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第1章 引言1

1.1 历史回顾和展望1

1.2 光纤传感器的分类和应用2

1.3 本书各章内容提要4

参考文献5

第2章 光导纤维基础7

2.1 光导纤维简介7

2.1.1 光纤的基本结构和制备7

2.1.2 光纤的基本特性9

2.1.3 光纤的分类12

2.2 阶跃折射率光纤的电磁场理论13

2.2.1 圆柱坐标系的麦克斯韦方程13

2.2.2 边界条件和本征值方程16

2.2.3 弱导近似、混合模和线偏振模19

2.2.4 场分布和偏振特性21

2.2.5 多模光纤和包层模26

2.2.6 光脉冲在光纤中的传输29

2.3 梯度折射率光纤的基本理论31

2.3.1 非均匀介质中的射线方程31

2.3.2 梯度折射率光纤的射线光学34

2.3.3 梯度折射率光纤的波动光学38

2.3.4 梯度折射率透镜的基本特性42

2.4 特种光纤43

2.4.1 稀土掺杂光纤和双包层光纤43

2.4.2 保偏光纤45

2.4.3 光子晶体光纤和微结构光纤48

习题51

参考文献52

第3章 光纤敏感性和光纤器件58

3.1 光纤对所处物理条件的敏感性58

3.1.1 光纤对轴向应变的敏感性58

3.1.2 光纤对侧向压力的敏感性59

3.1.3 光纤弯曲导致的双折射64

3.1.4 光纤扭转导致的偏振模交叉耦合和偏振旋转67

3.1.5 光纤弯曲损耗70

3.1.6 光纤中的机械振动和波73

3.1.7 光纤的温度敏感性74

3.2 光纤耦合器75

3.2.1 2×2光纤耦合器的结构和制备75

3.2.2 光纤耦合器的基本特性和理论分析76

3.2.3 N×N和1×N星型光纤耦合器85

3.2.4 轴向模式耦合和锥形光纤88

3.3 基于耦合器的光纤环路器件91

3.3.1 光纤萨格纳克环91

3.3.2 光纤单向环98

3.3.3 光纤马赫-曾德尔干涉仪和迈克耳孙干涉仪102

3.3.4 基于3×3耦合器的光纤环路器件106

3.4 光纤的偏振特性111

3.4.1 光纤中偏振态的演变111

3.4.2 偏振模色散的基本特性123

3.4.3 自旋光纤和圆双折射光纤125

3.4.4 法拉第旋转和旋光效应126

3.5 光纤偏振器件128

3.5.1 光纤偏振器129

3.5.2 光纤偏振控制器131

3.5.3 光纤退偏器和扰偏器132

3.5.4 光纤光隔离器和环行器135

习题137

参考文献138

第4章 光纤光栅和相关器件147

4.1 光纤光栅简介147

4.1.1 光纤光栅的基本结构和原理147

4.1.2 光纤的光敏性149

4.1.3 光纤光栅的制备和分类152

4.2 光纤光栅理论155

4.2.1 均匀光纤布拉格光栅理论155

4.2.2 长周期光纤光栅理论161

4.2.3 非均匀光纤光栅基本理论166

4.2.4 光纤光栅的逆工程设计171

4.2.5 光纤光栅的切趾174

4.3 特种光纤光栅器件176

4.3.1 多段结构光纤布拉格光栅176

4.3.2 固啾光纤布拉格光栅185

4.3.3 倾斜光纤布拉格光栅189

4.3.4 保偏光纤光栅195

4.3.5 纤内干涉仪和声光可调谐滤波器197

4.4 光纤光栅的敏感性和光纤光栅传感器199

4.4.1 光纤光栅的敏感性199

4.4.2 光纤光栅的调谐201

4.4.3 光纤光栅器件的封装203

4.4.4 光纤光栅传感系统及其应用207

习题210

参考文献211

第5章 分布式光纤传感器223

5.1 光纤中的光散射223

5.1.1 弹性光散射223

5.1.2 非弹性光散射225

5.1.3 受激拉曼散射和受激布里渊散射227

5.2 基于瑞利散射的分布式光纤传感器229

5.2.1 光时域反射仪229

5.2.2 偏振光时域反射仪234

5.2.3 相干光时域反射仪和相敏光时域反射仪236

5.2.4 光频域反射仪239

5.3 基于拉曼散射的分布式传感器241

5.3.1 光纤中的拉曼散射241

5.3.2 分布式拉曼温度传感器244

5.3.3 频域拉曼温度传感器246

5.4 基于布里渊散射的分布式光纤传感器247

5.4.1 光纤中的布里渊散射247

5.4.2 布里渊光时域反射仪250

5.4.3 布里渊光时域分析仪253

5.4.4 布里渊频域分析仪257

5.5 基于光纤干涉仪的分布式传感器258

5.5.1 干涉型光纤传感器的结构和特性259

5.5.2 分布式光纤传感系统中的低相干技术262

5.5.3 基于多模光纤中散斑效应和模式耦合的传感器266

习题269

参考文献270

第6章 特种用途光纤传感器283

6.1 光纤陀螺仪283

6.1.1 干涉型光纤陀螺仪283

6.1.2 光纤布里渊激光陀螺仪291

6.1.3 谐振型光纤陀螺仪292

6.2 光纤水听器293

6.2.1 光纤水听器基本结构293

6.2.2 声传感器阵列和复用298

6.2.3 低噪声激光光源300

6.3 光纤法拉第传感器301

6.3.1 光纤中的法拉第效应301

6.3.2 基于法拉第效应的电流传感器303

6.3.3 法拉第磁场传感器305

6.4 基于表面等离子体效应的光纤传感器307

6.4.1 表面等离子体效应308

6.4.2 基于表面等离子激元波的传感器311

习题313

参考文献314

第7章 非本征光纤法布里-珀罗干涉仪传感器322

7.1 非本征光纤F-P传感器的结构和基本原理322

7.1.1 光纤F-P器件的基本结构322

7.1.2 F-P干涉仪的基本特性324

7.2 高斯光束F-P干涉仪的理论327

7.2.1 基本模型和理论分析327

7.2.2 斐索干涉仪近似329

7.3 光纤F-P传感器的基本特性和性能330

7.3.1 非本征光纤F-P传感器的灵敏度330

7.3 2 测量传感的线性范围和动态范围332

7.3.3 光纤F-P传感器的解调和稳定性333

7.3.4 光纤F-P传感器的频率响应336

7.4 光纤F-P传感器的应用及相关技术问题339

7.4.1 声源的定位339

7.4.2 在原子力显微镜中的应用340

7.4.3 光纤F-P传感器的应用实例341

习题343

参考文献343

附录A 数学公式348

A.1 贝塞尔方程和贝塞尔函数348

A.2 龙格库塔方法352

A.3 一阶线性微分方程352

A.4 里卡蒂方程352

A.5 艾里方程和艾里函数353

附录B 弹性力学基础354

B.1 应变、应力和胡克定律354

B.2 坐标系之间的变换357

B.3 平面形变问题358

B.4 板和杆的应力平衡359

B.5 弹光效应362

B.6 各向同性介质内的弹性波363

附录C 偏振光学基础364

C.1 偏振光和琼斯矢量364

C.2 斯托克斯矢量和庞加莱球365

C.3 各向异性介质光学366

C.4 琼斯矩阵和米勒矩阵367

C.5 琼斯矢量和斯托克斯矢量的测量370

附录D 相关材料和器件的性能参数372

D.1 光纤连接器372

D.2 材料器件参数表374

索引377

后记390