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光纤与激光传感器 光纤的发展历程 1966年出生在中国上海的英籍华人高锟 发表论文 光频介质纤维表面波导 提出用石英玻璃纤维 光纤 传送光信号来进行通信 可实现长距离 大容量通信 高锟及夫人黄美 1970年损失为20db km的光纤研制出来了 据说康宁公司花费3000万美元 得到30米光纤样品 虽然几个小时之后便损坏了 但它毕竟证明了用当时的科学技术与工艺方法制造通信用的超低耗光纤是完全有可能的 也就是说找到了实现低衰耗传输光波的理想传输媒体 是光通信研究的重大实质性突破 认为非常值得 这一突破 引起整个通信界的震动 世界发达国家开始投入巨大力量研究光纤通信 1976年 美国贝尔实验室在亚特兰大到华盛顿间建立了世界第一条实用化的光纤通信线路 速率为45Mb s 采用的是多模光纤 光源用的是发光管LED 波长是0 85微米的红外光 在上世纪70年代末 大容量的单模光纤和长寿命的半导体激光器研制成功 光纤通信系统开始显示出长距离 大容量无比的优越性 自一九七 年以后 世界各发达国家对光纤通信的研究倾注了大量的人力与物力 其来势之凶 规模之大 速度之快远远超出了人们的意料之外 从而使光纤通信技术取得了极其惊人的进展 从光纤的衰耗看 七O年 20dB km美国康宁七二年 4dB km美国贝尔实验室七四年 1 1dB km美国贝尔实验室七六年 0 5dB km日本电报电话公司七九年 0 2dB km日本电报电话公司九O年 0 154dB km日本电报电话公司光纤理论损耗 0 149dB km 按理论计算 就光纤通信常用波长1 3微米和1 55微米波长窗口的容量至少有25000GHz 自然会想到采用多波长的波分复用技术WDM WavelengthDivisionMultiplex 1996年WDM技术取得突破 贝尔实验室发展了WDM技术 美国MCI公司在1997年开通了商用的WDM线路 光纤通信系统的速率从单波长的2 5Gb s和10Gb s爆炸性地发展到多波长的Tb s 1Tb s 1000Gb s 传输 当今实验室光系统速率已达10Tb s 几乎是用之不尽的 所以它的前景辉煌 中国光纤通信发展史1973年 世界光纤通信尚未实用 邮电部武汉邮电科学研究院 当时是武汉邮电学院 就开始研究光纤通信 由于武汉邮电科学研究院采用了石英光纤 半导体激光器和编码制式通信机正确的技术路线 使我国在发展光纤通信技术上少走了不少弯路 从而使我国光纤通信在高新技术中与发达国家有较小的差距 在20世纪80年代中期 数字光纤通信的速率已达到144Mb s 可传送1980路电话 超过同轴电缆载波 于是 光纤通信作为主流被大量采用 在传输干线上全面取代电缆 经过国家 六五 七五 八五 和 九五 计划 中国已建成 八纵八横 干线网 连通全国各省区市 现在 中国已敷设光缆总长约250万公里 光纤通信已成为中国通信的主要手段 在国家科技部 计委 经委的安排下 1999年中国生产的8 2 5Gb sWDM系统首次在青岛至大连开通 随之沈阳至大连的32 2 5Gb sWDM光纤通信系统开通 2005年3 2Tbps超大容量的光纤通信系统在上海至杭州开通 是至今世界容量最大的实用线路 光纤通信今后如何发展FTTH 光纤到家庭 是光纤通信进一步发展的方向 它被公认为理想的宽带接入网 目前 所谓宽带业务 大多是500kbps的影视节目 运营商为了充分利用铜线资源 采用ADSL 非对称数字用户线路 技术就可提供 这使FTTH成为接入网主流的时间有所推迟 不久的将来 在HDTV普及的情况下 ADSL不能满足要求 而先进的ADSL2 也许可满足1chHDTV 户 如果4chHDTV 户采用FTTH比较合理 在双向业务广泛应用的情况下 上下行不对称的ADSL难以对应 目前 发达国家FTTH建设普遍开展 日本 韩国和美国比较发达 采用各种无源光网PON和以太网技术 中国的运营商和房地产开发商已对FTTH进行了试点 近来出现了所谓的网络电视 IPTV 电信运营商提出IPTV的初衷是考虑到有计算机的人少而有电视机的人多 提出的IPTV是采用专用的机顶盒连接电视机可直接浏览电信网的内容 而不要计算机 IPTV具有常规电视并兼有点播和时移电视的功能 可能会取代常规电视 光纤与激光传感器 4 5 1光纤传感器 1 光导纤维及其导光原理 1 光纤的构造 光纤断面构造如图所示 纤芯为石英玻璃等材料制成的导光纤维细丝 直径在5 125 m范围内 包层材料的折射率n2略低于纤芯材料的折射率n1 包层外径在125 350 m范围内 包层外面涂敷硅树酯之类的缓冲层 最外层包有起保护及屏蔽作用的尼龙套管 光纤呈圆柱形 两端面为平面 图4 42光纤断面构造及光在光纤中的传输 a 光纤断面构造 b 光纤中的光的传输 2 光在光纤中的传输原理 如图所示 当空气中一束光线自光纤端面中心点O以 i角射入纤芯时 光线产生折射 光以折射角 0在纤芯中行进 至纤芯与包层界面时 可能折射进入包层 也可能继续在纤芯中行进反射 根据斯乃尔定理 当光由光密物质 折射率大 射入光疏物质 折射率小 时 折射角大于入射角 因n1 n2 所以折射角恒大于入射角 90 当 sin 90 n2 n1时 光线开始出现全反射 因此 光线能在界面全反射 不再逸出芯体的条件是NA 数值孔径 2020 1 14 12 光的全反射实验 2020 1 14 13 各种装饰性光导纤维 2020 1 14 14 发光二极管产生多种颜色的光线 通过光导纤维传导到东方明珠球体的表面 在计算机控制下 可产生动态图案 上海东方明珠 2020 1 14 15 光纤传感器外形 3 光纤模式 临界角 im以内的入射光以各自不同的角度在芯体界面发生全反射 形成不断反射的光传输路线 这种传输光可分为轴向前进的平面波及径向往返的平面波两个分量 当径向往返平面波在两界面间往返一周对应于光波相位差恰好为2 的整数倍时 就可在截面内形成驻波 像这样的驻波光线组称为 模 模 只能离散的存在 即光纤中能够传输的光的模数是一定的 当2 aNA 2 41 a为芯体半径 时 光纤中只能传输单一的基本模式 此种光纤称作单模光纤 能够同时传输多个模式的光纤称作多模光纤 2020 1 14 17 光的反射 折射 当一束光线以一定的入射角 1从介质1射到介质2的分界面上时 一部分能量反射回原介质 另一部分能量则透过分界面 在另一介质内继续传播 2020 1 14 18 光的全反射 当减小入射角时 进入介质2的折射光与分界面的夹角将相应减小 将导致折射波只能在介质分界面上传播 对这个极限值时的入射角 定义为临界角 c 当入射角小于 c时 入射光线将发生全反射 2020 1 14 19 光在光纤中的全反射 2020 1 14 20 光纤的结构 2020 1 14 21 光缆的外形及光纤的拉制 2020 1 14 22 光纤的类型 阶跃型 光纤纤芯的折射率分布各点均匀一致 称为多模光纤 2020 1 14 23 梯度型 梯度型光纤的的折射率呈聚焦型 即在轴线上折射率最大 离开轴线则逐步降低 至纤芯区的边沿时 降低到与包层区一样 2020 1 14 24 单孔型光纤 单孔型光纤的纤芯直径较小 数微米 接近于被传输光波的波长 光以电磁场 模 的原理在纤芯中传导 能量损失很小 适宜于远距离传输 2 光纤传感器的类型光纤传感器是一种把被测量转变为可测光信号的装置 由光发送器 敏感元件 光纤或非光纤 光接收器 信号处理系统及光纤构成 光发送器发出的光经入射光纤引导到敏感元件 在这里 光的某一性质受到被测量的调制 已调光经出射光纤耦合到光接收器 使光信号变成电信号 再经信号处理 得到被测量的值 光纤传感器的分类方法很多 可按光纤在传感器中的作用 光参量调制种类 所应用的光学效应和检测的物理量分类 按光纤在传感器中的作用 可分为功能型 非功能型和拾光型三大类 如图4 43所示 图4 43光纤在传感器中的作用类型 a 功能型 b 非功能型 c 拾光型 激光传感器 1 激光的形成1 激光的原理 在外界光子作用下 物质原子获得一定的能量后 从相应的低能级跃迁到高能级的过程叫做受激吸收 而处在高能级上的原子 在外来光子的诱发下跃迁到低能级而发光 这个现象叫做受激辐射 受激辐射的光子与外来光子有完全相同的频率 传播方向和振动方向 可以说 它把一个光子放大为两个光子 但是受激吸收过程和受激辐射过程是同时存在 互相对立的 一般来说 受激吸收过程比受激辐射过程要强 但要产生激光 必须使后者强于前者 因而常设法使高能态的原子数目多于低能态的原子数目 通常称为 粒子数反转 实现粒子数反转的方法很多 如用气体放电 化学反应 光照等来对基态原子进行激励 2 激光谐振腔 激光谐振腔由两块反射镜组成 其中一块反射率为100 称为全反射镜 另一块反射率为95 以上 称为部分反射镜 如图所示 当粒子数反转时 高能态的原子数就会多于基态原子数 一些高能态的原子自发地跃迁回基态 辐射出自发光子来 另一些沿谐振腔轴向运动的光子经反射镜反射 沿轴向反复运动 在运动的过程中又会激发高能态的原子而产生受激辐射 受激辐射的光子也参加到沿轴向反复运动的行列中 又去激发其他高能态原子产生受激辐射 如图所示 如此不断循环 沿谐振腔轴向运动的受激辐射光子越来越多 当光子积累到足够数量时 便从部分反射镜一端输出一部分光 即激光 可见 谐振腔是形成激光的必要装置 2 激光器综上所述 激光器必须具备 工作物质 激励能源和谐振腔三部分 激光器按工作物质进行分类可分为以下几种 1 固体激光器 常用的有红宝石激光器 掺钕钇铝石榴石激光器和钕玻璃激光器 其特点是小而坚固 功率大 其中钕玻璃激光器的脉冲输出功率最大 2 气体激光器 气体激光器的工作物质常用He Ne气体 它与固体激光器相比 在结构和性能上有很大差别 气体激光器多为连续发射 由于气体的光学性质均匀 所以气体激光器的单色性和相干性特别好 3 液体激光器 该激光器又可分为螯合物激光器 无机液体激光器和有机染料激光器 其中 以有机染料激光器较为突出 它的最大特点是发生的激光波长可在一段范围内连续可调 而且效率不会降低 4 半导体激光器 它是所有激光器中效率最高 体积最小的一种 目前较成熟的产品是砷化镓 GaAs 半导体激光器 常做成二极管形式 其缺点是输出功率小 一些典型的激光器及其应用见表4 17 2020 1 14 32 激光二极管的外形 激光二极管芯片 2020 1 14 33 激光二极管的与发光二极管的带宽及效率的比较 单模光纤必须采用能发射单一光谱的激光二极管 它在传导过程中的发散损耗较小 稳定性较高 2020 1 14 34 光纤的损耗 光纤在传输信号的过程中损耗应尽量小且稳定 在某些波长上 光纤的损耗非常小 可选择适当波长的电光转换元件与之匹配 2020 1 14 35 专用的光纤连接头及光纤插座 光纤与电光转换元件耦合时 两者的轴心必须严格对准并固定 可使用专用的连接头及光纤插座来完成 2020 1 14 36 光纤传感器 光纤传感器就是将光纤自身作为敏感元件 也称作测量臂 直接接收外界的被测量 被测量可引起光纤的长度 折射率 直径等方面的变化 从而使得在光纤内传输的光被调制 若将光看成简谐振动的电磁波 则光可以被调制的参数有四个 即振幅 强度 相位 波长和偏振方向 2020 1 14 37 光纤液位传感器 2020 1 14 38 保护管内为高温光纤 低温光纤 光纤温度传感器 2020 1 14 39 光纤式光电开关 反射型 遮断型 反射镜反射型