《光纖傳感原理與技術》根據現代光纖傳感技術發展的需求，系統地論述了光纖傳感的基礎理論、基本原理、主要技術及應用現狀與發展趨勢。全書由8章組成，內容涵蓋了光纖傳感技術的起源與發展、光纖光學基礎理論及光纖與光纜知識、光纖傳感原理與系統組成器件及光耦合、五類光纖傳感調制技術原理及應用與發展、光纖光柵傳感原理與解調及復用技術、常見分布式光纖傳感原理與技術、其他特殊類型光纖傳感新技術、單參量及雙參量光纖傳感教學實驗舉例等。本書注重系統性、可讀性、先進性與實用性，同時注重理論、原理、技術、應用相結合。
本書主要作為光電信息科學與工程等光電類相關專業本科生教材，同時適合光學工程等相關專業研究生學習使用，也可供相關工程技術人員與科研人員參考閱讀。
1《光纖傳感原理與技術》將光纖光學基礎、光纖傳感原理與技術、光纖傳感相關新技術與應用發展相結合，注重理論、原理、技術、應用相結合。
2《光纖傳感原理與技術》配套相關實驗，力圖使學生形成一套完整的光纖傳感技術知識體系，既能跟隨當今研究發展與應用現狀，又能了解其發展趨勢。
自1970年世界上第一根可實用的石英光纖被研制成功后,光纖通信和光纖傳感相繼發展起來。因為光纖傳感器具有體積小、重量輕、抗電磁干擾、耐腐蝕、無電火花、可遠程監控、可分布式測量、便于組網及融合進物聯網等特殊優點,在諸多領域,尤其是極端環境下,能完成傳統傳感器不可能完成的測量任務,光纖傳感技術受到了國內外學者的廣泛關注,得到了廣泛的研究和應用。光纖傳感技術基于外界物理量引起的光纖中傳輸的光波特性參數(如強度、波長、相位、偏振態、頻率等)的變化,通過一定的解調技術,對外界物理量進行測量和監控。目前,世界上已有對各種理、化、生參量進行測量的光纖傳感器逾百種,且伴隨各種新技術、新機理、新器件的不斷被提出和發展,現有光纖傳感器的性能會不斷提升,各種新的傳感應用會不斷出現,更多的新型光纖傳感器及技術會不斷問世。隨著各種智能結構與建筑、智慧高科技型城市等的建設需求日益旺盛,以及各國政府的大力支持和政策引導,光纖傳感技術的未來應用前景良好、生命力旺盛、社會效益和經濟潛力巨大。
目前,我國的光纖傳感技術發展位于國際前列,國家多次在“五年規劃”中將其作為重點,光纖傳感技術的發展符合國家發展戰略需求。諸多高校已將光纖傳感技術課程作為光電信息科學與技術專業及其他光電類相關專業的主干課程。本書旨在將光纖光學基礎、光纖傳感原理與技術基礎、全新技術與應用發展等內容教授給學生,同時配合以相關教學實驗,使學生形成一套完整的光纖傳感技術知識體系,既掌握成熟的光纖傳感基本理論,又能跟隨當今研究發展與應用現狀,并了解其發展趨勢。
全書由馮亭主要負責并統稿,本書的第1、3～7章由馮亭編寫,第2章由馮亭與王穎共同編寫,第8章由馮亭、吳勝保、李旭共同編寫。此外,王穎對書稿出版規劃提出了建設性建議,吳勝保和李旭在文字校對與語言修飾方面做了較多工作。河北大學光信息技術創新中心主任姚曉天教授對于本書的出版給予了很多支持和幫助,激光與傳感研究組的張澤恒、姜美麗、韋達、周俊楠、畢文文、孫威威、苗甜甜等碩士研究生負責了書中部分圖的繪制工作,在此表示感謝。同時,本書的出版得到了河北省一流本科專業建設項目(河北大學光電信息科學與工程專業)、國家自然科學基金項目(61705057、61975049)的支持,筆者表示最誠摯的感謝。
本書是筆者在河北大學多年光纖傳感教學與科學工作經驗基礎上,同時參考國內外大量的相關書籍、論文等資料后編著而成的。由于本書編寫時間倉促,書中難免存在疏漏,誠懇讀者與同行學者批評指正,以便于本書今后的修改和完善,不勝感激。
筆者聯系方式:wlxyft@hbu.edu.cn;wlxyft@163.com
馮亭
2020年12月
馮亭，河北大學物理科學與技術學院，副教授，博士畢業于北京交通大學全光網絡與現代通信網教育部重點實驗室（光波技術研究所），美國佐治亞理工學院（Georgia Institute of Technology）光學實驗室聯合培養博士。主要從事光纖激光器、光纖傳感器及其應用技術的研究工作。近年來，已主持國家自然科學基金面上項目及青年基金項目、河北省自然科學基金項目、人社部留學回國人員擇優資助項目、河北省教育廳項目等6項，主要參與包括國家自然科學基金科研儀器研制項目、面上項目多項，已獲授權國家專利30余項，在國內外重要期刊及學術會議上發表科技論文70余篇，是國際著 名學術期刊 Optics Letters, Optics Express, Journal of Lightwave Technology, Applied Optics, Journal of Optics, Optical Fiber Technology, Optics & Laser Technology, Optics Communications, IEEE Photonics Journal, IEEE Access等刊物的審稿人、美國光學學會（OSA）會員、河北省光學學會會員、國家自然科學基金通訊評審專家，獲河北大學優 秀指導教師獎、課堂教學大賽三等獎等。
第1章緒論
1.1 光纖光學發展的四個階段 1
1.1.1 早期階段 2
1.1.2 起步與上升階段 2
1.1.3 全面興起與發展階段 3
1.1.4 飛速發展階段 3
1.2 光纖傳感技術的發展 4
1.2.1 光纖傳感器的起源 4
1.2.2 光纖傳感器的優點 4
1.2.3 光纖傳感器的應用 5
1.2.4 中國光纖傳感技術研究現狀 6
習題與思考 7
參考文獻 7
第2章光纖光學基礎
2.1 光纖導波原理 8
2.2 光纖簡介 9
2.2.1 光纖的基本結構與分類 9
2.2.2 光纖的傳輸特性 11
2.2.3 光纖的物理特性 18
2.3 光纖的光線理論 19
2.3.1 子午光線的傳輸 19
2.3.2 斜光線的傳輸 21
2.3.3 光纖的彎曲 23
2.3.4 子午光線的色散 26
2.3.5 漸變折射率光纖的光線理論 27
2.4 光纖的波導理論 32
2.4.1 電磁場理論回顧 32
2.4.2 介質中的波動方程 33
2.4.3 貝塞爾方程與本征值方程 34
2.4.4 階躍折射率光纖的模式分析 37
2.4.5 弱導光纖與線偏振模 41
2.5 光纖與光纜 45
2.5.1 光纖制作技術 46
2.5.2 特種光纖 51
2.5.3 光纜技術 55
習題與思考 57
參考文獻 58
第3章光纖傳感原理與系統組成
3.1 光纖傳感器概述 59
3.1.1 光纖傳感器的定義 59
3.1.2 光纖傳感器的基本組成與原理 60
3.1.3 光纖傳感器的分類 61
3.2 光纖傳感系統的核心器件 61
3.2.1 光源 61
3.2.2 光敏感器件 70
3.2.3 光探測器 72
3.3 光纖傳感系統其他器件 77
3.3.1 光纖連接器 77
3.3.2 光纖衰減器 78
3.3.3 光纖耦合器 78
3.3.4 波分復用/解復用器 81
3.3.5 光纖起偏器 81
3.3.6 光纖偏振控制器 82
3.3.7 光纖隔離器 82
3.3.8 光纖環行器 83
3.3.9 光纖濾波器 84
3.3.10 光開關 84
3.4 光纖傳感器中的耦合 85
3.4.1 光源與光纖的耦合 85
3.4.2 光纖與光纖的耦合 88
3.4.3 光纖與光探測器的耦合 89
習題與思考 89
參考文獻 89
第4章光纖傳感調制技術及類型
4.1 強度調制型光纖傳感器 91
4.1.1 光強度的外調制技術 92
4.1.2 光強度的內調制技術 95
4.1.3 光強度調制的補償技術 98
4.1.4 強度調制型光纖傳感器的應用與發展 101
4.2 波長調制型光纖傳感器 103
4.2.1 波長調制光纖傳感原理 103
4.2.2 波長調制方法類型 104
4.2.3 波長檢測方法 108
4.2.4 波長調制型光纖傳感器的發展 110
4.3 相位調制型光纖傳感器 111
4.3.1 相位調制光纖傳感原理 111
4.3.2 常見光纖干涉儀的類型 113
4.3.3 相位調制傳感信號解調方法 119
4.3.4 相位調制型光纖傳感器的應用 123
4.3.5 相位調制型光纖傳感器的發展 130
4.4 偏振態調制型光纖傳感器 131
4.4.1 偏振態調制光纖傳感原理 131
4.4.2 偏振態調制主要技術 132
4.4.3 偏振態調制型光纖傳感器的應用 137
4.4.4 偏振態調制型光纖傳感器的發展 140
4.5 頻率調制型光纖傳感器 140
4.5.1 頻率調制光纖傳感原理 140
4.5.2 頻率檢測方法及多普勒測速原理 141
4.5.3 光纖多普勒技術及傳感測量應用 143
4.5.4 頻率調制型光纖傳感器的發展 143
習題與思考 144
參考文獻 145
第5章光纖光柵傳感器
5.1 光纖光柵傳感器概述 148
5.1.1 光纖光柵理論及其制作技術 148
5.1.2 光纖光柵傳感原理 156
5.2 光纖光柵傳感模型 156
5.2.1 應力應變傳感 156
5.2.2 溫度傳感 157
5.2.3 動態磁場傳感 158
5.3 光纖光柵傳感信號的解調 159
5.3.1 匹配光柵解調法 159
5.3.2 可調諧濾波器解調法 160
5.3.3 掃描激光器解調法 161
5.3.4 邊沿濾波器解調法 161
5.3.5 陣列探測器解調法 162
5.3.6 干涉解調法 163
5.4 光纖光柵傳感網絡技術 164
5.4.1 光纖光柵傳感網絡 165
5.4.2 光纖光柵傳感網絡的復用技術 165
5.5 其他類型光纖光柵傳感器 168
5.5.1 長周期光纖光柵傳感器 169
5.5.2 傾斜光纖光柵傳感器 170
5.6 光纖光柵傳感器的應用與發展 172
習題與思考 173
參考文獻 173
第6章分布式光纖傳感器
6.1 光纖中的光散射 175
6.2 時域分布式光纖傳感器 177
6.2.1 OTDR技術 177
6.2.2 基于背向瑞利散射OTDR的分布式光纖傳感 178
6.2.3 基于布里淵散射OTDR的分布式光纖傳感 179
6.2.4 基于拉曼散射OTDR的分布式光纖傳感 181
6.2.5 新型時域分布式光纖傳感器 182
6.3 頻域分布式光纖傳感器 184
6.3.1 OFDR技術 184
6.3.2 基于OFDR的分布式光纖傳感 185
6.3.3 基于偏振分析OFDR的分布式光纖傳感 187
6.4 其他類型分布式光纖傳感技術 188
6.4.1 分布式偏振串擾分析技術 188
6.4.2 基于光纖干涉儀的分布式傳感技術 191
6.5 分布式光纖傳感器的應用與發展 193
習題與思考 193
參考文獻 193
第7章特殊類型光纖傳感技術
7.1 納米光纖及其傳感應用 195
7.1.1 納米光纖的制作 196
7.1.2 納米光纖的特性 196
7.1.3 納米光纖的傳感應用 197
7.2 光子晶體光纖及其傳感應用 197
7.2.1 光子晶體光纖 197
7.2.2 光子晶體光纖的傳感應用 199
7.3 聚合物光纖及其傳感應用 201
7.3.1 聚合物光纖的材料及類別 201
7.3.2 聚合物光纖的傳感應用 204
習題與思考 207
參考文獻 208
第8章光纖傳感教學實驗
8.1 光纖光柵應變傳感實驗 209
8.2 光纖光柵溫度傳感實驗 213
8.3 分布式光纖傳感原理實驗 214
8.4 納米光纖環形諧振器折射率傳感實驗 216
8.5 液體折射率與溫度雙參量光纖傳感實驗 220
參考文獻 226
附錄
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