光纤传感原理与技术（冯亭）

自1970年世界上第一根可实用的石英光纤被研制成功后,光纤通信和光纤传感相继发展起来。因为光纤传感器具有体积小、重量轻、抗电磁干扰、耐腐蚀、无电火花、可远程监控、可分布式测量、便于组网及融合进物联网等特殊优点,在诸多领域,尤其是极端环境下,能完成传统传感器不可能完成的测量任务,光纤传感技术受到了国内外学者的广泛关注,得到了广泛的研究和应用。光纤传感技术基于外界物理量引起的光纤中传输的光波特性参数(如强度、波长、相位、偏振态、频率等)的变化,通过一定的解调技术,对外界物理量进行测量和监控。目前,世界上已有对各种理、化、生参量进行测量的光纤传感器逾百种,且伴随各种新技术、新机理、新器件的不断被提出和发展,现有光纤传感器的性能会不断提升,各种新的传感应用会不断出现,更多的新型光纤传感器及技术会不断问世。随着各种智能结构与建筑、智慧高科技型城市等的建设需求日益旺盛,以及各国政府的大力支持和政策引导,光纤传感技术的未来应用前景良好、生命力旺盛、社会效益和经济潜力巨大。
目前,我国的光纤传感技术发展位于国际前列,国家多次在“五年规划”中将其作为重点,光纤传感技术的发展符合国家发展战略需求。诸多高校已将光纤传感技术课程作为光电信息科学与技术专业及其他光电类相关专业的主干课程。本书旨在将光纤光学基础、光纤传感原理与技术基础、全新技术与应用发展等内容教授给学生,同时配合以相关教学实验,使学生形成一套完整的光纤传感技术知识体系,既掌握成熟的光纤传感基本理论,又能跟随当今研究发展与应用现状,并了解其发展趋势。
全书由冯亭主要负责并统稿,本书的第1、3～7章由冯亭编写,第2章由冯亭与王颖共同编写,第8章由冯亭、吴胜保、李旭共同编写。此外,王颖对书稿出版规划提出了建设性建议,吴胜保和李旭在文字校对与语言修饰方面做了较多工作。河北大学光信息技术创新中心主任姚晓天教授对于本书的出版给予了很多支持和帮助,激光与传感研究组的张泽恒、姜美丽、韦达、周俊楠、毕文文、孙威威、苗甜甜等硕士研究生负责了书中部分图的绘制工作,在此表示感谢。同时,本书的出版得到了河北省一流本科专业建设项目(河北大学光电信息科学与工程专业)、国家自然科学基金项目(61705057、61975049)的支持,笔者表示最诚挚的感谢。
本书是笔者在河北大学多年光纤传感教学与科学工作经验基础上,同时参考国内外大量的相关书籍、论文等资料后编著而成的。由于本书编写时间仓促,书中难免存在疏漏,诚恳读者与同行学者批评指正,以便于本书今后的修改和完善,不胜感激。
笔者联系方式：wlxyft@hbu.edu.cn;wlxyft@163.com

冯亭
2020年12月

冯亭，河北大学物理科学与技术学院，副教授，博士毕业于北京交通大学全光网络与现代通信网教育部重点实验室（光波技术研究所），美国佐治亚理工学院（Georgia Institute of Technology）光学实验室联合培养博士。主要从事光纤激光器、光纤传感器及其应用技术的研究工作。近年来，已主持国家自然科学基金面上项目及青年基金项目、河北省自然科学基金项目、人社部留学回国人员择优资助项目、河北省教育厅项目等6项，主要参与包括国家自然科学基金科研仪器研制项目、面上项目多项，已获授权国家专利30余项，在国内外重要期刊及学术会议上发表科技论文70余篇，是国际著 名学术期刊 Optics Letters, Optics Express, Journal of Lightwave Technology, Applied Optics, Journal of Optics, Optical Fiber Technology, Optics & Laser Technology, Optics Communications, IEEE Photonics Journal, IEEE Access等刊物的审稿人、美国光学学会（OSA）会员、河北省光学学会会员、国家自然科学基金通讯评审专家，获河北大学优 秀指导教师奖、课堂教学大赛三等奖等。

《光纤传感原理与技术》根据现代光纤传感技术发展的需求，系统地论述了光纤传感的基础理论、基本原理、主要技术及应用现状与发展趋势。全书由8章组成，内容涵盖了光纤传感技术的起源与发展、光纤光学基础理论及光纤与光缆知识、光纤传感原理与系统组成器件及光耦合、五类光纤传感调制技术原理及应用与发展、光纤光栅传感原理与解调及复用技术、常见分布式光纤传感原理与技术、其他特殊类型光纤传感新技术、单参量及双参量光纤传感教学实验举例等。本书注重系统性、可读性、先进性与实用性，同时注重理论、原理、技术、应用相结合。
本书主要作为光电信息科学与工程等光电类相关专业本科生教材，同时适合光学工程等相关专业研究生学习使用，也可供相关工程技术人员与科研人员参考阅读。

第1章绪论
 1.1　光纤光学发展的四个阶段 1
  1.1.1　早期阶段 2
  1.1.2　起步与上升阶段 2
  1.1.3　全面兴起与发展阶段 3
  1.1.4　飞速发展阶段 3
 1.2　光纤传感技术的发展 4
  1.2.1　光纤传感器的起源 4
  1.2.2　光纤传感器的优点 4
  1.2.3　光纤传感器的应用 5
  1.2.4　中国光纤传感技术研究现状 6
 习题与思考 7
 参考文献 7

第2章光纤光学基础
 2.1　光纤导波原理 8
 2.2　光纤简介 9
  2.2.1　光纤的基本结构与分类 9
  2.2.2　光纤的传输特性 11
  2.2.3　光纤的物理特性 18
 2.3　光纤的光线理论 19
  2.3.1　子午光线的传输 19
  2.3.2　斜光线的传输 21
  2.3.3　光纤的弯曲 23
  2.3.4　子午光线的色散 26
  2.3.5　渐变折射率光纤的光线理论 27
 2.4　光纤的波导理论 32
  2.4.1　电磁场理论回顾 32
  2.4.2　介质中的波动方程 33
  2.4.3　贝塞尔方程与本征值方程 34
  2.4.4　阶跃折射率光纤的模式分析 37
  2.4.5　弱导光纤与线偏振模 41
 2.5　光纤与光缆 45
  2.5.1　光纤制作技术 46
  2.5.2　特种光纤 51
  2.5.3　光缆技术 55
 习题与思考 57
 参考文献 58

第3章光纤传感原理与系统组成
 3.1　光纤传感器概述 59
  3.1.1　光纤传感器的定义 59
  3.1.2　光纤传感器的基本组成与原理 60
  3.1.3　光纤传感器的分类 61
 3.2　光纤传感系统的核心器件 61
  3.2.1　光源 61
  3.2.2　光敏感器件 70
  3.2.3　光探测器 72
 3.3　光纤传感系统其他器件 77
  3.3.1　光纤连接器 77
  3.3.2　光纤衰减器 78
  3.3.3　光纤耦合器 78
  3.3.4　波分复用/解复用器 81
  3.3.5　光纤起偏器 81
  3.3.6　光纤偏振控制器 82
  3.3.7　光纤隔离器 82
  3.3.8　光纤环行器 83
  3.3.9　光纤滤波器 84
  3.3.10　光开关 84
 3.4　光纤传感器中的耦合 85
  3.4.1　光源与光纤的耦合 85
  3.4.2　光纤与光纤的耦合 88
  3.4.3　光纤与光探测器的耦合 89
 习题与思考 89
 参考文献 89

第4章光纤传感调制技术及类型
 4.1　强度调制型光纤传感器 91
  4.1.1　光强度的外调制技术 92
  4.1.2　光强度的内调制技术 95
  4.1.3　光强度调制的补偿技术 98
  4.1.4　强度调制型光纤传感器的应用与发展 101
 4.2　波长调制型光纤传感器 103
  4.2.1　波长调制光纤传感原理 103
  4.2.2　波长调制方法类型 104
  4.2.3　波长检测方法 108
  4.2.4　波长调制型光纤传感器的发展 110
 4.3　相位调制型光纤传感器 111
  4.3.1　相位调制光纤传感原理 111
  4.3.2　常见光纤干涉仪的类型 113
  4.3.3　相位调制传感信号解调方法 119
  4.3.4　相位调制型光纤传感器的应用 123
  4.3.5　相位调制型光纤传感器的发展 130
 4.4　偏振态调制型光纤传感器 131
  4.4.1　偏振态调制光纤传感原理 131
  4.4.2　偏振态调制主要技术 132
  4.4.3　偏振态调制型光纤传感器的应用 137
  4.4.4　偏振态调制型光纤传感器的发展 140
 4.5　频率调制型光纤传感器 140
  4.5.1　频率调制光纤传感原理 140
  4.5.2　频率检测方法及多普勒测速原理 141
  4.5.3　光纤多普勒技术及传感测量应用 143
  4.5.4　频率调制型光纤传感器的发展 143
 习题与思考 144
 参考文献 145

第5章光纤光栅传感器
 5.1　光纤光栅传感器概述 148
  5.1.1　光纤光栅理论及其制作技术 148
  5.1.2　光纤光栅传感原理 156
 5.2　光纤光栅传感模型 156
  5.2.1　应力应变传感 156
  5.2.2　温度传感 157
  5.2.3　动态磁场传感 158
 5.3　光纤光栅传感信号的解调 159
  5.3.1　匹配光栅解调法 159
  5.3.2　可调谐滤波器解调法 160
  5.3.3　扫描激光器解调法 161
  5.3.4　边沿滤波器解调法 161
  5.3.5　阵列探测器解调法 162
  5.3.6　干涉解调法 163
 5.4　光纤光栅传感网络技术 164
  5.4.1　光纤光栅传感网络 165
  5.4.2　光纤光栅传感网络的复用技术 165
 5.5　其他类型光纤光栅传感器 168
  5.5.1　长周期光纤光栅传感器 169
  5.5.2　倾斜光纤光栅传感器 170
 5.6　光纤光栅传感器的应用与发展 172
 习题与思考 173
 参考文献 173

第6章分布式光纤传感器
 6.1　光纤中的光散射 175
 6.2　时域分布式光纤传感器 177
  6.2.1　OTDR技术 177
  6.2.2　基于背向瑞利散射OTDR的分布式光纤传感 178
  6.2.3　基于布里渊散射OTDR的分布式光纤传感 179
  6.2.4　基于拉曼散射OTDR的分布式光纤传感 181
  6.2.5　新型时域分布式光纤传感器 182
 6.3　频域分布式光纤传感器 184
  6.3.1　OFDR技术 184
  6.3.2　基于OFDR的分布式光纤传感 185
  6.3.3　基于偏振分析OFDR的分布式光纤传感 187
 6.4　其他类型分布式光纤传感技术 188
  6.4.1　分布式偏振串扰分析技术 188
  6.4.2　基于光纤干涉仪的分布式传感技术 191
 6.5　分布式光纤传感器的应用与发展 193
 习题与思考 193
 参考文献 193

第7章特殊类型光纤传感技术
 7.1　纳米光纤及其传感应用 195
  7.1.1　纳米光纤的制作 196
  7.1.2　纳米光纤的特性 196
  7.1.3　纳米光纤的传感应用 197
 7.2　光子晶体光纤及其传感应用 197
  7.2.1　光子晶体光纤 197
  7.2.2　光子晶体光纤的传感应用 199
 7.3　聚合物光纤及其传感应用 201
  7.3.1　聚合物光纤的材料及类别 201
  7.3.2　聚合物光纤的传感应用 204
 习题与思考 207
 参考文献 208

第8章光纤传感教学实验
 8.1　光纤光栅应变传感实验 209
 8.2　光纤光栅温度传感实验 213
 8.3　分布式光纤传感原理实验 214
 8.4　纳米光纤环形谐振器折射率传感实验 216
 8.5　液体折射率与温度双参量光纤传感实验 220
 参考文献 226

附录