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第1章 光纤的基本特性 1

1.1引言 1

1.2光纤的结构与分类 1

1.2.1光纤的结构 1

1.2.2光纤的分类 2

1.3光纤的导光原理 4

1.3.1光在介质分界面上的全反射 5

1.3.2光线在光纤中的传播 5

1.3.3光波在光纤中的传播 9

1.4光纤的损耗特性 13

1.4.1光纤的损耗系数 13

1.4.2吸收损耗 13

1.4.3散射损耗 15

1.4.4辐射损耗 16

1.5光纤的色散特性 17

1.5.1时延差和色散系数 17

1.5.2材料色散和波导色散 18

1.5.3模间色散 21

1.5.4光纤的传输带宽 22

1.6光纤的偏振与双折射 24

1.6.1单模光纤的理想偏振特性与双折射效应 24

1.6.2保偏光纤 25

1.6.3纯单模光纤 26

1.7光纤的非线性 26

1.7.1非线性折射 28

1.7.2受激非弹性散射 29

1.7.3参量过程与四波混频 30

1.7.4光弧子 31

1.8光子晶体光纤 33

1.8.1光子晶体光纤概述 33

1.8.2光子晶体光纤的导光原理 34

1.8.3光子晶体光纤的特性 35

1.8.4光子晶体光纤的应用前景 38

第2章 光源与光探测器 40

2.1引言 40

2.2辐射光源基础 42

2.3光源的相干性 43

2.3.1时间相干性 43

2.3.2空间相干性 44

2.4非相干光源 45

2.4.1热光源 45

2.4.2气体放电光源 46

2.4.3固态非相干光源——发光二极管 47

2.5相干光源 51

2.5.1激光器的工作原理 51

2.5.2激光的模式 53

2.5.3应用于光学传感领域的激光光源 54

2.6热电探测器 63

2.6.1辐射热电偶与热电堆 63

2.6.2热敏电阻 63

2.6.3气动探测器 64

2.6.4热释电探测器 64

2.7光电子发射探测器 65

2.7.1光电子发射效应 65

2.7.2光电管 66

2.7.3光电倍增管 66

2.7.4图像增强器 69

2.8光电导探测器 69

2.8.1工作原理和结构 69

2.8.2基本特性 70

2.8.3几种光电导材料 71

2.9光电二极管 71

2.9.1结型探测器工作原理 71

2.9.2响应度 72

2.9.3工作波长 73

2.9.4工作模式 73

2.9.5耗尽层宽度和结电容 74

2.9.6响应时间 75

2.9.7雪崩倍增效应 75

2.9.8材料 78

2.9.9探测器结构 78

2.10接收器 80

2.10.1前置放大器的设计 80

2.10.2 FET前置放大器 81

2.11光电二极管接收器中的噪声 82

2.11.1噪声源概况 82

2.11.2暗电流和散粒噪声 82

2.11.3热噪声和放大器噪声 83

2.11.4信噪比 83

第3章 光纤激光器与光纤放大器 85

3.1引言 85

3.2掺杂光纤及特性 85

3.2.1掺杂光纤 85

3.2.2石英光纤中掺杂稀土离子的光谱特性 87

3.3光纤激光器的谐振腔 92

3.3.1 Fabry-Perot腔 92

3.3.2基于定向耦合器的光纤激光器 95

3.3.3可调谐光纤激光器 98

3.3.4窄带光纤激光器 102

3.4掺稀土元素的光纤激光器 104

3.4.1掺铒光纤激光器 104

3.4.2掺钕光纤激光器 107

3.5超荧光光纤激光器 109

3.6光纤放大器 110

3.6.1光纤放大器的基本性能 110

3.6.2掺铒光纤放大器（EDFA） 116

第4章 光纤传感器的基本原理 127

4.1引言 127

4.2光纤传感器的原理 128

4.2.1光纤传感器的基本原理 128

4.2.2光纤传感器的分类 129

4.3强度调制光纤传感器 130

4.3.1强度检测原理 130

4.3.2强度调制原理 132

4.4频率调制光纤传感器 137

4.4.1频率调制原理 137

4.4.2频率检测原理 138

4.5波长调制光纤传感器 140

4.5.1波长调制原理 140

4.5.2波长检测原理 42

4.6相位调制光纤传感器 43

4.6.1相位调制原理 143

4.6.2相位检测原理 150

4.6.3相位调制光纤传感器应用 153

4.7偏振调制光纤传感器 157

4.7.1偏振调制原理 157

4.7.2偏振检测原理 160

第5章 光电混合式光纤传感器 162

5.1引言 162

5.1.1传感器的供电 162

5.1.2传感器的分类 163

5.2光推动电容式传感器 167

5.2.1引言 167

5.2.2电容式差压敏感元件特性 168

5.3光推动混合式电流互感器 171

5.3.1引言 171

5.3.2光纤式电流互感器的原理 172

5.3.3 V/PWM和PWM/PPM调制 174

5.3.4 PWM/PPM调制 177

5.4光纤传输光推动测量系统的应用 178

第6章 光纤光栅传感技术 182

6.1引言 182

6.2光纤光栅的分类及理论模型 182

6.2.1均匀周期光纤光栅 182

6.2.2非均匀光纤光栅 184

6.2.3光纤光栅的理论模型 185

6.3光纤光栅的传感基础 186

6.3.1光纤光栅应变传感模型分析 187

6.3.2光纤光栅温度传感模型 203

6.3.3光纤光栅交叉敏感特性 203

6.4光纤光栅封装技术 204

6.4.1保护性封装 204

6.4.2敏化封装 206

6.4.3补偿性封装 211

6.5光纤光栅传感解调技术 212

6.5.1静态解调方法 213

6.5.2动态解调方法 217

6.6光纤光栅的复用技术 222

6.6.1波分复用系统（WDM） 223

6.6.2空分复用系统（SDM） 224

6.6.3时分复用系统（TDM） 226

6.6.4混合复用系统 227

6.6.5连续波调频技术复用系统 229

6.7光纤光栅的应用 234

第7章 光纤荧光传感技术 237

7.1引言 237

7.2荧光测量原理 238

7.2.1荧光概述 238

7.2.2荧光产生的机理 239

7.2.3荧光物质的激发光谱和发射光谱 241

7.2.4荧光寿命和量子产率 242

7.2.5荧光强度与溶液浓度之间的关系 244

7.2.6荧光与物质结构的关系 244

7.2.7环境因素对荧光的影响 245

7.3海洋环境监测光纤荧光传感器 247

7.3.1引言 247

7.3.2测量海藻中叶绿素a含量的光纤荧光传感器 249

7.3.3测量水中石油含量的荧光光纤传感器 258

7.4荧光光纤温度传感器 272

7.4.1荧光光纤测温原理 272

7.4.2荧光强度型光纤温度传感器 274

7.4.3荧光强度比型光纤温度传感器 278

7.4.4荧光寿命型光纤温度传感器 280

第8章 光纤温度传感器 284

8.1引言 284

8.2分布式光纤温度传感器 285

8.2.1分布式光纤温度传感器的特点 285

8.2.2光纤光时域反射（OTDR）原理 285

8.2.3光纤Raman背向散射及其温度效应 286

8.2.4分布光纤Raman背向散射光子温度传感器 288

8.2.5分布光纤Brillouin散射型温度传感器 289

8.3辐射式光纤温度传感器 293

8.3.1红外测温的基本原理 293

8.3.2光纤辐射温度测量仪的分类 294

8.3.3亮度测温仪 294

8.3.4比色测温仪 295

8.3.5光纤辐射温度测量仪的构成及其特点 296

8.3.6接触-非接触式光纤测温仪 296

8.4光纤温度传感器的应用 303

8.4.1分布式光纤温度传感器的应用 303

8.4.2辐射式光纤温度传感器的应用 308

第9章 光纤气体传感器 313

9.1引言 313

9.2气体传感器分类及其工作原理 313

9.3几种常见气体的传感器 314

9.4光纤气体传感器及其分类 317

9.4.1光谱吸收型 317

9.4.2基于折射率变化型 318

9.4.3渐逝场型光纤气体传感器 319

9.4.4光纤荧光气体传感器 319

9.5吸收式光纤气体传感器的设计与信号处理 320

9.5.1差分吸收检测 320

9.5.2谐波检测 323

9.6新型光纤气体传感技术及其应用 332

9.6.1衰荡腔光谱技术及其应用 332

9.6.2可调谐二极管激光吸收光谱技术 335

9.6.3光纤气体传感器及其检测技术在军事方面的应用 336

9.7气体浓度检测的展望 338

第10章 光纤陀螺仪 339

10.1光纤陀螺的工作原理 339

10.1.1 Sagnac相移原理 339

10.1.2互易性原理 340

10.1.3互易性结构 341

10.1.4互易性的调制与解调 342

10.2光纤干涉式陀螺仪 345

10.2.1开环式IFOG 345

10.2.2闭环式IFOG 346

10.2.3 IFOG系统器件的选择 346

10.2.4干涉式光纤陀螺的其他方案 349

10.2.5动态响应信号处理方法 350

10.2.6 IFOG的误差分析 354

10.3谐振式光纤陀螺（R-FOG） 360

10.3.1 R-FOG的工作原理 360

10.3.2信号处理方法 361

10.3.3光纤环形腔的互易性 363

10.4光纤陀螺的应用和发展趋势 365

参考文献 368