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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IFOG345

10.2.2闭环式IFOG346

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