光学工程学科导论

光

学

工

程

学

科

导

论

专业：光学工程

姓名：姬应科

学号：S315110082

日期：2017年9月

光纤传感技术是一种有别于传统传感技术的新科技，它是以光为被测量的载体，又通过光纤来传输光线，近年来得到了迅猛发展。在光纤中传播的光自身拥有一系列的光波参数，如光强、频率、波长、相位等，外界参数对光的影响，最终会体现在这些光波参数的改变上，而这也正是光纤传感技术的工作原理，即——通过测量波长、光强、偏振等光的本征参数，来间接得到温度、压强、折射率、应变等期望测量到的物理量的真实数据。比起传统传感器来，光纤传感器具有高灵敏度、耐腐蚀、抗电磁干扰、体积小、重量轻，传输损耗小等显著优势，已被广泛应用于温度、折射率、液位深度、压力，应变、振动等多种物理、化学变量的测量。并且由于它是非金属、质量轻、不会产生电火花等独特优势，更适合一些对电磁干扰、火花有严格要求的特殊工作场合，这一点是传统传感器所不能比的。因此，推动光纤传感器的深入研究，具有重大的经济利益与社会效益。

光纤传感器的工作原理，是将光源发出的具有特定光波参数的光，经光纤引入到敏感区，被测量于此处对光产生直接作用，使得光的一系列参数——光强、频率、波长、相位等——发生变化，变化后的光束被引入到光学仪器进进行检测，通过对上述的光波参数进行测量而测得外界物理量（温度、折射率、液位深度、压力，应变、振动等）的实际值。光纤传感器主要分为以下几类：

基于传感信号具有不同的调制方式，一般把光纤传感器分为按强度、按相位和按偏振态三种方式进行调制。其中使用领域最广的一种，是传感器的信号按强度调制这种类型，它往往应用于对传感精度没有特殊要求的普通场合。而当对测量精度要求较高时往往采用另外两种调制法。但是一般来说，能被光学仪器直接检测到的只有光信号的强度变化，而相位与偏振态的参数变化往往需要转换为光强信号才能被仪器所检测。但是光学参数的变化又从来不是孤立的，一种参数的变化经常耦合着另外几种参数混在里面，因此，选择适当的检测参量在光纤传感器设计中就显得非常重要。此外，对光纤传感器精度要求的提高，也需要更多的相位调制型和偏振调制型光纤传感器被研发出来。

根据传感器的工作系统结构，又可分为单点式光纤传感器与分布式光纤传感器。单点式传感器可以以自身为主体进行独立测试工作，又可通过复用技术，作为一个子检测单元，并入一个大型的检测系统中完成多点测量工作。分布式光纤传感器一般呈线性布设，往往长达几百米的光纤沿线都可作为整个传感系统的一个模块进行检测。分布式光纤传感系统中沿线的光纤同时起了一个信号传输与物理量检测这样两个功能，在测到物理量变化的同时也能直观反应沿线数据分布情况，所以这种传感器非常适合用在隧道、桥梁、矿井、管道等长距离分布上的工作环境中。按照被测物理量的不同，可以把光纤传感器用于测量温度、应变、振动、位移、折射率等不同用途。还可以根据传感区域的不同再将传感器分成两大类：一是功能型光纤传感器，又称为本征型光纤传感器；二是非功能型光纤传感器，又称为非本征型/传光型/外调制型光纤传感器。传感型光纤传感器的光纤不仅传输光波，而且能检测到被测参数的变化，同一根光纤完成了物理量的获取与传输两大任务，“传”“感”合一，工作效率很高，同时因为外界物理量直接作用于光纤上，没有中间环节，这使它的检测灵敏度比较高，但同时较易受外界环境所影响，抗外界干扰能力并不强。

非功能型光纤传感器中，光纤只起个“管道”的作用，是仅仅为导光而存在，检测未知物理量是由串接在它上面的另外的检测模块（往往非硅制）来完成，“传”与“感”是分离的。光纤在传感器中只“传”不“感”。但是由于敏感元件一般不是光纤自身，存在一个先要将敏感元件检测到的信号变成光信号，才能导入光

纤进行传输的过程。这往往不可避免地产生较大的信号损耗，造成信号存在一定程度的失真状况。比较起来，这样的话，由于功能型光纤传感器能够“传”“感”合一、既“传”又“感”，不仅能够发挥光纤传输的高传输比、低损耗的优势，还能因为敏感区与光纤浑然一体，可大幅度地降低两者衔接所以可能产生的信号失真与干扰，可极大提升信息处理的效率。本文后面章节里讨论到的几种全光纤传感器，如光纤Mach-Zehnder 干涉型、光纤 Michelson 干涉型传感器均为全光纤型传感器。

随着现代化科学技术的迅猛发展，人类逐步从工业化社会转入信息化社会。信息爆炸已经成为当前社会日趋逼近的社会形态，在这样的一个时代，信息的采集、传输和处理显得格外重要。而传感机构是感知、获取和监测转换信息的必备载体。传感技术、计算机技术和通信技术成为现代信息技术的三大支柱。作为探测与外界信息交互的重要环节之一，传感器被应用于工业、农业、军事、航空航天等各个领域。光纤传感器向着超高灵敏度、超高品质因数的为传感器方向发展，这标志着光纤传感器理论与实验的日趋成熟。美国密苏里科技大学课题组通过在长周期光栅上镀沸石膜，使得长周期光栅对气体分子的监测灵敏度达到 ppb 量级, 品质因数达到 1010。国内的光纤传感器虽然与国外相比起步较晚，但是正在蓬勃发展中，更有些国内先进加工实验室已经达到国际先进水平。其中，中国科学技术大学的量子信息重点实验室在光纤锥与谐振器方面做出了大量有建设性意义的工作，他们对产生的回廊模式上观察到的 Purcell 强耦合作用等量子电动力学现象进行了初步分析，所制作的微球谐振器品质因数可以达到 109。

北京大学物理学院现代光学研究所在高灵敏度生物、化学、运动微型光纤传感器方面获得了突破性的进展。他们首次提出将用模式分离的办法应用于超高 Q 因子微谐振器传感器中，从而对单个纳米粒子进行探测。光纤传感器是光通信和集成光学技术相融合的产物，因此它的发展势头迅猛，极具生命力，大有取代传统传感器的趋势。另外它还具有传统传感器所不具备的优势，如：成本低、微小型化、灵敏度高、响应时间短、抗电磁干扰、绝缘性好、耐高温高压、耐腐蚀、可在强辐射等恶劣条件下使用、可构成传感网络、实现实时在线原位检测、可实现视频与光纤传感机构联动等特点。并且光纤传感器的检测的物理量范围很广，如溶液浓度（折射率），温度，应变，压强，等等。正因此，它从最初的工业、农业、军事、航空航天等领域. 迅速向能源工业、化学、生产过程控制和环保监测等民用部门迅速扩展。根据美国市场信息公司预测：现代光纤传感器的市场会像 20 世纪 70 年代后期的半导体工业那样急剧增长。在不远的将来光纤传感器会在信息化社会中占有重要地位，当然这一切是建立在它的成本不断降低以及性能不断提高的基础上的。

按照光纤在光纤传感器中的作用一般可以分为两类：一类是功能型传感器（Function Fiber Optic Sensor），即 FF 型光纤传感器；另一类是非功能型传感器（Non —Function Fiber Optic Sensor），又称 NF 型光纤传感器。FF 型传感器是利用光纤本身的特性来制作敏感元件，所以又可以称为传感型光纤传感器；NF 型是利用其他敏感元件的特性，将光纤当做光信号传输的媒介，用以传输来自远处或难以接近的近场所产生的光信号，因此，也被称为传光型光纤传感器。常用的传感型光纤传感器的结构主要有：干涉型光纤传感器、光纤光栅传感器和谐振式光纤传感器，或者是这几种传感器结构相互组合而成的各种新型光纤传感器。干涉型光纤传感器包括法布里-珀罗干涉仪 (FPI)光纤传感器、马赫-曾德尔干涉仪(MZI)光纤传感器和迈克耳逊干涉仪(MI)光纤传感器等；光纤光栅传感器又可分为

长周期光纤光栅传感器（LPFG ）和布拉格光栅传感器（FBG ）；谐振式传感器可按照不同谐振元件分为光纤锥与球耦合、光纤锥与微盘耦合、光纤锥与微环耦合、光纤锥谐振环以及光纤谐振腔等光纤传感器。

1910 年英国人雷利（Lord Rayleigh ）提出了回廊模式（whispering gallery modes ，简称 WGMs ）的概念。雷利在研究声音沿曲面墙壁传播时发现：声音可以沿着回廊的墙壁环绕形成驻波，从而大大增强了回廊中声波的能量。雷利把这种现象命名为 Gallery ——这是英国伦敦圣保罗大教堂的回廊的名字——称为声波的回廊模式。如图 1.1 所示，我国的天坛也正是利用了声音的这种传播模式而建成的。在微波领域中，当光线耦合进入尺寸与微波尺寸相仿且具有旋转对称结构的光学微腔中后，光线在微腔表面不断被全反射，从而被约束在围墙表面，绕墙壁传播；如果光纤在围墙内绕行一周的半径长等于二分之一波长的整数倍，光纤将在微腔内形成驻波，我们把传播的这种模式称之为回廊模。当然光波也适用于这个理论。以回廊模式在微腔中进行传播的光波能量会逐渐得到叠加，从而得到加强，进而大大延长了光波在腔内的传播时间。而在微腔的外部，光波会在微腔表面形成倏逝波，光能量沿着径向呈指数下降，从围墙泄露到外部的光场的平均能流密度近似为零。因此回廊模是光学为谐振腔具有极高的品质因数、极小的模式体积和很低的非线性效应的预置条件。这些特性使得回廊模效应在高灵敏度微传感器、非线性光学、腔体量子电动力学、极低阈值激光器等领域都有重要的应用价值。

随着光刻等微细加工技术的发展与成熟，近年来，人们研发出如：球形、柱形、环形、盘形、多边形等各种形状的微光学谐振腔。这些旋转对称的结构能够使得传感器的回廊模式有着非常高的品质。在各种形状的微谐振腔中，最成熟的是球形结构。在20世纪初G. Mie等人就已经建立了微球腔对平面谐振波的散射理论, 并给出了微球腔对光的散射系数、吸收系数和消光系数的表达式。而在 Mie 等人的基础上，C. C. Lam 等推导出了计算微球腔内回廊模式对应的谐振波长、谐振峰的宽度以及电磁场强度的数学达式。Branginsky 等通过棱镜近场耦合方式直接在熔融二氧化硅介质微球腔内激发出回廊模模式，这是实验上首次证实了回廊模效应。在此之后，人们又开发了锥形光纤、侧抛光纤、倾角光纤等耦合器件，这极大限度地推动了有关球形微谐振腔研究的发展。在可集成方面，盘形/环形灯微谐振腔有着极大的优势，这导致他可以实现与其他光学元件甚至是机械期间相结合，虽然他们的品质因数与相同尺寸的球相比有着明显的劣势。另外，各类具有多边形结构的天然或者合成晶体也可以用于制作回廊模式的光学微腔。如目前报道的有沸石、氧化锌等都是形成多边形回廊模式微腔的理想材料。