光纤传感器及其应用技术

目录
第1章 光纤技术基础 1
1.1 光纤的基本特性 1
1.1.1 均匀折射率光纤中光线的传播与数值孔径 2
1.1.2 光纤的弯曲 3
1.1.3 光纤端面的倾斜效应 4
1.1.4 圆锥形光纤 5
1.1.5 光纤的损耗 6
1.1.6 光纤的色散 8
1.2 常用光纤器件 8
1.2.1 光纤定向耦合器、环形器与WDM 9
1.2.2 光纤偏振器件——PM控制器、起偏器与消偏器、扰偏器和光隔离器 17
1.2.3 全光开关 25
1.2.4 光纤光栅与光纤滤波器 27
1.2.5 光调制器 34
1.2.6 掺杂光纤激光器 37
1.2.7 大功率光纤激光器与包层泵浦技术 42
1.2.8 光纤放大器 45
1.3 小结 48
习题与思考49
第2章 强度调制型光纤传感器 50
2.1 强度调制传感原理 50
2.1.1 反射式强度调制 50
2.1.2 透射式强度调制 52
2.1.3 光纤模式功率分布强度调制 54
2.1.4 折射率强度调制 55
2.1.5 光吸收系数调制 57
2.2 强度调制型光纤传感器的补偿技术 57
2.2.1 光源负反馈稳定法 57
2.2.2 双波长补偿法 58
2.2.3 旁路光纤监测法 59
2.2.4 光桥平衡补偿法 60
2.2.5 神经网络补偿法 62
2.3 强度调制型光纤传感器的类型及应用实例 63
2.3.1 光纤微弯传感器 63
2.3.2 光纤温度传感器 66
2.4 强度调制型光纤传感器的研究与发展方向 69
习题与思考 69
第3章 相位调制型光纤传感器 70
3.1 相位调制型光纤传感器原理 70
3.1.1 应力应变效应 70
3.1.2 温度应变效应 73
3.2 光纤干涉仪的类型 74
3.2.1 Mach-Zehnder和Michelson光纤干涉仪 74
3.2.2 Sagnac光纤干涉仪 75
3.2.3 光纤Fabry-Perot干涉仪 79
3.2.4 光纤环形腔干涉仪 79
3.2.5 相位压缩原理与微分干涉仪 81
3.2.6 白光干涉型光纤传感器 83
3.3 相位调制型光传感器的信号解调技术 87
3.3.1 干涉仪的信号解调 87
3.3.2 光纤锁相环方法 90
3.3.3 相位生成载波(PGC)解调方案 92
3.4 光纤干涉仪的传感应用实例 93
3.4.1 振动传感器 94
3.4.2 磁场传感器 96
3.4.3 电流传感器 97
3.5 相位调制型光纤传感器的发展 102
习题与思考 102
第4章 波长调制型光纤传感器 103
4.1 波长调制传感原理 103
4.2 光纤布拉格光栅传感器 103
4.2.1 光纤布拉格光栅传感模型 103
4.2.2 光纤光栅增敏与去敏设计 109
4.2.3 光纤布拉格光栅在光纤传感领域中的典型应用 113
4.3 光纤SPR传感器 114
4.3.1 SPR原理与理论模型 114
4.3.2 光纤SPR传感器及其应用 116
4.4 光声光谱微量气体检测技术 121
4.4.1 光声光谱原理 121
4.4.2 光声气室的设计与优化 122
4.4.3 微量气体的光声光谱法高精度检测实例 126
4.5 光纤荧光温度传感器 127
4.6 光纤黑体(高温)温度计 131
习题与思考 132
第5章 偏振态调制型光纤传感器 133
5.1 偏振态调制传感原理 133
5.1.1 泡克耳斯效应 133
5.1.2 克尔效应 134
5.1.3 法拉第效应 135
5.1.4 弹光效应 136
5.2 偏振调制光纤传感器类型及应用实例137
5.2.1 光纤电流传感器137
5.2.2 BSO晶体光纤电场传感器139
5.2.3 医用体压计140
5.2.4 动脉光纤血流计142
5.2.5 光纤偏振干涉仪143
习题与思考143
第6章 分布式光纤传感器145
6.1 引言145
6.2 时域分布式光纤传感器的工作机理 147
6.2.1 光纤中的背向散射光分析 147
6.2.2 OTDR技术 147
6.2.3 瑞利散射型分布式光纤传感技术 148
6.2.4 基于拉曼散射的分布式光纤传感技术 149
6.2.5 布里渊散射型分布式光纤传感技术 149
6.2.6 拉曼型、布里渊型和偏振模式耦合型分布式温度传感方法比较 152
6.2.7 FBG和BOTDR性能比较 152
6.3 其他(准)分布式光纤传感器 153
6.3.1 光纤F-P传感器 154
6.3.2 基于干涉技术的分布式光纤传感器 157
6.4 分布式光纤传感器的应用158
6.5 小结 160
习题与思考 160
第7章 光传感器网络技术 161
7.1 概述 161
7.1.1 可用于构成光传感网的光纤传感器 161
7.1.2 成网技术 165
7.2 光纤光栅传感网络 169
7.3 基于干涉型光纤传感器的光纤传感网 174
7.3.1 大规模干涉型光纤传感网络的基本结构 174
7.3.2 超大容量干涉型光纤传感网络的信号处理方法 176
7.3.3 超大容量干涉型光纤传感网络的偏振诱导信号衰落及其控制方法 176
7.3.4 长距离复合复用网络结构中的光放大机理及极限性能 178
习题与思考 179
第8章 新材料光纤传感器及其应用技术 180
8.1 光子晶体光纤及其在传感中的应用 180
8.1.1 光子晶体光纤 180
8.1.2 光子晶体光纤传感器 184
8.1.3 PCF小结 187
8.2 聚合物光纤及其传感应用 187
8.2.1 聚合物光纤材料及类型 188
8.2.2 多模聚合物光纤传感器及其应用 193
8.2.3 单模聚合物光纤传感器及其应用 198
8.3 小结 203
习题与思考 204
第9章 纳米光纤与传感器 205
9.1 纳米光纤 205
9.1.1 纳米光纤的典型特征——极高的倏逝场能量 206
9.1.2 纳米光纤的制造与操作 206
9.2 纳米光纤中的光传输 208
9.2.1 传输方程与精确解 208
9.2.2 传输损耗 209
9.2.3 纳米光纤的色散与超连续谱 210
9.3 纳米光纤的典型应用 211
9.3.1 纳米光纤传感器 211
9.3.2 非线性光学器件 213
9.3.3 纳米光纤耦合器 213
9.3.4 原子捕获与导向 214
9.4 纳米光纤传感的发展前景 216
习题与思考 217
参考文献 218
附录1 符号表 220
附录2 缩写词汇表 222