描述
包 装: 圆脊精装国际标准书号ISBN: 9787030362025
内容简介
作者结合多年的光纤陀螺、光纤水听器、光纤电流传感器等干涉型光纤传感器的研制经验，充分认识到光电子器件对于传感器系统研制的重要性以及不同于光纤通信领域的特点与要求，因此本书以器件为切入点，以器件和系统之间的关系为主线，着重阐述了器件的设计、工艺、测试、应用特性及要求。本书从器件技术基础和工程应用的角度出发，首先介绍了干涉型光纤传感器的原理、分类及应用特点，阐述了干涉型光纤传感用光电子器件的分类及特点，然后逐一对器件相关技术进行了重点论述。包括光纤、光源、探测器、调制器及其他光电子器件，*后论述了光电子器件的可靠性技术。
目 录
目录
序
前言
第1章 绪论 1
1.1 光纤传感技术发展历程 1
1.1.1 干涉型光纤传感器的发展 1
1.1.2 光纤光栅传感器的发展 3
1.1.3 分布式光纤传感器的发展 4
1.1.4 其他类型光纤传感器 5
1.2 光纤传感器的分类 6
1.3 光纤传感技术中涉及的典型物理效应 10
1.4 光纤干涉仪原理及特点 14
1.4.1 迈克耳孙干涉仪 14
1.4.2 马赫-曾德尔干涉仪 15
1.4.3 萨格纳克干涉仪 17
1.4.4 法布里-珀**涉仪 19
1.5 干涉型光纤传感器相位解调方法 20
1.5.1 零差相位解调法 20
1.5.2 外差解调法 26
1.6 干涉型光纤传感用光电子器件 28
1.6.1 干涉型光纤传感用光电子器件分类及特点 28
1.6.2 光纤传感系统设计与光电子器件的关系 31
1.6.3 干涉型光纤传感用光电子器件发展及应用中的主要技术问题 32
参考文献 34
第2章 干涉型光纤传感器及其光电子器件的技术特点 38
2.1 迈克耳孙干涉型光纤传感器及其典型应用 38
2.1.1 迈克耳孙干涉型光纤水听器 39
2.1.2 迈克耳孙干涉型光纤加速度传感器 40
2.1.3 迈克耳孙干涉型光纤传感器用光电子器件的技术特点 41
2.2 马赫-曾德尔干涉型光纤传感器及其典型应用 42
2.2.1 马赫-曾德尔干涉型光纤水听器 43
2.2.2 马赫-曾德尔干涉型光纤扰动传感器 44
2.2.3 马赫-曾德尔干涉型光纤传感器用光电子器件的技术特点 45
2.3 萨格纳克干涉型光纤传感器及其典型应用 46
2.3.1 干涉型光纤陀螺仪 46
2.3.2 光纤电流互感器 49
2.3.3 萨格纳克干涉型分布式光纤传感器 50
2.3.4 萨格纳克干涉型光纤传感器用光电子器件的技术特点 51
2.4 法布里-珀**涉型光纤传感器及其典型应用 53
2.4.1 法布里-珀**涉型光纤温度传感器 54
2.4.2 法布里-珀**涉型光纤应变传感器 54
2.4.3 法布里-珀**涉型光纤压力传感器 55
2.4.4 法布里-珀**涉型光纤传感器用光电子器件的技术特点 56
2.5 白光干涉型光纤传感器及其典型应用 57
2.5.1 基于扫描干涉仪的白光干涉型光纤传感器 57
2.5.2 光谱域白光干涉型光纤传感器 59
2.5.3 白光干涉型光纤传感器用光电子器件的技术特点 61
参考文献 61
第3章 光纤及其在干涉型光纤传感中的应用技术 63
3.1 光纤的结构与分类 63
3.1.1 单模光纤 64
3.1.2 保偏光纤 66
3.2 光纤性能参数及测试方法 71
3.2.1 光学特性参数 71
3.2.2 几何特性参数 82
3.2.3 机械特性参数 83
3.3 光纤制备工艺 89
3.3.1 单模光纤制备工艺 89
3.3.2 保偏光纤制备工艺 89
3.3.3 抗辐照保偏光纤制备工艺 91
3.4 光纤的特性及干涉型光纤传感应用要求 92
3.4.1 干涉型光纤传感用光纤的分类及应用要求 92
3.4.2 三种应力型保偏光纤的特点 93
3.4.3 光纤的应用环境适应性 94
3.5 光纤在干涉型光纤传感中应用的主要物理效应 100
3.5.1 光纤中的光波偏振交叉耦合 100
3.5.2 光纤的非线性效应 101
3.5.3 光纤的法拉第效应 102
3.5.4 光纤的弹光效应 103
3.5.5 光纤的热光效应 104
3.6 光纤环技术 104
3.6.1 光纤陀螺仪光纤敏感环 104
3.6.2 光纤电流互感器光纤敏感环 114
3.6.3 光纤水听器光纤敏感环 114
3.6.4 光纤延时环 116
3.7 光子晶体光纤 116
3.7.1 光子晶体光纤的概念和工作原理 117
3.7.2 光子晶体光纤的主要特性 118
3.7.3 光子晶体保偏光纤的设计、制备及特点 119
3.7.4 光子晶体光纤在光纤传感中的应用 120
参考文献 122
第4章 光纤耦合器 124
4.1 光纤耦合器工作原理 124
4.2 光纤耦合器主要性能参数及测试方法 126
4.3 2×2光纤耦合器性能参数设计与制备工艺 129
4.3.1 光纤耦合器主要光学性能参数设计 129
4.3.2 光纤耦合器制备工艺 133
4.4 干涉型光纤传感用光纤耦合器的特性及应用要求 139
4.4.1 单模光纤耦合器的主要特性 139
4.4.2 保偏光纤耦合器的主要特性 144
4.4.3 光纤耦合器的应用要求 145
4.5 其他类型耦合器 149
4.5.1 3×3（1×3）光纤耦合器 149
4.5.2 光纤波分复用器 151
4.5.3 微光元件型耦合器 152
4.5.4 集成光波导型耦合器 152
参考文献 153
第5章 光纤偏振器件 154
5.1 光纤偏振器 154
5.1.1 光纤偏振器工作原理 154
5.1.2 光纤偏振器分类 158
5.1.3 光纤偏振器性能参数及测试方法 159
5.1.4 光纤偏振器在干涉型光纤传感中的应用要求 161
5.2 光纤消偏器 162
5.2.1 光纤消偏器工作原理 162
5.2.2 光纤消偏器在干涉型光纤传感中的应用要求 165
5.3 光纤隔离器 167
5.3.1 光纤隔离器工作原理与结构 167
5.3.2 光纤隔离器性能参数及测试方法 169
5.3.3 光纤隔离器在干涉型光纤传感中的应用要求 169
5.4 光纤环行器 170
5.4.1 光纤环行器工作原理 170
5.4.2 光纤环行器性能参数及测试方法 171
5.4.3 光纤环行器在干涉型光纤传感中的应用要求 172
参考文献 172
第6章 相位调制器 174
6.1 相位调制原理 174
6.1.1 电光相位调制 174
6.1.2 弹光相位调制 179
6.1.3 声光相位调制 182
6.2 Ti扩散LiNbO3相位调制器 184
6.2.1 主要性能参数及设计 184
6.2.2 Ti扩散LiNbO3电光相位调制器制备工艺 190
6.2.3 干涉型光纤传感用Ti扩散LiNbO3相位调制器的特性及应用要求 195
6.3 质子交换LiNbO3相位调制器 205
6.3.1 Y型质子交换LiNbO3相位调制器设计 206
6.3.2 质子交换LiNbO3相位调制器制备工艺 208
6.3.3 干涉型光纤传感用质子交换LiNbO3相位调制器的特性及应用要求 210
6.4 压电陶瓷相位调制器 216
6.4.1 压电陶瓷相位调制器原理 216
6.4.2 压电陶瓷相位调制器设计 216
6.4.3 干涉型光纤传感用PZT相位调制器的特性及应用要求 218
参考文献 221
第7章 其他光无源器件 224
7.1 光纤自聚焦透镜 224
7.1.1 光纤自聚焦透镜的工作原理与光学特性 224
7.1.2 光纤自聚焦透镜的主要性能参数 226
7.1.3 光纤自聚焦透镜在干涉型光纤传感中的应用要求 227
7.2 光纤准直器 227
7.2.1 光纤准直器的分类 228
7.2.2 光纤准直器的结构与设计 228
7.2.3 光纤准直器在干涉型光纤传感中的应用要求 230
7.3 光纤滤波器 231
7.3.1 M-Z光纤滤波器 231
7.3.2 F-P光纤滤波器 233
7.3.3 光纤光栅滤波器 236
7.3.4 光纤滤波器在干涉型光纤传感中的应用要求 237
7.4 光纤反射镜 237
7.4.1 光纤环路反射镜 237
7.4.2 介质膜光纤反射镜 238
7.4.3 金属膜光纤反射镜 242
7.4.4 光纤法拉第旋转反射镜 242
7.4.5 光纤反射镜在干涉型光纤传感中的应用要求 242
7.5 光纤光栅 243
7.5.1 布拉格光纤光栅 244
7.5.2 光纤光栅的制备 245
7.5.3 光纤光栅的主要性能参数 245
7.5.4 光纤光栅在干涉型光纤传感中的应用要求 247
参考文献 248
第8章 半导体光源器件 249
8.1 半导体激光器工作原理 249
8.1.1 光的自发辐射、受激辐射与受激吸收 249
8.1.2 阈值条件 251
8.2 半导体光源的分类与结构 253
8.2.1 激光二极管 254
8.2.2 发光二极管 255
8.2.3 超辐射发光二极管 256
8.3 半导体光源设计与工艺 257
8.3.1 半导体光源的材料 257
8.3.2 半导体光源主要性能参数设计 258
8.3.3 半导体光源组件的结构及封装 261
8.3.4 半导体光源组件工艺 262
8.4 干涉型光纤传感用半导体光源的特性及应用要求 264
8.4.1 半导体光源的主要特性 264
8.4.2 半导体光源的应用要求 274
参考文献 283
第9章 掺铒光纤有源器件 284
9.1 掺铒光纤有源器件工作原理 284
9.1.1 掺铒光纤的工作原理及特性 284
9.1.2 超荧光掺铒光纤光源的工作原理 286
9.1.3 掺铒光纤激光器的工作原理 288
9.2 掺铒光纤有源器件用光电子器件 290
9.3 超荧光掺铒光纤光源 293
9.3.1 超荧光掺铒光纤光源的结构 293
9.3.2 超荧光掺铒光纤光源的主要性能参数 295
9.3.3 超荧光掺铒光纤光源设计 296
9.3.4 干涉型光纤传感用超荧光掺铒光纤光源的特性及应用要求 308
9.4 掺铒光纤激光器 310
9.4.1 掺铒光纤激光器的特点及分类 310
9.4.2 掺铒光纤激光器主要性能参数 315
9.4.3 DBR掺铒光纤激光器设计 315
9.4.4 干涉型光纤传感用掺铒光纤激光器的特性及应用要求 316
参考文献 318
第10章 光电探测器 320
10.1 光电探测器工作原理 320
10.1.1 光电转换原理 320
10.1.2 PN结光电二极管 321
10.2 PIN光电探测器组件 323
10.2.1 PIN光电二极管及光电探测器组件 323
10.2.2 PIN光电探测器组件主要性能参数及测试 325
10.2.3 PIN光电探测器组件设计与工艺 328
10.2.4 干涉型光纤传感用PIN光电探测器组件的特性及应用要求 334
10.3 雪崩光电二极管 339
10.3.1 APD的工作原理 339
10.3.2 APD的结构 339
10.3.3 干涉型光纤传感用APD光电探测器的特性及应用要求 340
序
前言
第1章 绪论 1
1.1 光纤传感技术发展历程 1
1.1.1 干涉型光纤传感器的发展 1
1.1.2 光纤光栅传感器的发展 3
1.1.3 分布式光纤传感器的发展 4
1.1.4 其他类型光纤传感器 5
1.2 光纤传感器的分类 6
1.3 光纤传感技术中涉及的典型物理效应 10
1.4 光纤干涉仪原理及特点 14
1.4.1 迈克耳孙干涉仪 14
1.4.2 马赫-曾德尔干涉仪 15
1.4.3 萨格纳克干涉仪 17
1.4.4 法布里-珀**涉仪 19
1.5 干涉型光纤传感器相位解调方法 20
1.5.1 零差相位解调法 20
1.5.2 外差解调法 26
1.6 干涉型光纤传感用光电子器件 28
1.6.1 干涉型光纤传感用光电子器件分类及特点 28
1.6.2 光纤传感系统设计与光电子器件的关系 31
1.6.3 干涉型光纤传感用光电子器件发展及应用中的主要技术问题 32
参考文献 34
第2章 干涉型光纤传感器及其光电子器件的技术特点 38
2.1 迈克耳孙干涉型光纤传感器及其典型应用 38
2.1.1 迈克耳孙干涉型光纤水听器 39
2.1.2 迈克耳孙干涉型光纤加速度传感器 40
2.1.3 迈克耳孙干涉型光纤传感器用光电子器件的技术特点 41
2.2 马赫-曾德尔干涉型光纤传感器及其典型应用 42
2.2.1 马赫-曾德尔干涉型光纤水听器 43
2.2.2 马赫-曾德尔干涉型光纤扰动传感器 44
2.2.3 马赫-曾德尔干涉型光纤传感器用光电子器件的技术特点 45
2.3 萨格纳克干涉型光纤传感器及其典型应用 46
2.3.1 干涉型光纤陀螺仪 46
2.3.2 光纤电流互感器 49
2.3.3 萨格纳克干涉型分布式光纤传感器 50
2.3.4 萨格纳克干涉型光纤传感器用光电子器件的技术特点 51
2.4 法布里-珀**涉型光纤传感器及其典型应用 53
2.4.1 法布里-珀**涉型光纤温度传感器 54
2.4.2 法布里-珀**涉型光纤应变传感器 54
2.4.3 法布里-珀**涉型光纤压力传感器 55
2.4.4 法布里-珀**涉型光纤传感器用光电子器件的技术特点 56
2.5 白光干涉型光纤传感器及其典型应用 57
2.5.1 基于扫描干涉仪的白光干涉型光纤传感器 57
2.5.2 光谱域白光干涉型光纤传感器 59
2.5.3 白光干涉型光纤传感器用光电子器件的技术特点 61
参考文献 61
第3章 光纤及其在干涉型光纤传感中的应用技术 63
3.1 光纤的结构与分类 63
3.1.1 单模光纤 64
3.1.2 保偏光纤 66
3.2 光纤性能参数及测试方法 71
3.2.1 光学特性参数 71
3.2.2 几何特性参数 82
3.2.3 机械特性参数 83
3.3 光纤制备工艺 89
3.3.1 单模光纤制备工艺 89
3.3.2 保偏光纤制备工艺 89
3.3.3 抗辐照保偏光纤制备工艺 91
3.4 光纤的特性及干涉型光纤传感应用要求 92
3.4.1 干涉型光纤传感用光纤的分类及应用要求 92
3.4.2 三种应力型保偏光纤的特点 93
3.4.3 光纤的应用环境适应性 94
3.5 光纤在干涉型光纤传感中应用的主要物理效应 100
3.5.1 光纤中的光波偏振交叉耦合 100
3.5.2 光纤的非线性效应 101
3.5.3 光纤的法拉第效应 102
3.5.4 光纤的弹光效应 103
3.5.5 光纤的热光效应 104
3.6 光纤环技术 104
3.6.1 光纤陀螺仪光纤敏感环 104
3.6.2 光纤电流互感器光纤敏感环 114
3.6.3 光纤水听器光纤敏感环 114
3.6.4 光纤延时环 116
3.7 光子晶体光纤 116
3.7.1 光子晶体光纤的概念和工作原理 117
3.7.2 光子晶体光纤的主要特性 118
3.7.3 光子晶体保偏光纤的设计、制备及特点 119
3.7.4 光子晶体光纤在光纤传感中的应用 120
参考文献 122
第4章 光纤耦合器 124
4.1 光纤耦合器工作原理 124
4.2 光纤耦合器主要性能参数及测试方法 126
4.3 2×2光纤耦合器性能参数设计与制备工艺 129
4.3.1 光纤耦合器主要光学性能参数设计 129
4.3.2 光纤耦合器制备工艺 133
4.4 干涉型光纤传感用光纤耦合器的特性及应用要求 139
4.4.1 单模光纤耦合器的主要特性 139
4.4.2 保偏光纤耦合器的主要特性 144
4.4.3 光纤耦合器的应用要求 145
4.5 其他类型耦合器 149
4.5.1 3×3（1×3）光纤耦合器 149
4.5.2 光纤波分复用器 151
4.5.3 微光元件型耦合器 152
4.5.4 集成光波导型耦合器 152
参考文献 153
第5章 光纤偏振器件 154
5.1 光纤偏振器 154
5.1.1 光纤偏振器工作原理 154
5.1.2 光纤偏振器分类 158
5.1.3 光纤偏振器性能参数及测试方法 159
5.1.4 光纤偏振器在干涉型光纤传感中的应用要求 161
5.2 光纤消偏器 162
5.2.1 光纤消偏器工作原理 162
5.2.2 光纤消偏器在干涉型光纤传感中的应用要求 165
5.3 光纤隔离器 167
5.3.1 光纤隔离器工作原理与结构 167
5.3.2 光纤隔离器性能参数及测试方法 169
5.3.3 光纤隔离器在干涉型光纤传感中的应用要求 169
5.4 光纤环行器 170
5.4.1 光纤环行器工作原理 170
5.4.2 光纤环行器性能参数及测试方法 171
5.4.3 光纤环行器在干涉型光纤传感中的应用要求 172
参考文献 172
第6章 相位调制器 174
6.1 相位调制原理 174
6.1.1 电光相位调制 174
6.1.2 弹光相位调制 179
6.1.3 声光相位调制 182
6.2 Ti扩散LiNbO3相位调制器 184
6.2.1 主要性能参数及设计 184
6.2.2 Ti扩散LiNbO3电光相位调制器制备工艺 190
6.2.3 干涉型光纤传感用Ti扩散LiNbO3相位调制器的特性及应用要求 195
6.3 质子交换LiNbO3相位调制器 205
6.3.1 Y型质子交换LiNbO3相位调制器设计 206
6.3.2 质子交换LiNbO3相位调制器制备工艺 208
6.3.3 干涉型光纤传感用质子交换LiNbO3相位调制器的特性及应用要求 210
6.4 压电陶瓷相位调制器 216
6.4.1 压电陶瓷相位调制器原理 216
6.4.2 压电陶瓷相位调制器设计 216
6.4.3 干涉型光纤传感用PZT相位调制器的特性及应用要求 218
参考文献 221
第7章 其他光无源器件 224
7.1 光纤自聚焦透镜 224
7.1.1 光纤自聚焦透镜的工作原理与光学特性 224
7.1.2 光纤自聚焦透镜的主要性能参数 226
7.1.3 光纤自聚焦透镜在干涉型光纤传感中的应用要求 227
7.2 光纤准直器 227
7.2.1 光纤准直器的分类 228
7.2.2 光纤准直器的结构与设计 228
7.2.3 光纤准直器在干涉型光纤传感中的应用要求 230
7.3 光纤滤波器 231
7.3.1 M-Z光纤滤波器 231
7.3.2 F-P光纤滤波器 233
7.3.3 光纤光栅滤波器 236
7.3.4 光纤滤波器在干涉型光纤传感中的应用要求 237
7.4 光纤反射镜 237
7.4.1 光纤环路反射镜 237
7.4.2 介质膜光纤反射镜 238
7.4.3 金属膜光纤反射镜 242
7.4.4 光纤法拉第旋转反射镜 242
7.4.5 光纤反射镜在干涉型光纤传感中的应用要求 242
7.5 光纤光栅 243
7.5.1 布拉格光纤光栅 244
7.5.2 光纤光栅的制备 245
7.5.3 光纤光栅的主要性能参数 245
7.5.4 光纤光栅在干涉型光纤传感中的应用要求 247
参考文献 248
第8章 半导体光源器件 249
8.1 半导体激光器工作原理 249
8.1.1 光的自发辐射、受激辐射与受激吸收 249
8.1.2 阈值条件 251
8.2 半导体光源的分类与结构 253
8.2.1 激光二极管 254
8.2.2 发光二极管 255
8.2.3 超辐射发光二极管 256
8.3 半导体光源设计与工艺 257
8.3.1 半导体光源的材料 257
8.3.2 半导体光源主要性能参数设计 258
8.3.3 半导体光源组件的结构及封装 261
8.3.4 半导体光源组件工艺 262
8.4 干涉型光纤传感用半导体光源的特性及应用要求 264
8.4.1 半导体光源的主要特性 264
8.4.2 半导体光源的应用要求 274
参考文献 283
第9章 掺铒光纤有源器件 284
9.1 掺铒光纤有源器件工作原理 284
9.1.1 掺铒光纤的工作原理及特性 284
9.1.2 超荧光掺铒光纤光源的工作原理 286
9.1.3 掺铒光纤激光器的工作原理 288
9.2 掺铒光纤有源器件用光电子器件 290
9.3 超荧光掺铒光纤光源 293
9.3.1 超荧光掺铒光纤光源的结构 293
9.3.2 超荧光掺铒光纤光源的主要性能参数 295
9.3.3 超荧光掺铒光纤光源设计 296
9.3.4 干涉型光纤传感用超荧光掺铒光纤光源的特性及应用要求 308
9.4 掺铒光纤激光器 310
9.4.1 掺铒光纤激光器的特点及分类 310
9.4.2 掺铒光纤激光器主要性能参数 315
9.4.3 DBR掺铒光纤激光器设计 315
9.4.4 干涉型光纤传感用掺铒光纤激光器的特性及应用要求 316
参考文献 318
第10章 光电探测器 320
10.1 光电探测器工作原理 320
10.1.1 光电转换原理 320
10.1.2 PN结光电二极管 321
10.2 PIN光电探测器组件 323
10.2.1 PIN光电二极管及光电探测器组件 323
10.2.2 PIN光电探测器组件主要性能参数及测试 325
10.2.3 PIN光电探测器组件设计与工艺 328
10.2.4 干涉型光纤传感用PIN光电探测器组件的特性及应用要求 334
10.3 雪崩光电二极管 339
10.3.1 APD的工作原理 339
10.3.2 APD的结构 339
10.3.3 干涉型光纤传感用APD光电探测器的特性及应用要求 340
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