本书从光的波动理论和相干性出发，在阐述光纤中偏振光的传输与控制、光纤干涉仪的光学特性基础上，系统讨论了光纤干涉仪的信号处理技术，针对性地剖析了光纤干涉仪的典型案例。

目  录





第 1章  光的干涉 \t…………………………………………………………………… \t1

1.1 光波的叠加 \t……………………………………………………………… \t1
1.1.1 概述 \t……………………………………………………………… \t1
1.1.2 获得相干光的方法 \t……………………………………………… \t2
1.1.3 两平面光波的叠加 \t……………………………………………… \t4
1.2 分振幅的双光束干涉 \t…………………………………………………… \t5
1.2.1 等倾干涉 \t………………………………………………………… \t5
1.2.2 平行平板的多光束干涉 \t………………………………………… \t9
1.3 低相干光源干涉术 \t……………………………………………………… \t14
1.4 光的相干性 \t……………………………………………………………… \t19
1.4.1 概述\t……………………………………………………………\t19
1.4.2 相干时间和相干长度\t…………………………………………\t20
1.4.3 相干时间和谱线宽度\t…………………………………………\t22
1.4.4 互相干函数和复相干度\t………………………………………\t24
1.4.5 光源的相干时间与相干长度\t…………………………………\t26
1.4.6 空间相干性\t……………………………………………………\t31
1.4.7 部分相干光的干涉特性\t………………………………………\t38
1.4.8 激光的相干性\t…………………………………………………\t38
1.5 典型多光束干涉仪———法布里-珀罗干涉仪\t…………………………\t40
1.5.1 干涉仪的结构\t…………………………………………………\t40
1.5.2 干涉仪的性能参数\t……………………………………………\t41

第 2章  光纤中偏振光的传输与控制\t……………………………………………\t46

2.1 引言 \t……………………………………………………………………… \t46
2.2 均匀折射率光纤的波动理论 \t…………………………………………… \t48


2.2.1 麦克斯韦方程组与波动方程\t…………………………………\t48
2.2.2 矢量模式\t………………………………………………………\t51
2.2.3 线偏振模与标量法\t……………………………………………\t58
2.2.4 二层均匀光纤\t…………………………………………………\t60
2.3 光纤中的偏振光传输与控制\t……………………………………………\t69
2.3.1 单模光纤的偏振特性\t…………………………………………\t69
2.3.2 弱导光纤的微扰耦合模理论\t…………………………………\t73
2.3.3 光纤中双折射的微扰耦合模理论分析\t………………………\t74
2.3.4 单模光纤偏振特性的庞加莱球描述\t…………………………\t78
2.3.5 扭光纤以及旋光纤的偏振特性\t………………………………\t81
2.4 光纤的琼斯矩阵与光的偏振扰动 \t……………………………………… \t84
2.4.1 光纤中偏振光波的传输矩阵 \t………………………………… \t84
2.4.2 挤压、扭转引起的偏振特性变化 \t……………………………… \t86
2.4.3 温度效应对偏振态的影响 \t…………………………………… \t87
2.5 光纤中的偏振控制与器件 \t……………………………………………… \t87
2.5.1 保偏光纤、偏振光纤与保圆光纤 \t……………………………… \t88
2.5.2 光纤偏振器件\t…………………………………………………\t91
参考文献\t………………………………………………………………………\t101

第 3章  光纤干涉仪的类型与光学特性…………………………………………\t102

3.1 光纤干涉仪———相位调制型光纤传感器\t……………………………\t102
3.2 双光束干涉仪\t…………………………………………………………\t103
3.2.1 马赫-曾德尔干涉仪\t…………………………………………\t103
3.2.2 迈克耳孙光纤干涉仪 \t………………………………………… \t104
3.2.3 赛格纳克光纤干涉仪 \t………………………………………… \t106
3.3 光纤 F-P干涉仪———双光束与多光束干涉 \t………………………… \t115
3.3.1 引言 \t…………………………………………………………… \t115
3.3.2 基本原理 \t……………………………………………………… \t116
3.3.3 分类及特点 \t…………………………………………………… \t117
3.3.4 短腔 F-P结构的共振模式与增强…………………………… \t120
3.3.5 光纤 F-P传感器的信号解调………………………………… \t123
3.4 多光束干涉仪———光纤环形腔干涉仪\t………………………………\t124
3.5 光纤白光干涉仪\t………………………………………………………\t126

Ⅷ


3.5.1 原理及特性 \t…………………………………………………… \t126
3.5.2 优点和困难 \t…………………………………………………… \t128
3.5.3 基于光纤白光干涉法的应变、温度测量技术\t………………\t129
3.6 光纤偏振干涉仪\t………………………………………………………\t131
3.7 光纤长程干涉仪\t………………………………………………………\t132
3.7.1 MZ干涉仪事件监测的原理\t…………………………………\t132
3.7.2 采用时延估计进行事件定位的原理\t…………………………\t133
3.8 外界压力对光纤的相位调制\t…………………………………………\t136
3.9 温度对光纤的相位调制\t………………………………………………\t140
参考文献\t………………………………………………………………………\t141

第 4章  光纤干涉仪的信号处理…………………………………………………\t143

4.1 概述\t……………………………………………………………………\t143
4.2 双光束光纤干涉仪的信号处理\t………………………………………\t144
4.2.1 激光干涉相对测量方法\t………………………………………\t144
4.2.2 光纤宽谱干涉仪绝对测量\t……………………………………\t153
4.3 多光束光纤干涉仪信号处理\t…………………………………………\t166
4.3.1 绝对测量\t………………………………………………………\t167
4.3.2 相对测量\t………………………………………………………\t167
4.4 长程光纤干涉仪信号处理\t……………………………………………\t169
4.4.1 Φ-OTDR\t……………………………………………………\t169
4.4.2 OFDR \t………………………………………………………… \t177
4.5 光源光谱的影响 \t……………………………………………………… \t180
4.5.1 激光光源 \t……………………………………………………… \t180
4.5.2 宽谱光源 \t……………………………………………………… \t183
4.6 光纤传感器中的光电转换 \t…………………………………………… \t185
4.6.1 单路探测结构 \t………………………………………………… \t185
4.6.2 双路平衡探测 \t………………………………………………… \t188
参考文献 ……………………………………………………………………… 189

第 5章  光纤干涉仪的典型应用 ………………………………………………… \t191

5.1 光纤水声传感器 \t……………………………………………………… \t191

Ⅸ


5.1.1 光纤水听器传感单元设计与制备 \t…………………………… \t192
5.1.2 复合结构光纤水听器的相移灵敏度 \t………………………… \t194
5.1.3 光纤水声传感器的光源与噪声 \t……………………………… \t199
5.2 光纤矢量/加速度传感器 \t……………………………………………… \t200
5.2.1 膜片式加速度传感器 \t………………………………………… \t202
5.2.2 基于顺变柱体的干涉型光纤加速度传感器 \t………………… \t204
5.2.3 水听器矢量性的生成和分析 \t………………………………… \t207
5.2.4 光纤矢量水听器(声压梯度传感器)的基本结构 \t…………… \t208
5.3 光纤转动传感器(陀螺) \t……………………………………………… \t210
5.3.1 干涉型光纤陀螺 \t……………………………………………… \t210
5.3.2 谐振型光纤陀螺 \t……………………………………………… \t212
5.4 光纤氢气传感器 \t……………………………………………………… \t215
5.4.1 白光菲佐干涉型光纤氢气传感器 \t…………………………… \t215
5.4.2 基于相关原理的腔长解调与氢气传感 \t……………………… \t216
5.5 长周期光栅 MZ干涉型折射率传感器 \t……………………………… \t220
5.5.1 长周期光栅 MZ干涉仪原理 \t………………………………… \t220
5.5.2 LPG-MZ干涉折射率传感…………………………………… \t221
参考文献 ……………………………………………………………………… 222





















Ⅹ