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第1章 光纤基础 1

1.1光纤概述 1

1.1.1光纤的基本结构 1

1.1.2光纤的分类 2

1.2光纤传输原理 3

1.2.1光在界面的反射与折射 3

1.2.2阶跃折射率光纤 5

1.2.3渐变折射率光纤 7

1.2.4单模光纤中的双折射 8

1.3光纤的衰减机理 10

参考文献 13

第2章 光纤无源器件 14

2.1连接器 14

2.1.1连接器的基本原理和结构 14

2.1.2连接器的评价指标 16

2.2光纤耦合器 17

2.2.1概述 17

2.2.2熔锥型光纤耦合器 17

2.2.3耦合器的技术指标 19

2.3波分复用器（WDM） 20

2.3.1概述 20

2.3.2角色散型波分复用器 20

2.3.3干涉型波分复用器 21

2.3.4光纤耦合器型 21

2.3.5其他类型波分复用器 21

2.3.6光波分复用器的技术指标 22

2.4光隔离器 23

2.4.1光隔离器的功能及原理 23

2.4.2光隔离器的评价指标 24

2.4.3光隔离器的应用 25

2.5光环形器 25

2.5.1光环形器的功能及原理 25

2.5.2光环形器的评价指标 26

2.6衰减器 27

2.6.1概述 27

2.6.2光衰减器根据工作原理的分类 27

2.6.3固定式光衰减器与可变衰减器 28

2.6.4衰减器的评价指标 28

2.7光开关 29

2.7.1光开关概述 29

2.7.2机械光开关 29

2.7.3非机械光开关 30

2.7.4光开关的评价指标 30

2.8偏振控制器 31

2.8.1偏振控制器概述 31

2.8.2偏振控制器的基本原理 31

参考文献 33

第3章 光纤有源器件 34

3.1引言 34

3.2半导体光源的基本原理 35

3.3发光二极管 36

3.4激光二极管LD 38

3.5单频半导体激光器 41

3.6PIN光电二极管 42

3.7雪崩光电二极管APD 44

参考文献 44

第4章 掺铒光纤有源器件 45

4.1掺铒光纤 45

4.1.1掺铒光纤 45

4.1.2掺铒光纤的放大特性 46

4.1.3掺铒光纤的泵浦方式 47

4.2放大自发辐射光源（ASE） 48

4.2.1基本结构 48

4.2.2提高掺铒超荧光光纤光源输出特性 49

4.3掺铒光纤放大器 54

4.4光纤激光器 56

4.4.1光纤激光器的基本工作原理 56

4.4.2典型的光纤激光器结构 57

4.4.3单波长光纤激光器 58

4.4.4可调谐掺铒光纤激光器 62

参考文献 64

第5章 强度调制光纤传感器 65

5.1引言 65

5.2非功能型光纤传感器 67

5.2.1反射式强度调制 67

5.2.2透射式强度调制 68

5.2.3迅逝场耦合型强度调制 71

5.2.4物理效应型强度调制 73

5.3功能型光强调制 75

5.3.1微弯损耗型强度调制 75

5.3.2变折射率型强度调制 76

5.3.3刻纹光纤型强度调制 77

5.3.4光吸收系数型强度调制 78

5.4强度传感器的参考测量方法 78

5.4.1分光束参考测量法 79

5.4.2时域参考测量法 80

5.4.3双波长参考测量法 81

5.5光纤甲烷气体传感器 87

5.5.1迅逝场泄漏型光纤甲烷气体传感器 88

5.5.2光谱吸收型光纤甲烷气体传感器 88

5.6光纤氢气传感器 89

5.6.1干涉型光纤氢传感器 89

5.6.2基于光纤光栅型光纤氢传感器 90

5.6.3微透镜型光纤氢传感器 91

5.6.4迅逝场型光纤氢传感器 92

参考文献 93

第6章 干涉型光纤传感器 94

6.1引言 94

6.2光纤相位调制机理 94

6.3光纤干涉仪 97

6.3.1光纤迈克耳孙（Michelson）干涉仪 98

6.3.2光纤马赫-泽德尔（Mach-Zehnder）干涉仪 99

6.3.3光纤赛格纳克（Sagnac）干涉仪 100

6.3.4光纤法布里-珀罗（Febry-Perot）干涉仪 100

6.4双光束干涉仪的信号解调技术 101

6.4.1有源零差正交解调法 102

6.4.2无源零差正交解调法 106

6.4.3相位载波（PGC）零差法 108

6.4.4基于3×3光纤耦合器的零差解调 112

6.4.5外差解调法 123

6.4.6各种解调方案的比较 126

6.5光纤干涉技术中的一些关键技术问题 127

6.5.1光源 127

6.5.2光纤干涉仪中的模式与偏振问题 129

6.5.3光纤干涉仪的稳定技术 131

参考文献 135

第7章 光纤多光束干涉仪 137

7.1F-P干涉仪 137

7.2光纤F-P干涉仪 139

7.3本征型光纤多光束干涉F-P传感器 142

7.4外腔式光纤F-P谐振腔 145

7.5光纤F-P标准具 148

7.6可调谐光纤F-P滤波器 151

7.6.1背景 151

7.6.2设计方案 153

7.6.3可调谐光纤F-P滤波器的性能 153

7.7光纤F-P谐振腔传感器 155

参考文献 160

第8章 光纤外腔Fabry-Perot干涉仪（EFPI） 162

8.1引言 162

8.2EFPI传感器的原理 163

8.3EFPI的数学模型 167

8.4正交工作点直接测量法 168

8.5双F-P腔正交测量法 173

8.6双波长正交测量法 175

8.7三波长测量法 178

参考文献 181

第9章 光纤Sagnac干涉仪 183

9.1引言 183

9.2Sagnac效应 183

9.3互易性与最小结构光纤环形干涉仪 185

9.4光纤陀螺的相位偏置问题 187

9.5开环结构和闭环结构的光纤陀螺 188

9.5.1开环光纤陀螺的基本结构 189

9.5.2闭环光纤陀螺的基本结构 191

9.6实现光纤陀螺的技术问题 192

9.7小结 194

参考文献 195

第10章 光纤白光干涉测量术 196

10.1引言 196

10.2低相干光源 196

10.2.1气体灯光源 197

10.2.2二极管宽带光源 197

10.2.3梳状光谱光源 199

10.2.4ASE光源 199

10.3扫描光纤白光干涉测量术 200

10.4光谱域扫描光纤白光干涉测量术 204

10.4.1应用光谱仪的信号解调技术 205

10.4.2应用CCD成像的EFPI信号解调技术 206

10.4.3基于菲佐（Fizeau）干涉仪的EFPI信号解调技术 207

10.5波长扫描白光干涉测量术 210

10.5.1波长扫描白光干涉仪结构 210

10.5.2傅里叶变换白光干涉术 211

参考文献 218

第11章 偏振调制型光纤传感器及光学电流互感器 220

11.1光偏振调制原理及光学电流互感器 220

11.1.1偏振调制原理 220

11.1.2光学电流互感器的分类 221

11.2光学电流互感器与传统电流互感器的比较 221

11.3混合式光学电流互感器 222

11.3.1Rogowski线圈 223

11.3.2无源光电混合式OCT 224

11.3.3有源光电混合式OCT 226

11.4全光纤式OCT 226

11.4.1原理 226

11.4.2光纤中的双折射对测量的影响 227

11.4.3对传感光纤的改进 228

11.4.4对测量方案的改进 229

11.4.5结论 230

11.5玻璃块式OCT 230

11.5.1引言 230

11.5.2玻璃OCT的方案 231

11.5.3正方形传感头 232

11.5.4三角形传感头 233

11.6光学电流互感器的发展与评述 234

参考文献 238

第12章 光纤光栅传感器 239

12.1引言 239

12.2光纤光栅的制作 239

12.2.1侧面抛光型光纤布拉格光栅 240

12.2.2Hill光栅 241

12.2.3Meltz光栅 242

12.2.4单脉冲光栅 242

12.2.5光纤拉制时写入的光栅 243

12.2.6相位掩模光栅 244

12.2.7逐点写入的光纤光栅（模式变换器） 244

12.2.8带通光纤光栅 245

12.2.9长光纤光栅的制作（超窄线滤波器） 246

12.2.10重叠多个光纤光栅（梳妆滤波器） 246

12.2.11光纤啁啾光栅制作技术 247

12.3光纤光栅的光敏性 248

12.3.1引言 248

12.3.2掺锗光纤的UV吸收谱 248

12.3.3掺锗光纤的紫外光激折射率变化 250

12.3.4提高光纤光敏性的方法 252

12.4光纤光栅的性能 252

12.4.1模式耦合方程 252

12.4.2两个模式间的耦合 255

12.4.3一个前向模耦合到同阶的反向传输模 255

12.4.4光纤光栅的特性分析 257

12.5光纤光栅的传感性能 263

12.6光纤光栅信号解调技术 264

12.6.1线性滤波比例探测法 264

12.6.2匹配光纤光栅探测法 266

12.6.3光纤M-Z干涉探测法 267

12.6.4扫描光纤F-P干涉探测法 268

12.7光纤光栅传感器的复用技术 269

12.7.1光纤光栅复用的原理 269

12.7.2扫描光纤F-P滤波器法 270

12.7.3复用光纤光栅激光传感器阵列 270

12.7.4匹配光纤光栅波分复用阵列 271

12.7.5基于线阵列CCD探测的波分复用技术 271

12.7.6基于锁模激光的频分复用技术 272

12.7.7时分复用与波分复用技术 272

12.7.8空分复用、时分复用和波分复用光纤光栅传感器网络 273

12.8温度交叉敏感问题 274

参考文献 276

第13章 分布式光纤传感器 278

13.1引言 278

13.2光时域反射计（OTDR） 278

13.3基于瑞利散射的分布式光纤裂缝传感器 280

13.3.1引言 280

13.3.2分布式光纤裂缝传感器原理 280

13.3.3固定曲率半径平面波导的弯曲损耗分析 281

13.3.4任意弯曲多模光纤的弯曲损耗分析 283

13.3.5模拟与实验 285

13.3.6工程应用的难点 291

13.3.7小结 292

13.4基于拉曼散射的分布式光纤温度传感器 292

13.4.1引言 292

13.4.2自发拉曼散射 293

13.4.3测量系统 295

13.4.4参数的设计与器件的选择 295

13.4.5传感系统主要参数 298

13.5基于布里渊散射的分布式光纤应变/温度传感器 300

13.5.1传感原理 300

13.5.2信号探测方案 302

13.5.3小结 304

参考文献 305