图书基本信息
书名:干涉型光纤传感用光电子器件技术
ISBN:9787030362025
著者:王巍,丁东发,夏君磊
出版社:科学出版社
POD版定价:168元
正文语言:中文
装帧:平装
开本:16
页数:404
字数:600000
目录
序
前言
第1章 绪论
1.1 光纤传感技术发展历程
1.1.1 干涉型光纤传感器的发展
1.1.2 光纤光栅传感器的发展
1.1.3 分布式光纤传感器的发展
1.1.4 其他类型光纤传感器
1.2 光纤传感器的分类
1.3 光纤传感技术中涉及的典型物理效应
1.4 光纤干涉仪原理及特点
1.4.1 迈克耳孙干涉仪
1.4.2 马赫-曾德尔干涉仪
1.4.3 萨格纳克干涉仪
1.4.4 法布里-珀罗干涉仪
1.5 干涉型光纤传感器相位解调方法
1.5.1 零差相位解调法
1.5.2 外差解调法
1.6 干涉型光纤传感用光电子器件
1.6.1 干涉型光纤传感用光电子器件分类及特点
1.6.2 光纤传感系统设计与光电子器件的关系
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
参考文献
第2章 干涉型光纤传感器及其光电子器件的技术特点
2.1 迈克耳孙干涉型光纤传感器及其典型应用
2.1.1 迈克耳孙干涉型光纤水听器
2.1.2 迈克耳孙干涉型光纤加速度传感器
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
2.2 马赫-曾德尔干涉型光纤传感器及其典型应用
2.2.1 马赫-曾德尔干涉型光纤水听器
2.2.2 马赫-曾德尔干涉型光纤扰动传感器
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
2.3 萨格纳克干涉型光纤传感器及其典型应用
2.3.1 干涉型光纤陀螺仪
2.3.2 光纤电流互感器
2.3.3 萨格纳克干涉型分布式光纤传感器
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
2.4 法布里-珀罗干涉型光纤传感器及其典型应用
2.4.1 法布里-珀罗干涉型光纤温度传感器
2.4.2 法布里-珀罗干涉型光纤应变传感器
2.4.3 法布里-珀罗干涉型光纤压力传感器
2.4.4 法布里-珀罗干涉型光纤传感器用光电子器件的技术特点
2.5 白光干涉型光纤传感器及其典型应用
2.5.1 基于扫描干涉仪的白光干涉型光纤传感器
2.5.2 光谱域白光干涉型光纤传感器
2.5.3 白光干涉型光纤传感器用光电子器件的技术特点
参考文献
第3章 光纤及其在干涉型光纤传感中的应用技术
3.1 光纤的结构与分类
3.1.1 单模光纤
3.1.2 保偏光纤
3.2 光纤性能参数及测试方法
3.2.1 光学特性参数
3.2.2 几何特性参数
3.2.3 机械特性参数
3.3 光纤制备工艺
3.3.1 单模光纤制备工艺
3.3.2 保偏光纤制备工艺
3.3.3 抗辐照保偏光纤制备工艺
3.4 光纤的特性及干涉型光纤传感应用要求
3.4.1 干涉型光纤传感用光纤的分类及应用要求
3.4.2 三种应力型保偏光纤的特点
3.4.3 光纤的应用环境适应性
3.5 光纤在干涉型光纤传感中应用的主要物理效应
3.5.1 光纤中的光波偏振交叉耦合
3.5.2 光纤的非线性效应
3.5.3 光纤的法拉第效应
3.5.4 光纤的弹光效应
3.5.5 光纤的热光效应
3.6 光纤环技术
3.6.1 光纤陀螺仪光纤敏感环
3.6.2 光纤电流互感器光纤敏感环
3.6.3 光纤水听器光纤敏感环
3.6.4 光纤延时环
3.7 光子晶体光纤
3.7.1 光子晶体光纤的概念和工作原理
3.7.2 光子晶体光纤的主要特性
3.7.3 光子晶体保偏光纤的设计、制备及特点
3.7.4 光子晶体光纤在光纤传感中的应用
参考文献
第4章 光纤耦合器
4.1 光纤耦合器工作原理
4.2 光纤耦合器主要性能参数及测试方法
4.3 2×2光纤耦合器性能参数设计与制备工艺
4.3.1 光纤耦合器主要光学性能参数设计
4.3.2 光纤耦合器制备工艺
4.4 干涉型光纤传感用光纤耦合器的特性及应用要求
4.4.1 单模光纤耦合器的主要特性
4.4.2 保偏光纤耦合器的主要特性
4.4.3 光纤耦合器的应用要求
4.5 其他类型耦合器
4.5.1 3×3(1×3)光纤耦合器
4.5.2 光纤波分复用器
4.5.3 微光元件型耦合器
4.5.4 集成光波导型耦合器
参考文献
第5章 光纤偏振器件
5.1 光纤偏振器
5.1.1 光纤偏振器工作原理
5.1.2 光纤偏振器分类
5.1.3 光纤偏振器性能参数及测试方法
5.1.4 光纤偏振器在干涉型光纤传感中的应用要求
5.2 光纤消偏器
5.2.1 光纤消偏器工作原理
5.2.2 光纤消偏器在干涉型光纤传感中的应用要求
5.3 光纤隔离器
5.3.1 光纤隔离器工作原理与结构
5.3.2 光纤隔离器性能参数及测试方法
5.3.3 光纤隔离器在干涉型光纤传感中的应用要求
5.4 光纤环行器
5.4.1 光纤环行器工作原理
5.4.2 光纤环行器性能参数及测试方法
5.4.3 光纤环行器在干涉型光纤传感中的应用要求
参考文献
第6章 相位调制器
6.1 相位调制原理
6.1.1 电光相位调制
6.1.2 弹光相位调制
6.1.3 声光相位调制
6.2 Ti扩散LiNbO
3相位调制器
6.2.1 主要性能参数及设计
6.2.2 Ti扩散LiNbO
3电光相位调制器制备工艺
6.2.3 干涉型光纤传感用Ti扩散LiNbO
3相位调制器的特性及应用要求
6.3 质子交换LiNbO
3相位调制器
6.3.1 Y型质子交换LiNbO
3相位调制器设计
6.3.2 质子交换LiNbO
3相位调制器制备工艺
6.3.3 干涉型光纤传感用质子交换LiNbO
3相位调制器的特性及应用要求
6.4 压电陶瓷相位调制器
6.4.1 压电陶瓷相位调制器原理
6.4.2 压电陶瓷相位调制器设计
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
参考文献
第7章 其他光无源器件
7.1 光纤自聚焦透镜
7.1.1 光纤自聚焦透镜的工作原理与光学特性
7.1.2 光纤自聚焦透镜的主要性能参数
7.1.3 光纤自聚焦透镜在干涉型光纤传感中的应用要求
7.2 光纤准直器
7.2.1 光纤准直器的分类
7.2.2 光纤准直器的结构与设计
7.2.3 光纤准直器在干涉型光纤传感中的应用要求
7.3 光纤滤波器
7.3.1 M-Z光纤滤波器
7.3.2 F-P光纤滤波器
7.3.3 光纤光栅滤波器
7.3.4 光纤滤波器在干涉型光纤传感中的应用要求
7.4 光纤反射镜
7.4.1 光纤环路反射镜
7.4.2 介质膜光纤反射镜
7.4.3 金属膜光纤反射镜
7.4.4 光纤法拉第旋转反射镜
7.4.5 光纤反射镜在干涉型光纤传感中的应用要求
7.5 光纤光栅
7.5.1 布拉格光纤光栅
7.5.2 光纤光栅的制备
7.5.3 光纤光栅的主要性能参数
7.5.4 光纤光栅在干涉型光纤传感中的应用要求
参考文献
第8章 半导体光源器件
8.1 半导体激光器工作原理
8.1.1 光的自发辐射、受激辐射与受激吸收
8.1.2 阈值条件
8.2 半导体光源的分类与结构
8.2.1 激光二极管
8.2.2 发光二极管
8.2.3 超辐射发光二极管
8.3 半导体光源设计与工艺
8.3.1 半导体光源的材料
8.3.2 半导体光源主要性能参数设计
8.3.3 半导体光源组件的结构及封装
8.3.4 半导体光源组件工艺
8.4 干涉型光纤传感用半导体光源的特性及应用要求
8.4.1 半导体光源的主要特性
8.4.2 半导体光源的应用要求
参考文献
第9章 掺铒光纤有源器件
9.1 掺铒光纤有源器件工作原理
9.1.1 掺铒光纤的工作原理及特性
9.1.2 超荧光掺铒光纤光源的工作原理
9.1.3 掺铒光纤激光器的工作原理
9.2 掺铒光纤有源器件用光电子器件
9.3 超荧光掺铒光纤光源
9.3.1 超荧光掺铒光纤光源的结构
9.3.2 超荧光掺铒光纤光源的主要性能参数
9.3.3 超荧光掺铒光纤光源设计
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
9.4 掺铒光纤激光器
9.4.1 掺铒光纤激光器的特点及分类
9.4.2 掺铒光纤激光器主要性能参数
9.4.3 DBR掺铒光纤激光器设计
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
参考文献
第10章 光电探测器
10.1 光电探测器工作原理
10.1.1 光电转换原理
10.1.2 PN结光电二极管
10.2 PIN光电探测器组件
10.2.1 PIN光电二极管及光电探测器组件
10.2.2 PIN光电探测器组件主要性能参数及测试
10.2.3 PIN光电探测器组件设计与工艺
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
10.3 雪崩光电二极管
10.3.1 APD的工作原理
10.3.2 APD的结构
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
参考文献
第11章 光电子器件可靠性技术
11.1 光电子器件应用环境条件
11.2 光电子器件主要失效模式及机理
11.2.1 光纤的主要失效模式及机理
11.2.2 光纤耦合器的主要失效模式及机理
11.2.3 集成光学相位调制器的主要失效模式及机理
11.2.4 半导体光源组件的主要失效模式及机理
11.2.5 光电探测器组件的主要失效模式及机理
11.3 光电子器件典型环境适应性试验
11.3.1 温度环境适应性试验
11.3.2 力学环境适应性试验
11.3.3 热真空环境适应性试验
11.3.4 辐照环境适应性试验
11.4 光电子器件可靠性筛选
11.4.1 光电子器件可靠性筛选条件
11.4.2 光电子器件可靠性筛选方法
11.4.3 光电子器件可靠性筛选项目
11.5 光电子器件可靠性试验
11.6 光电子器件寿命预计与评估方法
11.6.1 产品可靠性指标及光纤传感器MTBF预计
11.6.2 光电子器件寿命预计及试验设计
11.6.3 光电子器件加速寿命试验失效判据
11.6.4 光电子器件加速寿命试验方法
11.6.5 光电子器件MTTF的统计法
11.6.6 光纤寿命预计
参考文献
附录 缩略语
索引
光电传感新纪元:深入解析干涉型光纤传感核心技术与器件 本书并非《[按需印刷] 干涉型光纤传感用光电子器件技术》,而是另一本聚焦于光电传感领域,特别是干涉型光纤传感技术及其关键光电子器件应用的深度探索。我们将以一种前所未有的视角,拨开迷雾,深入解析这项改变我们感知世界方式的尖端技术,并详细阐述支撑其高效运转的光电子器件的设计、制造与应用。 引言:光电传感的时代浪潮与干涉型光纤传感的独特魅力 在现代科技飞速发展的今天,精准、可靠、实时的数据采集已经成为各行各业不可或缺的基石。从工业自动化到环境保护,从医疗诊断到国防安全,无不依赖于先进的传感技术。而光电传感,凭借其高灵敏度、抗电磁干扰、易于集成等优势,正日益成为传感器技术发展的主流方向。 在众多光电传感技术中,干涉型光纤传感以其独特的优势脱颖而出。它巧妙地利用光的干涉原理,将环境中微小的物理量变化(如温度、压力、应变、折射率等)转化为光信号的相位、强度或频率变化,从而实现高精度、远程、分布式传感。这种技术具有极高的灵敏度,能够检测到极其细微的环境变化,并且由于信息传输介质是光纤,其抗电磁干扰能力超群,为在复杂恶劣环境下进行可靠测量提供了可能。 本书将带您走进光电传感的全新领域,重点关注干涉型光纤传感的理论基础、关键技术以及支撑这些技术实现的核心光电子器件。我们旨在为读者提供一个全面、深入、系统性的知识框架,帮助您理解这项技术的精髓,洞察其发展趋势,并为相关的研发和应用提供坚实的基础。 第一章:干涉型光纤传感的基本原理与发展历程 本章将从最基础的光学原理出发,阐述干涉型光纤传感的工作机制。我们将详细介绍光的干涉现象,并将其与光纤传感的结合。 光的干涉原理回顾:本节将简要回顾光的波粒二象性、相干性以及杨氏双缝干涉等经典实验,为理解光纤干涉打下基础。 光纤中的干涉:我们将重点介绍光纤中干涉的主要形式,包括马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)、迈克尔逊(Michelson)以及法布里-珀罗(Fabry-Perot)等干涉结构在光纤中的实现方式。 干涉型光纤传感的分类与特点:本节将根据不同的干涉结构和传感原理,对干涉型光纤传感器进行分类,并分析其各自的优势、劣势及适用范围。例如,我们将探讨基于相位调制、强度调制和频率调制的传感机制。 干涉型光纤传感器的发展简史:回顾从早期理论提出到现代高精度传感系统发展的关键节点,了解技术进步的驱动因素和重要里程碑。 第二章:核心光电子器件:光源的选取与优化 作为干涉型光纤传感系统的“心脏”,光源的性能直接影响着传感系统的灵敏度、分辨率和稳定性。本章将深入探讨适合此类应用的光源及其关键参数。 激光器在光纤传感中的作用:阐述为何激光器是干涉型光纤传感的首选光源,包括其高相干性、高单色性、高亮度以及良好的方向性。 常用激光器类型及其特性: 窄线宽激光器:重点介绍分布式布拉格反射(DBR)激光器、分布反馈(DFB)激光器、光纤激光器等,分析其线宽、稳定性、输出功率等参数对传感精度的影响。 宽带光源:在某些特定应用中,宽带光源(如超辐射发光二极管(SLED)、掺铒光纤放大器(EDFA)输出等)也可能发挥作用,我们将分析其适用场景和技术挑战。 光源参数优化与匹配:如何根据具体的传感应用需求(如测量范围、精度要求、环境条件等)选择最合适的光源,并进行必要的参数调优,例如波长稳定性、功率稳定性、偏振特性等。 新兴光源技术展望:简要介绍量子点激光器、微环谐振腔激光器等前沿光源技术在光纤传感领域的潜在应用。 第三章:光电器件:光调制器与耦合器的精密设计 光信号的产生、耦合、调制和解调是干涉型光纤传感系统中的关键环节。本章将聚焦于实现这些功能的关键光电子器件。 光纤耦合器: 类型与原理:详细介绍熔融拉锥(Fused Fiber Couplers)和定向耦合器(Directional Couplers)等类型,阐述其光能分配原理。 关键参数与选择:分析分光比、插入损耗、回波损耗、偏振相关损耗等参数,以及如何根据干涉结构选择合适的耦合器。 精密制造与封装:探讨提高耦合器性能的制造工艺和封装技术。 光调制器: 功能与分类:介绍光调制器在干涉型光纤传感中的作用,如引入相位调制、信号编码等。 电光调制器(EOM):重点介绍基于铌酸锂(LiNbO3)等材料的电光调制器,分析其驱动电压、调制带宽、插入损耗等关键指标。 声光调制器(AOM):探讨其在频率调制或多路复用中的应用。 微机电系统(MEMS)光调制器:介绍其在小型化、低功耗设计中的优势。 调制方案与信号处理:结合具体传感应用,讨论不同的调制方案(如三角波调制、方波调制、线性扫频等)及其对信号解调的影响。 第四章:光电器件:光探测器的灵敏度与响应速度 探测器是接收并转换光信号为电信号的关键组件,其性能直接决定了传感系统的信噪比和响应速度。 光电探测器的基本原理:介绍光电导效应、光伏效应等,以及p-i-n光电二极管和雪崩光电二极管(APD)的工作原理。 常用光电探测器及其特性: 半导体光电二极管:重点介绍硅(Si)、砷化镓(GaAs)、铟镓砷(InGaAs)等材料的光电二极管,分析其响应范围、量子效率、暗电流、噪声等参数。 雪崩光电二极管(APD):阐述其内部增益机制,分析其响应速度、噪声当量(NEP)、探测度(D)等关键性能指标。 热探测器:简要介绍其在特定应用中的作用。 探测器性能优化与选择:根据光源特性、信号强度、环境噪声等因素,选择最合适的探测器,并讨论如何降低探测器噪声,提高信噪比。 探测器阵列与并行探测:在分布式传感或多通道传感系统中,介绍探测器阵列的应用及其优势。 第五章:干涉型光纤传感器的系统设计与集成 本章将从系统整体的角度,探讨干涉型光纤传感器的设计理念、关键要素以及集成挑战。 系统架构设计: 光源、传感头、解调器一体化设计:分析不同干涉结构(如Sagnac、Fabry-Perot、Mach-Zehnder等)的典型系统架构。 分布式传感系统架构:介绍基于瑞利散射、布里渊散射、拉曼散射的分布式传感系统,以及如何利用干涉原理实现高精度定位和测量。 传感头的设计与优化: 不同传感机制的传感头实现:如基于表面等离子体共振(SPR)的折射率传感器、基于光纤光栅(FBG)的应变/温度传感器(尽管FBG不直接属于干涉型,但其解调常与干涉技术结合),以及其他基于特殊光纤结构的传感头。 封装技术与环境适应性:讨论如何保护传感头免受外部环境影响,并保证其长期稳定性。 信号解调技术: 基于干涉条纹移位的解调:介绍如何通过分析干涉条纹的位置变化来测量物理量。 基于光强变化的解调:在某些情况下,通过分析干涉光强的变化来推算物理量。 数字信号处理(DSP)与算法:讨论先进的信号处理算法,如傅里叶变换(FT)、相位追踪(PT)、小波分析(WA)等,在提高解调精度和鲁棒性方面的作用。 系统集成与校准: 光路设计与优化:如何最小化系统损耗,提高信号质量。 热稳定性与机械振动抑制:探讨如何解决光纤系统中的热漂移和机械振动问题。 系统校准与标定:建立传感系统与被测物理量之间的精确关系。 第六章:干涉型光纤传感器的关键应用领域与发展前瞻 本章将聚焦于干涉型光纤传感器的实际应用,并展望其未来的发展趋势。 工业领域: 结构健康监测(SHM):在桥梁、隧道、建筑物等大型结构中,用于监测应变、位移、振动等,及时发现潜在危险。 石油与天然气行业:井下温度、压力、液位监测,以及管道泄漏检测。 电力行业:高压输电线路的温度、振动监测,变压器的温度监测。 航空航天领域: 飞机机翼、机身结构监测:用于实时监测结构的受力状态,提高飞行安全性。 发动机状态监测:监测关键部件的温度、振动等参数。 医疗领域: 内窥镜成像:利用光纤干涉原理实现高分辨率的内窥镜成像。 生物传感器:用于检测微量生物分子,实现疾病诊断。 微创手术器械:提供精确的位置和力反馈。 环境监测领域: 大气、水体、土壤污染物监测:实现高灵敏度的气体、液体、重金属离子等检测。 地质灾害预警:监测地壳微小形变,预测地震、滑坡等。 国防与安全领域: 边境巡逻与反恐:用于人员、车辆的入侵检测。 水下探测与声学传感:高灵敏度的水声传感器。 未来发展趋势: 小型化与集成化:向着微型化、芯片化方向发展,集成更多功能。 智能化与网络化:结合人工智能(AI)和物联网(IoT)技术,实现更智能的传感网络。 多功能与多参数集成:开发能够同时测量多种物理量的新型传感器。 新材料与新工艺的应用:探索新型光纤材料、纳米材料等,提升传感器性能。 结语:拥抱光电传感新未来 干涉型光纤传感技术以其卓越的性能,正以前所未有的速度渗透到我们生活的方方面面,深刻地改变着我们认识和改造世界的方式。本书通过对核心光电子器件的深入剖析,以及对系统设计和应用领域的广泛探讨,旨在为所有对光电传感技术感兴趣的读者提供一份宝贵的研究和参考资料。我们相信,对这些基础理论和关键技术的深刻理解,将激发更多创新灵感,推动光电传感技术迈向一个更加辉煌的未来。