光纖傳感系統(tǒng)

關(guān)于光纖傳感系統(tǒng)第一頁，共八十七頁，2022年，8月28日3.1光纖傳感系統(tǒng)的組成光源傳感頭光電探測器信號處理光纖（光纖或非光纖）（信號接收）被測參量光纖傳感系統(tǒng)主要包括光源、傳感頭（光纖或非光纖）、傳輸光纖和光纖器件以及光電探測器等。當光電探測器完成了傳感信號的光電轉(zhuǎn)換后，光信號的處理就變成了電信號的處理問題。第二頁，共八十七頁，2022年，8月28日3.2光纖

光纖是光導纖維的簡寫，是一種利用光在玻璃或塑料等制成的纖維中的全反射原理而實現(xiàn)光傳導的工具。通常以高純度的石英玻璃為主,摻少量雜質(zhì)鍺、硼、磷等。材料:細長的圓柱形，細如發(fā)絲(通常直徑為幾微米到幾百微米)形狀：第三頁，共八十七頁，2022年，8月28日結(jié)構(gòu)n1n2n1n2纖芯包層涂覆層護套

兩個同軸區(qū)，折射率較高的內(nèi)區(qū)稱為纖芯，折射率較低的外區(qū)稱為包層。通常，在包層外面還有一層起支撐保護作用的套層。第四頁，共八十七頁，2022年，8月28日基本光學定義和定律光在均勻介質(zhì)中是沿直線傳播的，其傳播速度為：

v=c/n

式中：c＝2.997×105km/s，是光在真空中的傳播速度；n是介質(zhì)的折射率。常見物質(zhì)的折射率： 空氣1.00027；水1.33；玻璃(SiO2)1.47折射率大的媒介稱為光密介質(zhì)，反之稱為光疏介質(zhì)光在不同的介質(zhì)中傳輸速度不同第五頁，共八十七頁，2022年，8月28日折射-反射原理

當一束光線以一定的入射角θ1從光密介質(zhì)1射到光疏介質(zhì)2的分界面上時，一部分能量反射回原介質(zhì)；另一部分能量則透過分界面，在另一介質(zhì)內(nèi)繼續(xù)傳播。

第六頁，共八十七頁，2022年，8月28日當時，全反射臨界角※

只有時，才能發(fā)生全反射第七頁，共八十七頁，2022年，8月28日條件實現(xiàn)惠更斯-菲涅耳原理（不同入射角光纖在光纖中傳輸?shù)谋容^（設(shè)與入射臨界角相對應(yīng)的光纖入射光的入射角為當時，入射光在光纖內(nèi)全反射傳輸；時，入射光在光纖內(nèi)部分傳輸，大部分泄露出光纖.當

稱為孔徑角，反映了光纖集光能力的大小第八頁，共八十七頁，2022年，8月28日光纖傳光與數(shù)值孔徑n02maxn2n1數(shù)值孔徑：※光纖的數(shù)值孔徑取決于光纖的折射率，而與光纖的幾何尺寸無關(guān)?！鵑A表示光纖接收和傳輸光的能力。NA越大，光纖接收光的能力越強，從光源到光纖的耦合效率越高；但NA越大經(jīng)光纖傳輸后產(chǎn)生的信號畸變越大，因而限制了信息傳輸容量。應(yīng)適當選擇NA。第九頁，共八十七頁，2022年，8月28日

即使是最好的光纖，光從它的一端傳到另一端，強度也會有所減弱。光纖中的信號劣化與光纖的傳輸特性有關(guān)。光纖的傳輸特性主要是指光纖的損耗特性和色散特性。第十頁，共八十七頁，2022年，8月28日光纖的損耗

光波在光纖中傳輸，隨著傳輸距離的增加，而光功率強度逐漸減弱，光纖對光波產(chǎn)生衰減作用，稱為光纖的損耗（或衰減）。

式中：為光纖損耗

L

為光纖長度

Pi、Po分別為光纖輸入輸出功率第十一頁，共八十七頁，2022年，8月28日光纖的損耗

光纖的損耗限制了光信號的傳播距離。光纖的損耗主要取決于吸收損耗、散射損耗、彎曲損耗三種損耗。

第十二頁，共八十七頁，2022年，8月28日圓孔愛里吸收損耗散射損耗彎曲損耗光纖的損耗吸收損耗是由制造光纖材料本身以及其中的過渡金屬離子和氫氧根離子等雜質(zhì)對光的吸收而產(chǎn)生的損耗。光吸收系數(shù)調(diào)制光纖傳感器第十三頁，共八十七頁，2022年，8月28日圓孔愛里光纖的損耗散射損耗主要由材料微觀密度不均勻引起的瑞利散射和由光纖結(jié)構(gòu)缺陷(如氣泡)引起的散射產(chǎn)生的。結(jié)構(gòu)缺陷散射產(chǎn)生的損耗與波長無關(guān)。吸收損耗散射損耗彎曲損耗第十四頁，共八十七頁，2022年，8月28日圓孔愛里光纖的損耗光纖的彎曲有兩種形式：曲率半徑比光纖的直徑大得多的彎曲，稱為彎曲或宏彎；光纖軸線產(chǎn)生微米級的彎曲，這種高頻彎曲習慣稱為微彎。吸收損耗散射損耗彎曲損耗第十五頁，共八十七頁，2022年，8月28日圓孔愛里光纖的損耗宏彎：在光纜的生產(chǎn)、接續(xù)和施工過程中，不可避免地出現(xiàn)彎曲。光纖有一定曲率半徑的彎曲時就會產(chǎn)生輻射損耗。當曲率半徑減小時，損耗以指數(shù)形式增加。高階模比低階模容易發(fā)生宏彎損耗，可用彎曲的辦法濾掉高階模消逝場qqq￠<qqq>qcq￠RCladdingCore場分布吸收損耗散射損耗彎曲損耗第十六頁，共八十七頁，2022年，8月28日圓孔愛里吸收損耗散射損耗彎曲損耗光纖的損耗

微彎的原因

光纖受到側(cè)壓力和套塑光纖遇到溫度變化時，光纖的纖芯、包層和套塑的熱膨脹系數(shù)不一致導致的后果造成能量輻射損耗微彎損耗第十七頁，共八十七頁，2022年，8月28日圓孔愛里吸收損耗散射損耗彎曲損耗光纖的損耗高階模功率損耗低階模功率耦合到高階模抑制：在光纖外面一層彈性保護套利用：微彎調(diào)制型光纖傳感器第十八頁，共八十七頁，2022年，8月28日光纖的色散

色散(Dispersion)是在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?，由于不同成分的光的時間延遲不同而產(chǎn)生的一種物理效應(yīng)。色散一般包括模間色散、材料色散和波導色散。

第十九頁，共八十七頁，2022年，8月28日圓孔愛里模間色散材料色散波導色散

模間色散是指多模傳輸時同一波長分量的各傳導模的群速度不同而引起到達終端的光脈沖展寬的現(xiàn)象。僅發(fā)生于多模光纖光纖的色散第二十頁，共八十七頁，2022年，8月28日圓孔愛里模間色散材料色散波導色散

材料色散是由于光纖的折射率隨波長而改變，以及模式內(nèi)部不同波長成分的光(實際光源不是純單色光)，其時間延遲不同而產(chǎn)生的。這種色散取決于光纖材料折射率的波長特性和光源的譜線寬度。光纖的色散第二十一頁，共八十七頁，2022年，8月28日圓孔愛里模間色散材料色散波導色散

波導色散是由于波導結(jié)構(gòu)參數(shù)與波長有關(guān)而產(chǎn)生的，它取決于波導尺寸和纖芯與包層的相對折射率差。光纖的色散第二十二頁，共八十七頁，2022年，8月28日圓孔愛里光纖的色散

光纖具有不同的類型，各種色散對各種光纖的影響也不同。一、單模光纖的色散由于單模光纖只傳輸一種模式，因而它不存在模間色散，只有模內(nèi)色散，即材料色散和波導色散。通常，材料色散比波導色散大兩個量級。但是，在零色散區(qū)，材料色散與波導色散值大致相當，只是兩者符號相反。對于石英光纖，其材料色散在近似為零第二十三頁，共八十七頁，2022年，8月28日圓孔愛里光纖的色散二、多模光纖的色散對于多模光纖，模間色散通常占主導地位。如果把模間色散平衡掉，則剩下的是材料色散和波導色散。此時，情況與單模傳輸類似，不同的是這里的波導色散是多模波導色散。在多模光纖中，波導色散與材料色散相比，常?？梢院雎?。第二十四頁，共八十七頁，2022年，8月28日光纖的分類光纖的分類1.根據(jù)光纖能傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)目，可將其分為單模光纖和多模光纖。

區(qū)別：單模：只能傳輸一種模式的光纖多模：能同時傳輸多種模式的光纖A傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)（定義）

B纖芯尺寸

單模：纖芯直徑小（2~12μm）多模：纖芯直徑大（50~500μm）第二十五頁，共八十七頁，2022年，8月28日光纖的分類光纖的分類單模：折射率差小多模：折射率差大

C纖芯-包層折射率差值

單模：不存在模間色散，具有比多模光纖大得多的帶寬，適于長距離傳輸，用于相位調(diào)制型或偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器；多模：存在模間色散，只能用于短距離傳輸，常用于強度調(diào)制型或傳光型光纖傳感器D適用范圍

第二十六頁，共八十七頁，2022年，8月28日光纖的分類光纖的分類在光纖中允許存在的模式數(shù)目

其中，g為光纖斷面折射率分布指數(shù)，決定光纖折射率沿徑向分布的規(guī)律；V稱為光纖的歸一化頻率，是一個反映光纖結(jié)構(gòu)特征的重要參數(shù)，單模光纖確切的判據(jù)是：V<2.405

為波數(shù)，r為纖芯半徑，NA為光纖數(shù)值孔徑※是否單模傳輸，與(1)光纖自身的結(jié)構(gòu)參數(shù)和(2)光纖中傳輸?shù)墓獠ㄩL有關(guān)。第二十七頁，共八十七頁，2022年，8月28日

理論上的截止波長是單模光纖中光信號能以單模方式傳播的最小波長。

截止波長光纖的分類光纖的分類

截止波長條件可以保證在最短光纜長度上單模傳輸，并且可以抑制高次模的產(chǎn)生或可以將產(chǎn)生的高次模噪聲功率代價減小到完全可以忽略的地步。第二十八頁，共八十七頁，2022年，8月28日光纖的分類光纖的分類

指描述單模光纖中光能集中程度的參量。模場直徑:※模場直徑越小，通過光纖橫截面的能量密度就越大。當通過光纖的能量密度過大時，會引起光纖的非線性效應(yīng)，造成光纖系統(tǒng)的光信噪比降低，影響系統(tǒng)性能。因此，對于傳輸光纖而言，模場直徑越大越好.第二十九頁，共八十七頁，2022年，8月28日光纖的分類光纖的分類2.根據(jù)傳輸?shù)钠駪B(tài)分布，單模光纖可分為非保偏光纖和保偏光纖。差別是前者不能傳輸偏振光，后者能。

保偏光纖又可以分為單偏振光纖、高雙折射光纖、低雙折射光纖和圓偏光纖。

只能傳輸一種偏振模式的光纖為單偏光纖；只能傳輸兩正交偏振模式、且傳播速度相差很大的光纖為高雙折射光纖，而傳播速度近于相等的光纖為低雙折射光纖；能傳輸圓偏振光的光纖為圓偏振光纖。第三十頁，共八十七頁，2022年，8月28日光纖的分類光纖的分類3.根據(jù)纖芯折射率分布，可分為階躍型折射率光纖和梯度（漸變）折射率光纖。

纖芯折射率是均勻的，在纖芯和包層的分界處，折射率發(fā)生突變A階躍型

B梯度折射率型折射率是按一定的函數(shù)關(guān)系隨光纖中心徑向距離變化而變化，至纖芯區(qū)的邊沿時，降低到與包層區(qū)一樣。第三十一頁，共八十七頁，2022年，8月28日光纖的分類光纖的分類4.根據(jù)制造材料，可分為石英光纖、多組分玻璃纖維、塑料光纖、紅外光纖、液芯光纖、光子晶體光纖等光傳輸損耗低。一般低于1dB/km，目前已研制出在2.25μm波長處損耗低達0.16dB/km的單模光纖A石英光纖

B多組分玻璃纖維纖芯-包層折射率可在較大范圍內(nèi)變化，有利于大NA光纖制作，但材料損耗大，在可見光波段一般為1dB/m。第三十二頁，共八十七頁，2022年，8月28日光纖的分類光纖的分類C塑料光纖優(yōu)點：重量輕，為石英光纖的1/3~1/2。這在導彈、人造衛(wèi)星、宇宙航行中有重要的應(yīng)用。韌性好。直徑為2mm仍可自由彎曲而不斷裂，而玻璃光纖直徑大于500μm就不能彎曲。對不可見光透過性能好。光學塑料在可見光和近紅外波段的透過性能接近光學玻璃，在遠紅外和紫外波段，透過率可以大于50%，比光學玻璃好。成本低，工藝簡便。塑料的原材料比玻璃便宜，而且操作溫度通常在300℃以下，而玻璃光纖的制作則需要1000℃以上的高溫，工藝比玻璃光纖簡單。第三十三頁，共八十七頁，2022年，8月28日光纖的分類光纖的分類C塑料光纖損耗大，一般在幾十到幾百分貝每公里，但在0.65~0.68μm，波段得到了損耗為20dB／km的塑料光纖缺點：耐熱性差。一般只能在-40℃~80℃的溫度范圍內(nèi)使用，只有少數(shù)塑料光纖可以在200℃附近工作。當溫度低于-40℃時，塑料光纖將變硬、變脆。由于塑料熔點低，比玻璃易老化?？够瘜W腐蝕和表面磨損性能比玻璃差。在丙酮、醋酸乙臘或苯的作用下，光學性能會受到很大影響，表面易被劃傷，影響光學質(zhì)量。第三十四頁，共八十七頁，2022年，8月28日光纖的分類光纖的分類C塑料光纖

塑料光纖主要用作短距離照明或在監(jiān)控方面作傳光媒質(zhì)、內(nèi)窺鏡等，在這方面，塑料光纖可以與玻璃光纖競爭，甚至可以部分地代替玻璃光纖。

塑料光纖與發(fā)光二極管和光探測器的耦合簡單而且效率高，雖然它的損耗還大于石英光纖，但在120米以內(nèi)作傳輸媒質(zhì)使用，塑料光纖還比石英光纖優(yōu)越。第三十五頁，共八十七頁，2022年，8月28日光纖的分類光纖的分類D紅外光纖可透過近紅外（1~5um）和中紅外（~10um）的光波，在紅外探測與傳輸方面具有石英光纖無法替代的作用；極低的理論損耗極限(10-3dB/km)，因此在長距離光纖通信，尤其是跨洋通信中具有極其誘人的前景。E液芯光纖

采用液體材料作為芯料、聚合物材料作為皮層管，具有大芯徑，大數(shù)值孔徑、光譜傳輸范圍廣、傳光效率高等特點，尤其是在紫外光波段比普通的石英傳光束具有優(yōu)越的傳光效率，已廣泛應(yīng)用于傳感測量（溫度、電壓、折射率等）、紫外固化、熒光檢測、刑偵取證、光譜治療等。（南京春輝科技實業(yè)有限公司已有成熟產(chǎn)品）第三十六頁，共八十七頁，2022年，8月28日光纖的分類光纖的分類F光子晶體光纖定義光子晶體光纖（photoniccrystalfiber，PCF），又稱多孔光纖或微結(jié)構(gòu)光纖，是由在纖芯周圍沿著軸向規(guī)則排列微小空氣孔構(gòu)成，通過這些微小空氣孔對光的約束，實現(xiàn)光的傳導。獨特的波導結(jié)構(gòu)，靈活的制作方法，使得PCF與常規(guī)光纖相比具有許多奇異的特性，有效地擴展和增加了光纖的應(yīng)用領(lǐng)域。第三十七頁，共八十七頁，2022年，8月28日光纖的分類光纖的分類F光子晶體光纖就結(jié)構(gòu)而言，PCF可分為實心光纖和空心光纖實心光纖是將石英玻璃毛細管以周期性規(guī)律排列在石英玻璃棒周圍的光纖；空心光纖是將石英玻璃毛細管以周期性規(guī)律排列在石英玻璃管周圍的光纖。光子晶體光纖技術(shù)中最具革命性創(chuàng)新，通過在光纖包層中產(chǎn)生光子帶隙將光限制在中央的空心核中傳播第三十八頁，共八十七頁，2022年，8月28日光纖的分類光纖的分類F光子晶體光纖折射率導光機理光子能隙導光機理按導光機理來說，PCF可以分為兩類：第三十九頁，共八十七頁，2022年，8月28日光纖的分類光纖的分類折射率導光機理周期性缺陷的纖芯折射率（石英玻璃）和周期性包層折射率（空氣）之間有一定差別，從而使光能夠在纖芯中傳播，這種結(jié)構(gòu)的PCF導光機理依然是全內(nèi)反射。但與常規(guī)G.652光纖有所不同，由于包層包含空氣，使得空芯PCF中的小孔尺寸比傳導光的波長還小，所以這種機理稱為改進的全內(nèi)反射（ModifiedTotalInternalReflection）。第四十頁，共八十七頁，2022年，8月28日光纖的分類光纖的分類光子能隙導光機理

在空心PCF中形成周期性的缺陷是空氣，傳輸機理是利用包層光子晶體對一定波長的光形成光子能隙，光波只能在空氣芯形成的缺陷中存在和傳播（光子帶隙效應(yīng)（PhotonicBandgapEffect））。傳輸機理具體解釋：第四十一頁，共八十七頁，2022年，8月28日光纖的分類光纖的分類結(jié)構(gòu)設(shè)計靈活，具有各種各樣的小孔結(jié)構(gòu)；纖芯和包層折射率差可以很大；纖芯可以制成多種樣式；包層折射率是依波長而變的函數(shù)，包層性能反映在波長尺度上PCF的特點：第四十二頁，共八十七頁，2022年，8月28日光纖的分類光纖的分類無截止單模(EndlesslySingleMode)不同尋常的色度色散優(yōu)良的雙折射效應(yīng)易于實現(xiàn)多芯傳輸PCF的特性：第四十三頁，共八十七頁，2022年，8月28日光纖的分類光纖的分類PCF應(yīng)用領(lǐng)域高功率低損耗近紅外激光傳輸脈沖整形，脈沖壓縮非線性光學光纖傳感領(lǐng)域第四十四頁，共八十七頁，2022年，8月28日3.3光源光纖傳感器所選用的光源類型的意義決定了此傳感器的工作模式、信號處理方法、分辨率、靈敏度及測量精度；光源的作用：將電信號電流轉(zhuǎn)換為光信號功率；選擇光源應(yīng)考慮的因素光源的波長、尺寸、輸入輸出功率、穩(wěn)定性、相干性、光譜特性，與光纖的耦合難易程度以及價格等；第四十五頁，共八十七頁，2022年，8月28日本章內(nèi)容光波：波長為10—106nm的電磁波可見光：波長380—780nm紫外線：波長10—380nm，波長300—380nm稱為近紫外線波長200—300nm稱為遠紫外線波長10—200nm稱為極遠紫外線，紅外線：波長780—106nm

波長3μm（即3000nm）以下的稱近紅外線波長超過3μm的紅外線稱為遠紅外線?；局R第四十六頁，共八十七頁，2022年，8月28日本章內(nèi)容激光器（相干光源）

按工作方式分類：

激光器的工作原理：連續(xù)式（功率可達104W）脈沖式（瞬時功率可達1017W/cm2

）自由輻射、受激吸收和受激輻射——激光物質(zhì)——激勵能源——光學諧振腔產(chǎn)生激光必要條件1.實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)２.使原子被激發(fā)３.要實現(xiàn)光放大第四十七頁，共八十七頁，2022年，8月28日本章內(nèi)容激光器（相干光源）激光的形成過程

工作物質(zhì)激勵、受激輻射自激振蕩增益外界能量注入（泵浦）光學諧振腔第四十八頁，共八十七頁，2022年，8月28日1半導體光源

半導體光源是光纖系統(tǒng)中最常用的也是最重要的光源。其主要優(yōu)點是體積小、重量輕、可靠性高、使用壽命長，頻率可調(diào)制、供電電源簡單等。它與光纖的特點相容，因此，在光纖傳感器和光纖通信中得到廣泛應(yīng)用。第四十九頁，共八十七頁，2022年，8月28日半導體光源分為發(fā)光二極管（LED）和半導體激光器（LD）。聯(lián)系：發(fā)光波長由半導體的能隙決定；常采用異質(zhì)結(jié)構(gòu)不同點：LD發(fā)射的是受激輻射光，LED發(fā)射的是自發(fā)輻射光；LD發(fā)射的是相干光，LED發(fā)射的是非相干光第五十頁，共八十七頁，2022年，8月28日發(fā)光二極管（LED）

優(yōu)點：

輸出光功率較小，譜線寬，調(diào)制頻率較低。不適于需要功率高、調(diào)制速度快、單色性好的光源的傳感器中。

性能穩(wěn)定，壽命長，輸出光功率線性范圍寬，而且制造工藝簡單，價格低廉，可用于簡易的光纖傳感器，大大降低成本。不足：第五十一頁，共八十七頁，2022年，8月28日

半導體激光器（LD）

優(yōu)點：

長時間工作后性能退化，甚至變質(zhì)；單色性和方向性不好。

效率高、體積小，波長范圍較寬，價格低，在光纖傳感中使用非常方便，特別是在光纖混合傳感器中，常用較大功率的LD作為光源，通過光電轉(zhuǎn)換后給傳感器探頭提供電功率，已實現(xiàn)溫度、壓力等傳感系統(tǒng)實用化。不足：第五十二頁，共八十七頁，2022年，8月28日超輻射發(fā)光二極管（SLED）：兼具LD輸出功率高和LED輸出光譜寬的特點，且具有短相干長度，但價格比二者均高。

應(yīng)用：光纖陀螺、光相干層析成像（OCT）、分布式光纖傳感、白光干涉儀等光纖傳感系統(tǒng)第五十三頁，共八十七頁，2022年，8月28日

最常用的氣體激光源有：工作波長為0.633um或1.15um的氦氖激光器工作波長為10.6um的二氧化碳激光器工作波長為457~514nm

的氬離子激光器2氣體激光器

缺陷：體積較大，使用不方便，多用于實驗系統(tǒng)中，而在實際傳感系統(tǒng)中應(yīng)用較少。

以氣體或金屬蒸氣作為主要工作物質(zhì)的激光器。

優(yōu)點：相干度高，可產(chǎn)生高連續(xù)功率。第五十四頁，共八十七頁，2022年，8月28日特點：極好的單色性、高度的相干性和很強的方向性（發(fā)散角?。?，價格適中，實驗室常用。氦氖（He-Ne）激光器組成:放電管(充有工作物質(zhì)氦氣氖氣的玻璃管及電極)、輸出鏡及全反鏡(光學諧振腔)、電源(激勵裝置)實際組成:激光器(放電管、輸出鏡及全反鏡)與電源按放電管與輸出鏡、全反鏡連接方式：內(nèi)腔式、外腔式及半外腔式第五十五頁，共八十七頁，2022年，8月28日

使用時諧振腔不用調(diào)節(jié)，價格低，使用方便。內(nèi)腔式氦氖激光管優(yōu)點：缺點：單模輸出激光功率低。工作過程中放電管受熱變形時，諧振腔反射鏡會偏離相互平行位置，造成器件損耗增加，輸出功率下降。激光管越長，其熱穩(wěn)定性越差，所以內(nèi)腔式激光管的長度一般不超過一米。當諧振腔反射鏡損壞后，不易更換，反射鏡內(nèi)表面污染后也無法清除。第五十六頁，共八十七頁，2022年，8月28日外腔式氦氖激光管輸出鏡、全反鏡安裝在諧振腔調(diào)節(jié)架上，諧振腔調(diào)節(jié)架安裝在激光器支架兩端，放電管(激光管)安裝在諧振腔調(diào)節(jié)架之間的激光器支架上結(jié)構(gòu)：第五十七頁，共八十七頁，2022年，8月28日外腔式氦氖激光管優(yōu)點：缺點：單模、線偏振輸出、激光功率大、輸出功率穩(wěn)定性高；由于諧振腔鏡與放電管分離，放電管的熱變形對諧振腔影響較小，加上諧振腔可以調(diào)整，因此，長期使用中能保持穩(wěn)定輸出。結(jié)構(gòu)復雜，價格高；

由于諧振腔鏡與放電管分離，相對位置易改變，需要經(jīng)常調(diào)整，使用不方便。第五十八頁，共八十七頁，2022年，8月28日

按激光器工作時放電管產(chǎn)生的熱量對激光器支架不同的影響，激光器支架可分為散熱型激光器支架（激光器輸出功率始終有明顯慢漂移）、隔熱型激光器支架（機殼外形體積較大）、保溫型激光器支架三種結(jié)構(gòu)。目前普遍采用保溫型激光器支架。第五十九頁，共八十七頁，2022年，8月28日激光器體積小，重量輕，輸出功率穩(wěn)定性高保溫型激光器支架結(jié)構(gòu)第六十頁，共八十七頁，2022年，8月28日半外腔式氦氖激光管

左端結(jié)構(gòu)與外腔式相同：輸出鏡安裝在一諧振腔調(diào)節(jié)架上，諧振腔調(diào)節(jié)架安裝在激光器支架一端，放電管安裝在激光器支架上。右端與內(nèi)腔相同：全反鏡直接封接在放電管另一端外側(cè)的玻璃外套管上(半外腔式氦氖激光器為非常規(guī)產(chǎn)品，通常需要定做)

結(jié)構(gòu)：第六十一頁，共八十七頁，2022年，8月28日半外腔式氦氖激光管優(yōu)缺點介于內(nèi)、外腔式之間；為非常規(guī)產(chǎn)品，通常需要定做。第六十二頁，共八十七頁，2022年，8月28日功率高（數(shù)瓦），是目前可見光區(qū)域輸出功率最高的連續(xù)工作激光器。優(yōu)點：缺點：價格高，效率低，使用不便應(yīng)用：對于非線性效應(yīng)和大面積受相干光照射的全息處理有用

氬離子（Ar）激光器第六十三頁，共八十七頁，2022年，8月28日工作在紅外區(qū)，具有高效性，在脈沖工作方式下產(chǎn)生幾千瓦的功率，在連續(xù)工作時，產(chǎn)生幾瓦的功率優(yōu)點：缺點：價格高，使用不便應(yīng)用：加工（焊接、切割、打孔等），通訊、雷達、化學分析，激光誘發(fā)化學反應(yīng)，外科手術(shù)等方面

二氧化碳（CO2）激光器第六十四頁，共八十七頁，2022年，8月28日3固體激光器根據(jù)工作物質(zhì)分類：

紅寶石激光器，波長：694.3nm；

Nd:YAG激光器，波長：1.06m；釹玻璃激光器：波長:1.06m；

輸出能量大、峰值功率高、器件結(jié)構(gòu)緊、便于光纖耦合、使用壽命長和單元技術(shù)成熟等。優(yōu)點：固體激光器即激光物質(zhì)為固體的激光器。第六十五頁，共八十七頁，2022年，8月28日

可以用于測量吸收光譜，如測量由污染物產(chǎn)生的瑞利、喇曼散射光譜;

可用于超長距離的測量，如月球到地球的離可利用紅寶石激光器的熒光熱效應(yīng)來測量環(huán)境溫度等。固體激光器的在光纖傳感應(yīng)用：

常用惰性氣體放電燈泵浦效率低，熱效應(yīng)嚴重，限制了輸出功率的進步提高和光束質(zhì)量的改善。不足：第六十六頁，共八十七頁，2022年，8月28日4光纖激光器光纖激光器是指用摻稀土元素的光纖作為激光介質(zhì)的激光器，屬于固體激光器。根據(jù)摻雜離子的不同以及兩端起反射鏡功能機理的不同，可以分為稀土類摻雜光纖激光器、光纖光柵激光器、非線性效應(yīng)光纖激光器、單晶光纖激光器、塑料光纖激光器、光孤子激光器、放大自發(fā)輻射ASE光源、光子晶體光纖激光器等。第六十七頁，共八十七頁，2022年，8月28日優(yōu)勢：閾值低，增益高;利用定向耦合和Bragg反射，可制作窄線寬、可調(diào)諧光纖激光器;光纖導出，與現(xiàn)有的光纖器件完全兼容，能很好地與光纖耦合，能進行全光纖測試，可傳輸系統(tǒng)光源，這在任何光系統(tǒng)、光器件的設(shè)計中都是及其珍貴也及其重要的；光纖制造成本低、技術(shù)成熟及其光纖的可繞性所帶來的小型化、集約化優(yōu)勢；第六十八頁，共八十七頁，2022年，8月28日優(yōu)勢：諧振腔內(nèi)無光學鏡片，具有免調(diào)節(jié)、免維護、高穩(wěn)定性的優(yōu)點，這是傳統(tǒng)激光器無法比擬的；勝任惡劣的工作環(huán)境，對灰塵、震蕩、沖擊、濕度、溫度具有很高的容忍度；熱效應(yīng)低，不需熱電制冷和水冷，只需簡單的風冷；高功率,目前商用化的光纖激光器是六千瓦；高的電光效率：綜合電光效率高達20%以上，大幅度節(jié)約工作時的耗電，節(jié)約運行成本。

第六十九頁，共八十七頁，2022年，8月28日在光纖傳感中的有著十分重要的地位：光纖激光器具有效率高、可調(diào)諧、穩(wěn)定性好、緊湊小巧、重量輕和光束質(zhì)量好等優(yōu)異性能；

光纖激光器和光纖傳感器能相互兼容，光纖激光器產(chǎn)生的激光可以很容易耦合到傳感器中；光纖激光器既可以作為傳感器的優(yōu)質(zhì)光源，自身也可作為傳感器，在傳感中有著廣闊的應(yīng)用前景。特別是用作光纖時域發(fā)射（OTDR）測量的強光源以及光纖陀螺的寬帶發(fā)射源。第七十頁，共八十七頁，2022年，8月28日光源中常用概念：功率dBm和瓦特之間換算：dBm=30+10lgW;lgW=(dBm-30)/10波數(shù)(cm-1)=104/波長(um)=107/波長(nm)線寬：第七十一頁，共八十七頁，2022年，8月28日3.4光電探測器光電探測器：光電探測器是一種將光信號轉(zhuǎn)換成電信號的器件，它實現(xiàn)光電信息轉(zhuǎn)換是基于物質(zhì)在光作用下釋放出電子這一物理現(xiàn)象(即光電效應(yīng))。外特性參數(shù)：光譜響應(yīng)特性，光電靈敏度，暗電流和噪聲特性第七十二頁，共八十七頁，2022年，8月28日線性好，按比例地將光信號轉(zhuǎn)換為電信號；靈敏度高，能敏感微小的輸入光信號，并輸出較大的電信號；響應(yīng)頻帶寬、響應(yīng)速度快、動態(tài)特性好；性能穩(wěn)定、噪聲小等。光纖傳感器用光探測器的要求第七十三頁，共八十七頁，2022年，8月28日光譜響應(yīng)特性輸出光電流的相對值與輸入光信號波長的關(guān)系曲線歸一化光譜響應(yīng)曲線:把響應(yīng)的相對最大值作為1截止波長:峰值響應(yīng)波長

:響應(yīng)度最大時所對應(yīng)的波長當光波長偏離時，響應(yīng)度便下降。當響應(yīng)度下降到其峰值的50％時，所對應(yīng)的波長第七十四頁，共八十七頁，2022年，8月28日

光電靈敏度

在給定波長的入射光照射下，輸入單位光功率時，光探測器的輸出值。（光電轉(zhuǎn)換能力）

暗電流是指光探測器在反向電壓作用下沒有光輸入時的輸出電流。暗電流是一種噪聲，暗電流小的探測器性能穩(wěn)定，噪聲低，檢測弱信號的能力強。第七十五頁，共八十七頁，2022年，8月28日光纖傳感器中常用光電探測器及特性第七十六頁，共八十七頁，2022年，8月28日PIN管是光電二極管中的一種。它的結(jié)構(gòu)特點是，在P型半導體和N型半導體之間夾著一層（相對）很厚的本征半導體。這樣，PN結(jié)的內(nèi)電場就基本上全集中于本征層中，從而