光纖傳感器及其應用技術

呂海飛，香港中文大學電子工程專業博士，武漢理工大學物理系教授，博士生導師，湖北省人才計劃獲得者。從事微納光學及光學傳感等方向的研究工作。主持和參與多項國家自然科學基金、國防基金和湖北省自然科學基金項目；發表論文80餘篇。研究領域涉及貴金屬和半導體納米材料、微納光學諧振腔、基於新材料和新機制的光纖傳感技術及應用等。

 

 

 

 

 

 

 

 

目錄

第1章光纖技術基礎

 

1.1光纖的基本特性

 

1.1.1均勻折射率光纖中光線的傳播與數值孔徑

 

1.1.2光纖的彎曲

 

1.1.3光纖端面的傾斜效應

 

1.1.4圓錐形光纖

 

1.1.5光纖的損耗

 

1.1.6光纖的色散

 

1.2常用光纖器件

 

1.2.1光纖定向耦合器、環形器與波分復用器

 

1.2.2光纖偏振器件

 

1.2.3全光開關

 

1.2.4光纖光柵與光纖濾波器

 

1.2.5光調制器

 

1.2.6摻雜光纖激光器

 

1.2.7大功率光纖激光器與包層泵浦技術

 

1.2.8光纖放大器

 

1.3本章小結

 

習題與思考

 

第2章強度調制型光纖傳感器

 

2.1強度調制傳感原理

 

2.1.1反射式強度調制

 

2.1.2透射式強度調制

 

2.1.3光纖模式功率分佈強度調制

 

2.1.4折射率強度調制

 

2.1.5光吸收系數調制

 

2.2強度調制型光纖傳感器的補償技術

 

2.2.1光源負反饋穩定法

 

2.2.2雙波長補償法

 

2.2.3旁路光纖監測法

 

2.2.4光橋平衡補償法

 

2.2.5神經網絡補償法

 

2.3強度調制型光纖傳感器的類型及應用實例

 

2.3.1光纖微彎傳感器

 

2.3.2光纖溫度傳感器

 

2.4強度調制型光纖傳感器的研究與發展方向

 

習題與思考

 

第3章相位調制型光纖傳感器

 

3.1相位調制傳感原理

 

3.1.1應力應變效應

 

3.1.2溫度應變效應

 

3.2光纖乾涉儀的類型

 

3.2.1MZ和邁克爾遜光纖乾涉儀

 

3.2.2Sagnac光纖乾涉儀

 

3.2.3光纖FP乾涉儀

 

3.2.4光纖環形腔乾涉儀

 

3.2.5相位壓縮原理與微分乾涉儀

 

3.2.6白光乾涉型光纖傳感器

 

3.3相位調制型光傳感器的信號解調技術

 

3.3.1乾涉儀的信號解調

 

3.3.2光纖鎖相環方法

 

3.3.3相位生成載波解調方案

 

3.4光纖乾涉儀的傳感應用實例

 

3.4.1振動傳感器

 

3.4.2磁場傳感器

 

3.4.3電流傳感器

 

3.5相位調制型光纖傳感器的發展

 

習題與思考

 

第4章波長調制型光纖傳感器

 

4.1波長調制傳感原理

 

4.2光纖布拉格光柵傳感器

 

4.2.1光纖布拉格光柵傳感模型

 

4.2.2光纖光柵增敏與去敏設計

 

4.2.3光纖布拉格光柵在光纖傳感領域中的典型應用

 

4.3光聲光譜微量氣體檢測技術

 

4.3.1光聲光譜原理

 

4.3.2光聲氣室的設計與優化

 

4.3.3微量氣體的光聲光譜法高精度檢測實例

 

4.4光纖SPR傳感器

 

4.4.1SPR原理與理論模型

 

4.4.2光纖SPR傳感器及其應用

 

4.5光纖熒光溫度傳感器

 

4.6光纖黑體(高溫)溫度計

 

習題與思考

 

第5章偏振態調制型光纖傳感器

 

5.1偏振態調制傳感原理

 

5.1.1泡克耳斯效應

 

5.1.2克爾效應

 

5.1.3法拉第效應

 

5.1.4彈光效應

 

5.2偏振態調制型光纖傳感器類型及應用實例

 

5.2.1光纖電流傳感器

 

5.2.2BSO晶體光纖電場傳感器

 

5.2.3醫用體壓計

 

5.2.4動脈光纖血流計

 

5.2.5光纖偏振乾涉儀與反射型光纖電流傳感器

 

習題與思考

 

第6章分佈式光纖傳感器

 

6.1引言

 

6.2時域分佈式光纖傳感器

 

6.2.1光纖中的背向散射光分析

 

6.2.2OTDR技術

 

6.2.3基於瑞利散射的分佈式光纖傳感技術

 

6.2.4拉曼散射型分佈式光纖傳感技術

 

6.2.5布裏淵散射型分佈式光纖傳感技術

 

6.2.6不同分佈式溫度傳感方案比較

 

6.3其他(準)分佈式光纖傳感器

 

6.3.1光纖FP傳感器

 

6.3.2基於乾涉的分佈式光纖傳感器

 

6.4分佈式光纖傳感器的應用

 

6.5本章小結

 

習題與思考

 

第7章光纖傳感網絡技術

 

7.1概述

 

7.1.1可用於構成光傳感網的光纖傳感器

 

7.1.2成網技術

 

7.2光纖光柵傳感網絡

 

7.3基於乾涉型光纖傳感器的光纖傳感網

 

7.3.1大規模乾涉型光纖傳感網絡的基本結構

 

7.3.2超大容量乾涉型光纖傳感網絡的信號處理方法

 

7.3.3超大容量乾涉型光纖傳感網絡的偏振誘導信號衰落與控制方法

 

7.3.4長距離復合復用網絡結構中的光放大機理及極限性能

 

習題與思考

 

第8章新材料光纖傳感器及其應用技術

 

8.1光子晶體光纖及其在傳感中的應用

 

8.1.1光子晶體光纖

 

8.1.2光子晶體光纖傳感器

 

8.1.3PCF小結

 

8.2聚合物光纖及其在傳感中的應用

 

8.2.1聚合物光纖材料及類型

 

8.2.2多模聚合物光纖傳感器及其應用

 

8.2.3單模聚合物光纖傳感器及其應用

 

8.3本章小結

 

習題與思考

 

第9章微納光纖與傳感器

 

9.1微納光纖

 

9.1.1微納光纖的典型特徵

 

9.1.2微納光纖的製造與操作

 

9.2微納光纖的光傳輸特性分析

 

9.2.1微納光纖的光波導模型

 

9.2.2微納光纖模式分析與單模條件

 

9.2.3微納光纖的傳輸損耗

 

9.2.4微納光纖的色散與超連續譜

 

9.3微納光纖傳感器及典型應用

 

9.3.1微納光纖傳感機理

 

9.3.2典型的微納光纖傳感器

 

9.3.3微納光纖耦合器

 

9.3.4原子捕獲與導向

 

9.4微納光纖傳感技術的發展前景

 

習題與思考

 

參考文獻

 

附錄A符號表

 

附錄B縮寫詞匯表