內容簡介
光縴傳感器是一種應用廣泛、有重要實用價值的器件,它涉及光學、材料、電子學等眾多學科領域。《光學與光子學叢書:光縴傳感器基礎》係統地論述瞭光縴傳感技術的基礎,是反映該領域近年來新進展的教科書和工具書。《光學與光子學叢書:光縴傳感器基礎》論述瞭光縴傳感器的基本原理,用清晰的圖示和基本公式解釋其物理機理,介紹其主要結構、光學特性和基本性能。它不僅對高年級大學生和研究生的課程學習有一定指導作用,而且對該領域工作的研究者和工程技術人員有參考價值。
《光學與光子學叢書:光縴傳感器基礎》由7章組成。在引言之後,第2章綜述光縴的基本原理,包括電磁場理論和射綫光學理論。第3章論述光縴敏感性和光縴器件。第4章分析各種結構的光縴光柵及其在傳感技術中的應用。第5章綜述基於光縴內瑞利散射、拉曼散射和布裏淵散射的分布式光縴傳感器。第6章介紹幾個有特殊應用意義的光縴傳感器,包括光縴陀螺、光縴水聽器、光縴法拉第傳感器和基於錶麵等離子元的傳感器。第7章討論光縴法布理-珀羅乾涉儀傳感器。附錄提供有關的數學公式、彈性力學基礎、偏振光學基礎、相關材料和器件的性能參數。
《光學與光子學叢書:光縴傳感器基礎》的讀者對象,一是大專院校的學生,特彆是攻讀博士學位和碩士學位的研究牛,二是從事光縴傳感器及其應用的研發工作的科研工作者和工程技術人員。
內頁插圖
目錄
前言
第1章 引言
1.1 曆史迴顧和展望
1.2 光縴傳感器的分類和應用
1.3 本書各章內容提要
參考文獻
第2章 光導縴維基礎
2.1 光導縴維簡介
2.1.1 光縴的基本結構和製備
2.1.2 光縴的基本特性
2.1.3 光縴的分類
2.2 階躍摺射率光縴的電磁場理論
2.2.1 圓柱坐標係的麥剋斯韋方程
2.2.2 邊界條件和本徵值方程
2.2.3 弱導近似、混閤模和綫偏振模
2.2.4 場分布和偏振特性
2.2.5 多模光縴和包層模
2.2.6 光脈衝在光縴中的傳輸
2.3 梯度摺射率光縴的基本理論
2.3.1 非均勻介質中的射綫方程
2.3.2 梯度摺射率光縴的射綫光學
2.3.3 梯度摺射率光縴的波動光學
2.3.4 梯度摺射率透鏡的基本特性
2.4 特種光縴
2.4.1 稀土摻雜光縴和雙包層光縴
2.4.2 保偏光縴
2.4.3 光子晶體光縴和微結構光縴
習題
參考文獻
第3章 光縴敏感性和光縴器件
3.1 光縴對所處物理條件的敏感性
3.1.1 光縴對軸嚮應變的敏感性
3.1.2 光縴對側嚮壓力的敏感性
3.1.3 光縴彎麯導緻的雙摺射
3.1.4 光縴扭轉導緻的偏振模交叉耦閤和偏振鏇轉
3.1.5 光縴彎麯損耗
3.1.6 光縴中的機械振動和波
3.1.7 光縴的溫度敏感性
3.2 光縴耦閤器
3.2.1 2x2光縴耦閤器的結構和製備
3.2.2 光縴耦閤器的基本特性和理論分析
3.2.3 Ⅳ×Ⅳ和lxN星型光縴耦閤器
3.2.4 軸嚮模式耦閤和錐形光縴
3.3 基於耦閤器的光縴環路器件
3.3.1 光縴薩格納剋環
3.3.2 光縴單嚮環
3.3.3 光縴馬赫一曾德爾乾涉儀和邁剋耳孫乾涉儀
3.3.4 基於3x3耦閤器的光縴環路器件
3.4 光縴的偏振特性
3.4.1 光縴中偏振態的演變
3.4.2 偏振模色散的基本特性
3.4.3 自鏇光縴和圓雙摺射光縴
3.4.4 法拉第鏇轉和鏇光效應
3.5 光縴偏振器件
3.5.1 光縴偏振器
3.5.2 光縴偏振控製器
3.5.3 光縴退偏器和擾偏器
3.5.4 光縴光隔離器和環行器
習題
參考文獻
第4章 光縴光柵和相關器件
4.1 光縴光柵簡介
4.1.1 光縴光柵的基本結構和原理
4.1.2 光縴的光敏性
……
第5章 分布式光縴傳感器
第6章 特種用途光縴傳感器
第7章 非本徵光縴法布裏一珀羅乾涉儀傳感器
附錄A 數學公式
附錄B 彈性力學基礎
附錄C 偏振光學基礎
附錄D 相關材料和器件的性能參數
索引
後記
前言/序言
長期以來,我一直想組織同行齣一套適閤於光學、光學工程工作者和研究人員需求的光學與光子學的叢書。如今,在科學齣版社同誌們的努力推進和工作在光學與光子學科研、教學一綫的廣大專傢們的大力支持下,這樣一個願望終於得以實現,這使我感到由衷的欣慰和喜悅,我深信這樣一套叢書的齣版必將有效地促進我國光學、光電子以及光學工程技術的創新發展。
當今世界科學技術發展日新月異。科技創新能力已成為一個地區、一個國傢,尤其是一個大國經濟和社會發展的核心競爭力。在眾多紛繁的科技領域中,光學與光子學的發展直接影響到其他諸多學科領域的發展及其可能取得的成就。不但物理學、化學、生命科學、天文學等基礎科學的發展離不開光學與光子學,對現代人類社會和人類生活影響甚大的一些技術科學,如照明、通信、潔淨能源、遙感、顯示、環境監測、國防和空間開發、醫療與診斷、先進製造等,都需要光學與光子學的知識。光學與光子學是滲透到各個學科領域內的前沿科學,光學與光子學涉及幾乎所有技術前沿的核心技術。中華民族要真正走嚮繁榮昌盛離不開對光的駕馭。
編委會把叢書的名稱定為《光學與光子學叢書》,是想以此既包含經典光學(classicaloptics)的精華.也容納現代光學(modernoptics)即光子學(photonics)的最新研究進展。我和所有編委們一同期待著這套叢書能夠在涉及光科學和光學技術知識的深度和廣度上都達到一個嶄新的高度。積跬步至韆裏,匯小溪成江河。改革開放三十年的成就使得我國的光學事業處在瞭一個新的起點上。讓我們大傢共同努力,以此套高質量、高水準的《光學與光子學叢書》作為對中國光學事業大發展的鼎力貢獻。
光學與光子學叢書:光縴傳感器基礎 內容簡介 本書係統深入地闡述瞭光縴傳感器的基本原理、關鍵技術、典型應用及發展趨勢,旨在為讀者提供一個全麵而紮實的光縴傳感器知識體係。作為“光學與光子學叢書”的重要組成部分,本書以嚴謹的學術態度和清晰的邏輯結構,力圖幫助讀者理解光縴傳感器從概念到實際應用的各個環節,無論您是光學、物理、工程領域的研究者,還是緻力於光縴傳感技術開發與應用的工程師,亦或是希望深入瞭解這一前沿技術的研究生,本書都將是您寶貴的參考資料。 第一章:光縴傳感器概論 本章首先從宏觀角度介紹瞭光縴傳感器的概念、發展曆程以及其在現代科技中的重要地位。我們將探討光縴傳感器為何能夠興起並迅速發展,分析其相較於傳統傳感器所具有的突齣優勢,例如: 抗電磁乾擾能力強: 光信號在光縴中傳輸,不受外界電磁場的影響,這使得光縴傳感器在強電磁乾擾環境下錶現齣色,如電力係統、航空航天等領域。 絕緣性好,安全性高: 光縴傳感器不導電,非常適用於易燃易爆、腐蝕性強等危險環境,能夠有效避免電火花等安全隱患。 體積小,重量輕,易於敷設: 光縴縴芯直徑通常隻有微米級彆,光纜輕便靈活,可以輕鬆集成到各種結構中,甚至可以作為結構的一部分進行監測。 傳輸帶寬大,抗腐蝕性強: 光縴能夠傳輸高帶寬的光信號,實現多路傳感信息的同時采集,同時玻璃光縴具有優異的化學穩定性,不易被腐蝕。 傳感原理多樣,易於小型化和集成化: 基於多種光學效應,能夠實現對多種物理量的精確測量,並且易於與微納技術結閤,實現傳感器的微型化和陣列化。 隨後,我們將對光縴傳感器的工作原理進行初步的概述,包括其核心組成部分:光源、調製器件、光縴、傳感頭和解調係統。我們將簡要介紹不同類型光縴傳感器的工作機理,為後續章節的深入講解打下基礎。最後,本章將列舉光縴傳感器在工業監測、醫療診斷、環境監測、國防安全等領域的代錶性應用,勾勒齣其廣闊的應用前景。 第二章:光縴傳感器的基本原理 本章將深入剖析光縴傳感器的核心工作原理,重點介紹其實現對物理量敏感性的基本物理機製。我們將從以下幾個方麵進行闡述: 光縴的傳輸特性: 迴顧光的全內反射原理,講解光在光縴中的傳播模式,以及光縴結構(縴芯、包層、塗覆層)對光傳輸的影響。我們將討論單模光縴和多模光縴的區彆及其在傳感應用中的選擇。 基於損耗變化的光縴傳感器: 介紹利用光縴傳輸損耗隨外界環境變化而改變的原理。例如,彎麯損耗、擠壓損耗等。 基於光相位變化的光縴傳感器: 重點講解基於乾涉效應的光縴傳感器,如法布裏-珀羅乾涉儀(F-P)、馬赫-曾德爾乾涉儀(M-Z)和Sagnac乾涉儀。我們將詳細分析這些乾涉儀如何將外界物理量的變化轉化為光相位信號,並介紹其結構和工作過程。 基於光強(幅度)變化的光縴傳感器: 介紹非乾涉型光縴傳感器,例如利用光縴的散射、吸收、耦閤損耗等效應。 基於光譜變化的光縴傳感器: 講解布拉格光柵(FBG)的工作原理,包括其結構、製造方法以及如何通過改變布拉格波長來監測應變、溫度等物理量。我們將深入探討FBG的傳感機製,包括其對溫度和應變的響應。 基於偏振變化的光縴傳感器: 介紹利用光縴偏振態隨外界環境變化的原理,例如偏振保持光縴的應用。 本章將通過大量的物理模型和數學推導,幫助讀者深刻理解各種傳感原理背後的物理機製,為後續的傳感器設計和性能分析奠定理論基礎。 第三章:常用光縴傳感器類型與結構 本章將詳細介紹目前應用最廣泛、最具代錶性的幾種光縴傳感器類型,並對其典型結構進行深入分析。 基於布拉格光柵(FBG)的光縴傳感器: 原理與特性: 詳細講解FBG的反射光譜特性,以及其中心反射波長(Bragg Wavelength)如何隨溫度、應變等物理量的變化而移動。 製造工藝: 介紹FBG的幾種主要製造方法,如紫外曝光法、飛秒激光直寫法等,以及不同工藝對FBG性能的影響。 傳感器設計與應用: 講解基於FBG的溫度傳感器、應變傳感器、壓力傳感器、液位傳感器等的設計思路,並列舉其在結構健康監測(SHM)、航空航天、土木工程等領域的具體應用案例。 多參數傳感: 探討如何通過復用不同中心波長的FBG或結閤其他傳感原理實現對溫度、應變等多個物理量的同時測量。 基於乾涉儀的光縴傳感器: 法布裏-珀羅(F-P)乾涉儀傳感器: 介紹其工作原理,包括不同反射鏡結構的F-P腔,以及如何利用F-P乾涉譜的變化來測量壓力、溫度、加速度等。 馬赫-曾德爾(M-Z)乾涉儀傳感器: 講解M-Z乾涉儀的光路設計,以及其在摺射率、流速、聲波等傳感應用中的特點。 Sagnac乾涉儀傳感器: 重點介紹Sagnac乾涉儀在光縴陀螺、光縴水聽器等領域的應用,並分析其對鏇轉和振動的靈敏度。 分布式光縴傳感器: 基本原理: 介紹分布式光縴傳感器的概念,即利用光縴本身作為傳感元件,實現對長距離、連續區域的參數監測。 基於瑞利散射的分布式傳感: 講解基於瑞利散射的分布式溫度傳感(DTS)和分布式應變傳感(DSS),分析其工作過程和空間分辨率。 基於拉曼散射的分布式傳感: 介紹拉曼散射在DTS中的應用,及其對溫度的敏感性。 基於布裏淵散射的分布式傳感: 重點講解布裏淵散射在分布式溫度傳感(DTS)和分布式應變傳感(DSS)中的應用,分析其工作原理、優勢和局限性。 應用前景: 探討分布式光縴傳感器在輸油輸氣管道監測、隧道邊界監測、電纜故障定位等領域的應用。 其他類型傳感器: 簡要介紹基於光縴耦閤損耗、光縴光柵陣列、錶麵等離激元共振(SPR)等原理的光縴傳感器。 本章通過大量示意圖和具體實例,使讀者能夠直觀地理解不同光縴傳感器的結構和工作方式,並對其適用範圍和性能特點有清晰的認識。 第四章:光縴傳感器解調技術 光縴傳感器的解調技術是將光信號的變化轉化為可測量的物理量數據(如電壓、數字信號)的關鍵環節。本章將係統介紹各種先進的解調方法。 基於光譜分析的解調技術: 光柵光譜儀: 介紹如何利用光柵光譜儀對FBG的反射光譜進行實時監測,實現對波長變化的精確測量。 法布裏-珀羅乾涉儀解調: 講解如何通過分析F-P乾涉條紋的移動來提取傳感信息。 乾涉光譜儀(如FTIR): 介紹傅裏葉變換紅外光譜儀在某些光縴傳感器解調中的應用。 基於電學和電子學的方法: 光電探測器與信號處理: 介紹各種類型的光電探測器(如PIN管、APD)在接收光信號中的作用,以及後續的電子信號放大、濾波和模數轉換過程。 鎖相放大技術: 講解如何利用鎖相放大器提高傳感信號的信噪比,尤其適用於微弱信號的檢測。 高速數據采集: 討論在動態傳感應用中對高速數據采集係統的要求。 基於模式識彆和機器學習的解調: 神經網絡與深度學習: 介紹如何利用機器學習算法對復雜的傳感信號進行模式識彆和特徵提取,提高傳感器的精度和魯棒性,尤其在處理多參數耦閤或非綫性關係時。 支持嚮量機(SVM)、決策樹等: 討論其他常用的機器學習算法在光縴傳感器數據分析中的應用。 分布式傳感器的解調技術: 時域反射計(OTDR): 詳細介紹OTDR的工作原理,及其在分布式光縴傳感中的應用,包括如何通過測量迴波信號的時間延遲和幅度來定位故障和測量參數。 相關技術: 介紹其他與OTDR相關的技術,如光時域反射計(OFDR)等。 本章將重點分析各種解調技術的優缺點、適用範圍以及對傳感器性能的影響,幫助讀者選擇最適閤其應用需求的解調方案。 第五章:光縴傳感器在不同領域的應用 本章將通過豐富的案例研究,全麵展示光縴傳感器在各個關鍵領域的廣泛應用,深刻體現其技術價值和社會意義。 工業監測與控製: 結構健康監測(SHM): 在橋梁、隧道、大壩、建築物等大型基礎設施中,利用FBG傳感器監測應力、應變、溫度、位移等,及時發現結構損傷,評估安全狀態。 設備狀態監測: 在電力變壓器、發電機、風力渦輪機等關鍵設備中,利用光縴傳感器監測溫度、振動、應力等,實現預測性維護,提高設備可靠性。 過程控製: 在石油化工、冶金等行業,利用光縴傳感器實現對溫度、壓力、液位、流量等的實時精確測量,優化生産過程。 航空航天: 飛機結構監測: 集成光縴傳感器於飛機濛皮、機翼、起落架等部位,實時監測結構受力情況,提高飛行安全。 發動機性能監測: 利用耐高溫光縴傳感器監測發動機內部的關鍵參數,優化發動機性能。 火箭與航天器監測: 在發射和太空運行過程中,監測關鍵部件的溫度、應力、振動等,保證任務成功。 醫療健康: 生物傳感: 利用特殊設計的光縴傳感器對血糖、pH值、氧氣濃度、特定生物分子等進行無創或微創檢測。 介入治療: 在內窺鏡、導管等醫療器械中集成光縴傳感器,實時監測患者生理參數,輔助手術。 醫學影像: 探索光縴技術在光學相乾層析成像(OCT)等無損檢測技術中的應用。 環境監測: 環境參數監測: 監測空氣質量、水體汙染、土壤墒情、地下水位等。 災害預警: 用於監測地震、滑坡、泥石流、火山活動等自然災害的發生前兆。 環境安全: 監測核設施、化工廠等區域的泄漏、溫度異常等。 國防安全: 軍事目標監測: 用於邊界巡邏、反恐維穩、軍事裝備狀態監測等。 水下監測: 光縴水聽器在潛艇探測、海洋環境監測等領域發揮重要作用。 結構安全監測: 監測軍事設施、橋梁、隧道等關鍵基礎設施的結構健康。 本章將通過詳細的案例分析,展示光縴傳感器的實際性能和帶來的巨大價值,激發讀者的研究和應用興趣。 第六章:光縴傳感器發展趨勢與挑戰 本章將展望光縴傳感器技術的未來發展方嚮,並探討當前麵臨的挑戰。 發展趨勢: 小型化與微型化: 結閤微納技術,開發更小巧、更集成的光縴傳感器,滿足更多細分領域的應用需求。 多功能集成化: 實現多種傳感功能(如同時測量溫度、應變、壓力)於一體的傳感器。 智能化與網絡化: 結閤物聯網(IoT)、大數據、人工智能(AI)等技術,構建智能化的光縴傳感網絡,實現數據的自主分析、預測和決策。 新材料與新工藝: 探索新型光縴材料(如陶瓷光縴、柔性光縴)和先進的製造工藝,提升傳感器的性能和適用範圍。 分布式傳感技術的進步: 提高分布式光縴傳感器的空間分辨率、測量精度和監測距離。 新型傳感機理的探索: 持續探索新的物理效應,開發具有更高靈敏度、選擇性和魯棒性的新型光縴傳感器。 麵臨的挑戰: 成本問題: 部分高性能光縴傳感器及配套解調係統的成本較高,限製瞭其大規模應用。 標準化與互操作性: 缺乏統一的行業標準,不同廠商的産品之間互操作性較差。 環境適應性: 在極端惡劣環境下(如超高溫、強腐蝕、高輻射)工作的光縴傳感器性能仍需提升。 數據處理與分析: 海量傳感數據的高效處理、挖掘和可視化是未來發展的關鍵。 人纔培養: 復閤型人纔的培養,能夠同時掌握光學、電子、計算機和應用領域知識的專業人纔。 最後,本章將對光縴傳感器技術的未來發展前景進行總結性論述,鼓勵讀者積極投身於這一充滿活力和潛力的技術領域。 本書的編寫力求嚴謹、係統、實用,既注重理論的深度,也關注技術的廣度與應用的前沿性。我們希望通過本書,能夠為廣大讀者提供一個學習和研究光縴傳感器技術的重要平颱,為推動相關領域的發展貢獻一份力量。