光纤传感原理与检测技术

第1章  光纤基本理论 1
1.1  光纤光学的基本方程 1
1.1.1  麦克斯韦方程与亥姆霍兹方程 1
1.1.2  波导场方程与模式的概念 3
1.1.3  程函方程与射线方程 5
1.2  光线理论 6
1.2.1  SIOF中光线的传播 6
1.2.2  GIOF中光线的传播 8
1.2.3  GIOF的最佳折射率分布 10
1.3  光纤中的模式及性质 12
1.4  阶跃折射率分布光纤中的场解 17
1.4.1  本征解的选择 17
1.4.2  本征值方程 18
1.4.3  光纤中的模式及其分类 19
1.4.4  模式本征值 20
1.4.5  色散曲线与单模条件 23
1.5  弱导光纤与线偏振模 24
1.5.1  LPιm模的本征解 25
1.5.2  本征值方程 26
1.5.3  截止和远离截止条件 27
1.5.4  导模数目 27
1.5.5  导模场分布图 28
1.5.6  导模纵向功率流 29
1.5.7  模式输出特性 30
1.6  渐变折射率分布光纤中的场解 31
1.6.1  平方律分布光纤中的导模场 31
1.6.2  WKB法的基本思想 32
1.6.3  导模本征值 34
1.6.4  场的输出特性 36
1.7  单模光纤中的场解 37
1.7.1  理想阶跃型单模光纤的场解 37
1.7.2  单模光纤的高斯近似解 38
1.7.3  渐变型光纤的等效阶跃型光纤近似（ESF）解 41
1.7.4  单模光纤的双折射 45
习题与思考 46
第2章  光纤传感器件 48
2.1  光纤耦合器 48
2.1.1  概述 48
2.1.2  熔锥型光纤耦合器 48
2.1.3  耦合器的技术指标 49
2.2  光开关 49
2.3  光隔离器和环形器 51
2.3.1  光隔离器 51
2.3.2  光环形器 52
2.4  光纤光栅 53
2.4.1  光纤光栅工作原理 54
2.4.2  光纤光栅的应用 56
2.5  波分复用器 57
2.6  偏振控制器 59
2.6.1  偏振控制器概述 59
2.6.2  偏振控制器的基本原理 59
2.6.3  偏振控制器的分类 60
2.7  半导体光源 61
2.8  LED与LD 62
2.8.1  LED 62
2.8.2  LD 64
2.9  PIN和APD 66
2.9.1  PIN光电二极管 66
2.9.2  APD雪崩光电二极管 68
习题与思考 69
第3章  光纤特征参数与传感器光学原理 70
3.1  光纤特征参数 70
3.1.1  光纤的损耗 70
3.1.2  光纤的色散与带宽 75
3.1.3  单模光纤模场半径 81
3.1.4  单模光纤截止波长 83
3.1.5  光纤的物理化学特性 83
3.1.6  光纤参数测试技术 85
3.2  光纤传感光学原理 96
3.2.1  反射与折射原理 96
3.2.2  光吸收原理 96
3.2.3  声光效应 97
3.2.4  磁光效应 97
3.2.5  电光效应 98
3.2.6  弹光效应 99
3.2.7  萨格纳克效应 99
习题与思考 100
第4章  光纤传感原理 102
4.1  光纤传感器概述 102
4.1.1  光纤传感器的原理 102
4.1.2  光纤传感器的类型 102
4.1.3  光纤传感器的构成 103
4.1.4  光纤传感器的性能特点 106
4.2  强度调制光纤传感器 106
4.2.1  强度调制 106
4.2.2  透射式强度调制 108
4.2.3  光模式强度调制 109
4.2.4  折射率强度调制 110
4.2.5  光吸收系数强度调制 110
4.2.6  强度传感器的参考测量方法 111
4.3  频率调制光纤传感器 114
4.3.1  频率调制原理 114
4.3.2  频率检测 116
4.3.3  应用举例 117
4.4  波长（颜色）调制光纤传感器 119
4.4.1  波长（颜色）调制原理 119
4.4.2  波长检测 121
4.4.3  应用举例 122
4.5  相位调制光纤传感器 123
4.5.1  相位调制 123
4.5.2  几种光纤干涉仪 125
4.5.3  相位检测 128
4.5.4  应用举例 133
4.6  偏振态调制光纤传感器 135
4.6.1  偏振态调制原理 135
4.6.2  偏振态的检测 139
4.6.3  应用举例 140
4.7  复用式和分布式光纤传感器 141
习题与思考 144
第5章  光纤光栅传感器 145
5.1  光纤光栅的发展与分类 145
5.1.1  光纤光栅的发展 145
5.1.2  光纤光栅的分类 146
5.2  光纤光栅的应用与现状 149
5.2.1  光纤光栅的应用 149
5.2.2  长周期光纤光栅的研究现状 152
5.3  光纤光栅的光敏性与传感性能 157
5.3.1  光纤光栅的光敏性 157
5.3.2  光纤光栅的传感性能 160
5.3.3  光纤光栅的特性分析 164
5.4  光纤光栅的制作 167
5.4.1  侧面抛光型光纤布喇格光栅 167
5.4.2  Hill光栅 168
5.4.3  Meltz光栅 168
5.4.4  单脉冲光栅 169
5.4.5  相位掩模光栅 169
5.4.6  逐点写入的光纤光栅 170
5.4.7  带通光纤光栅 170
5.4.8  重叠多个光纤光栅 171
5.4.9  光纤啁啾光栅制作技术 171
5.5  光纤光栅温度特性与应用 172
5.5.1  裸光纤光栅封装制成的温度传感器 173
5.5.2  带有机械结构的光纤光栅温度传感器 176
5.5.3  长周期光纤光栅的温度特性及应用 178
5.6  光纤光栅轴向应变特性与应用 184
5.6.1  轴向应变特性的理论分析 184
5.6.2  轴向应变特性的应用 186
5.7  光纤光栅扭曲与弯曲特性及应用 188
5.7.1  扭曲特性分析 188
5.7.2  弯曲特性分析 198
5.8  光纤光栅横向负载特性与应用  204
5.8.1  光纤光栅横向负载特性分析 204
5.8.2  横向负载特性的应用 210
5.9  光纤光栅振动与加速度特性与及用 212
5.9.1  光纤光栅振动与加速度特性 212
习题与思考 222
第6章  光纤传输特性测量 224
6.1  光纤衰减特性测量 224
6.1.1  概述 224
6.1.2  截断法 225
6.1.3  插入损耗法 230
6.1.4  后向散射法 231
6.2  光纤色散特性测量 234
6.2.1  概述 234
6.2.2  相移法 235
6.2.3  脉冲时延法 239
6.3  光纤传输系统性能测试 245
6.3.1  概述 245
6.3.2  误码特性 247
6.3.3  抖动特性 251
6.4  光纤传输特性测量的工程应用 256
6.4.1  光纤链路现场测试 256
6.4.2  高速光网络系统的测试 258
6.4.3  FTTH光网络的测试 260
习题与思考 263
第7章  特种光纤及应用 264
7.1  零色散平移光纤和色散平坦光纤 264
7.1.1  零色散平移光纤 264
7.1.2  色散平坦光纤 265
7.2  保偏光纤及低双折射光纤 265
7.2.1  保偏光纤 266
7.2.2  低双折射光纤 266
7.3  红外光纤 267
7.4  衰减场光纤 269
7.5  其他特种光纤 271
习题与思考 274
第8章  光纤测量仪表与基础实验 275
8.1  光纤测量仪表 275
8.1.1  光功率计 275
8.1.2  光时域反射仪 277
8.1.3  光纤熔接机 282
8.1.4  光谱分析仪 284
8.1.5  光纤干涉仪 287
8.2  纤测量基础实验 291
8.2.1 半导体激光器P-I特性曲线测量 291
8.2.2  半导体光电检测器参数测量 294
8.2.3  光纤光栅与光纤激光器参数测量 299
8.2.4  光纤传感器参数测量 301
8.2.5  光纤色散测量 303
8.2.6  光纤马赫-泽德干涉测量 304
8.2.7  光纤光栅外腔半导体激光器参数测量 306
参考文献 309