在的导模数 目取决于光纤的归一化频率 ，V值越大，允许存在的导模越多，反之，越少。 当V≤2.4048（阶跃光纤），或V≤3.401 （梯度光纤）时， 只允许一种模式，即HE11存在。这种光纤称为单模光纤。 其他情况都存在多种模式，称为多模光纤。 图2.11 多模光纤与单模光纤的横截面尺寸 多模光纤中传导模的总数可有下式估算 式中， g为光纤中纤芯的折射率分布参数（1-∞）。 对于阶跃光纤， g＝∞， 其模式数目为 对于渐变光纤, g＝２， 其模式数目为 光波在光纤中传播时，由于光纤材料对光波的吸收、散射、光纤结构缺陷、弯曲及光纤中间的不完善耦合等原因，导致光功率随传输距离呈指数规律衰减，这种现象称为光纤的传输损耗。 损耗大小：传输1km产生的功率衰减分贝数 尽管光波有着极大的带宽，但在1961－1970年，人们主要研究利用大气 传输光信号，实践证明，由于受到气候环境的严重影响，无法实现正常 的通信。在人们考虑的其它