光纤传感器基本原理ppt课件

第五章第五章 光纤传感器基本原理光纤传感器基本原理5.1 引引 言言光光纤传感技术是伴随着光通信技术的发展而逐纤传感技术是伴随着光通信技术的发展而逐步形成的。步形成的。光光纤传感器与传统的各类传感器相比有一系列纤传感器与传统的各类传感器相比有一系列独特的优点，如独特的优点，如灵敏度高灵敏度高，抗电磁干扰、耐腐抗电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘性好，防爆，光路有可挠曲性，便蚀、电绝缘性好，防爆，光路有可挠曲性，便于与计算机联接，结构简单，体积小，重量轻，于与计算机联接，结构简单，体积小，重量轻，耗电少耗电少等。等。第五章 光纤传感器基本原理5.1 引 言1 光纤传感器按传感原理可分为光纤传感器按传感原理可分为功能型功能型和和非功能型非功能型。功能型光纤传感器是利用光纤本身的特功能型光纤传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件，所以也称性把光纤作为敏感元件，所以也称传感传感型光纤传感器型光纤传感器，或，或全光纤传感器全光纤传感器。非功能型光纤传感器是利用其它敏感元非功能型光纤传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为传输件感受被测量的变化，光纤仅作为传输介质，传输来自远处或难以接近场所的介质，传输来自远处或难以接近场所的光信号所以也称为光信号所以也称为传光型传感器传光型传感器或或混合型传感器混合型传感器。光纤传感器按传感原理可分为功能型和非功能型。2在光纤中传输的光波可用如下形式的方程描述：在光纤中传输的光波可用如下形式的方程描述：光纤传感器按被调制的光波参数不同可分为光纤传感器按被调制的光波参数不同可分为强度调制光纤传感器强度调制光纤传感器相位调制光纤传感器相位调制光纤传感器频率调制光纤传感器频率调制光纤传感器偏振调制光纤传感器偏振调制光纤传感器波长波长(颜色颜色)调制光纤传感器调制光纤传感器在光纤中传输的光波可用如下形式的方程描述：光纤传感器按被调35.2 强度调制机理强度调制机理 5.2 强度调制机理 4 5.2.1 反射式强度调制反射式强度调制 这是一种非功能型光纤传感器，光纤本身只起传光作用这是一种非功能型光纤传感器，光纤本身只起传光作用.5.2.1 反射式强度调制 这是一种非功能型光纤传感器，5输出光纤端面受光锥照输出光纤端面受光锥照射的表面所占的百分比射的表面所占的百分比为为输出光纤端面受光锥照射的表面所占的百分比为6被输出光纤接收的入射光功率百分数为被输出光纤接收的入射光功率百分数为(F被称为被称为耦合效率耦合效率)被输出光纤接收的入射光功率百分数为(F被称为耦合效率)7光纤传感器基本原理ppt课件8光纤传感器基本原理ppt课件95.2.2 5.2.2 透射式强度调制透射式强度调制动光纤式光强调制模型，用来测量位移、压力、温度等物理量。这动光纤式光强调制模型，用来测量位移、压力、温度等物理量。这些物理量的变化使接收光纤的轴线相对于发射光纤错开一段距离些物理量的变化使接收光纤的轴线相对于发射光纤错开一段距离,光强度调制器的线性度和灵敏度都很好。光强度调制器的线性度和灵敏度都很好。5.2.2 透射式强度调制动光纤式光强调制模型，用来测量位10采用双透镜系统使入射采用双透镜系统使入射光纤在出射光纤上聚焦，光纤在出射光纤上聚焦，遮光屏在垂直于两透镜遮光屏在垂直于两透镜之间的光传播方向上下之间的光传播方向上下移动。这种传感器光耦移动。这种传感器光耦合计算方法与反射式传合计算方法与反射式传感器是一样的。在上述感器是一样的。在上述的简化分析限定范围内，的简化分析限定范围内，比值比值/r与可移动遮光屏与可移动遮光屏及两透镜问半径为及两透镜问半径为r的光的光柱相交叠面积的百分比柱相交叠面积的百分比。采用双透镜系统使入射光纤在出射光纤上聚焦，遮光屏在垂直于两透11 不用透镜的两光不用透镜的两光纤直接耦合系统，纤直接耦合系统，结构虽然简单，结构虽然简单，但也能很好地工但也能很好地工作。只是接收光作。只是接收光纤端面只占发射纤端面只占发射光纤发出的光锥光纤发出的光锥底面的一部分，底面的一部分，使光耦合系数减使光耦合系数减小，灵敏度也降小，灵敏度也降低一个数量级低一个数量级 (r/dT)2。不用透镜的两光纤直接耦合系统，结构虽然简单，但也能很12利用两个周期结构的光栅遮光屏传感器通过一对光栅遮光利用两个周期结构的光栅遮光屏传感器通过一对光栅遮光屏的透射率，从屏的透射率，从50(当两个屏完全重叠时当两个屏完全重叠时)变到零变到零(当一个当一个屏的不透明条完全覆盖住另一个屏的透明部分屏的不透明条完全覆盖住另一个屏的透明部分)。在此周期。在此周期性结构范围内，光的输出强度是周期性的。而且它的分辨率性结构范围内，光的输出强度是周期性的。而且它的分辨率在光珊条纹间距的在光珊条纹间距的10-6数量级以内。这是能够构成很灵敏、数量级以内。这是能够构成很灵敏、很简单、高可靠的位移传感器的基础。很简单、高可靠的位移传感器的基础。利用两个周期结构的光栅遮光屏传感器通过一对光栅遮光屏的透射13作业作业1、由图、由图5-2的几何关系推导出下列关系式的几何关系推导出下列关系式2、由图、由图5-2，已知光纤芯直径为，已知光纤芯直径为2r200um，数据孔径数据孔径NA=0.5，光纤间距，光纤间距a=100um。若取。若取函数函数F(d)的最大斜率处为该系统的灵敏度，的最大斜率处为该系统的灵敏度，则耦合功率则耦合功率F随随d变化速率为何值？变化速率为何值？作业145.2.3 光模式强度调制光模式强度调制两个模的传播常数分别两个模的传播常数分别为为和和，当，当=-=2/相位失配为零，模间精相位失配为零，模间精合达到最佳。合达到最佳。当光纤之间状态发生变化时，会引起光纤中的模式耦合，其当光纤之间状态发生变化时，会引起光纤中的模式耦合，其中有些导波模变成了辐射模，从而引起损耗，中有些导波模变成了辐射模，从而引起损耗，5.2.3 光模式强度调制两个模的传播常数分别为和，15变形器的位移改变了弯曲处的模振幅，从而产生变形器的位移改变了弯曲处的模振幅，从而产生强度调制。强度调制。对于抛物线对于抛物线(或平方律或梯度或平方律或梯度)折射率分布的光纤折射率分布的光纤变形器的临界空间周期为变形器的临界空间周期为对于阶跃光纤对于阶跃光纤变形器的位移改变了弯曲处的模振幅，从而产生强度调制。对于阶跃16光纤传感器基本原理ppt课件17光纤传播模式的改变，光纤传播模式的改变，还可以改变光纤模斑斑还可以改变光纤模斑斑图，依据模斑图形的变图，依据模斑图形的变化也可进行光模式强度化也可进行光模式强度调制。多模光纤出射的调制。多模光纤出射的远场光斑就像一个切开远场光斑就像一个切开的的“西瓜西瓜”，“亮亮”、“黑黑”无规则地相间变无规则地相间变化。化。光纤传播模式的改变，还可以改变光纤模斑斑图，依据模斑图形的变185.2.4 折射率强度调制折射率强度调制 一、光纤折射率变化型一、光纤折射率变化型 一般光纤的纤芯和包层的折射军温度系数一般光纤的纤芯和包层的折射军温度系数不同。在温度恒定时，包层折射率不同。在温度恒定时，包层折射率n2与与纤芯折射率纤芯折射率n1之间的差值是恒定的。当之间的差值是恒定的。当温度变化时，温度变化时，n2、n1之间的差发生变化，之间的差发生变化，从而改变传输损耗。因此，以某一温度从而改变传输损耗。因此，以某一温度时接收到的光强为基准时接收到的光强为基准,根据传输功率的根据传输功率的变化可确定温度的变化。变化可确定温度的变化。5.2.4 折射率强度调制 一、光纤折射率变化型19光纤传感器基本原理ppt课件20 二、渐逝波耦合型二、渐逝波耦合型通常渐逝波在光疏媒质中深人距离有几通常渐逝波在光疏媒质中深人距离有几个波长时能量就可以忽略不计了。如个波长时能量就可以忽略不计了。如果采用一种办法使惭逝场能以较大的振果采用一种办法使惭逝场能以较大的振幅穿过光疏媒质，并伸展到附近的折射幅穿过光疏媒质，并伸展到附近的折射 率高的光密媒质材料中，能量就能穿过率高的光密媒质材料中，能量就能穿过间隙，这一过程称为受抑全反射。间隙，这一过程称为受抑全反射。二、渐逝波耦合型21L表示一对单模或多模光纤的相互作用长度，表示一对单模或多模光纤的相互作用长度，d表示纤芯之间的表示纤芯之间的距离。光纤包层被减薄或完全剥去，足以产生渐逝场耦合。距离。光纤包层被减薄或完全剥去，足以产生渐逝场耦合。d、L或或n2稍有变化，光探测器的接收光强就有明显变化、从而稍有变化，光探测器的接收光强就有明显变化、从而实现光强调制、这一原理已应用于水听器。实现光强调制、这一原理已应用于水听器。L表示一对单模或多模光纤的相互作用长度，d表示纤芯之间的距离22三、反射系数型三、反射系数型三、反射系数型23由菲涅尔反射公式由菲涅尔反射公式式中，式中，R为平行偏振方向的强度反射系数，为平行偏振方向的强度反射系数，R为垂为垂直偏振方向的强度反射系数；直偏振方向的强度反射系数；n=n3n1，为入射光为入射光波在界面上的入射角波在界面上的入射角。由菲涅尔反射公式式中，R为平行偏振方向的强度反射系数，R245.2.5 光吸收系数强度调制光吸收系数强度调制一、利用光纤的吸收特性进行强度调制一、利用光纤的吸收特性进行强度调制x射线、射线、射线等辐射线会使光纤材料的吸射线等辐射线会使光纤材料的吸收损耗增加，使光纤的输出功率降低，收损耗增加，使光纤的输出功率降低，从而构成强度调制辐射量传感器。改变从而构成强度调制辐射量传感器。改变光纤材料成分可对不同的射线进行测量。光纤材料成分可对不同的射线进行测量。如选用铅玻璃制成光纤，它对如选用铅玻璃制成光纤，它对x射线、射线、射线、中子射线最敏感，用这种方法做射线、中子射线最敏感，用这种方法做成的传感器既可用于卫星外层空间剂量成的传感器既可用于卫星外层空间剂量的监测，也可用于核电站、放射性物质的监测，也可用于核电站、放射性物质堆放处辐射量的大面积监测。堆放处辐射量的大面积监测。5.2.5 光吸收系数强度调制25光纤传感器基本原理ppt课件26 二、利用半导体的吸收特性进行强度调制二、利用半导体的吸收特性进行强度调制 大多数半导体的禁带宽度大多数半导体的禁带宽度Eg都随着都随着温度温度T的升高而几乎线性地减小。它们的的升高而几乎线性地减小。它们的光吸收边的波长将随着光吸收边的波长将随着T的升高而变化。的升高而变化。二、利用半导体的吸收特性进行强度调制275.3 相位调制机理相位调制机理 利用光相位调制来实现一些物理量的测利用光相位调制来实现一些物理量的测量可以获得极高的灵敏度。量可以获得极高的灵敏度。相位调制光纤传感器的基本传感原理是：相位调制光纤传感器的基本传感原理是：通过被测能量场的作用，使光纤内传播通过被测能量场的作用，使光纤内传播的光波相位发生变化，再用干涉测量技的光波相位发生变化，再用干涉测量技术把相位变化转换为光强变化，从而检术把相位变化转换为光强变化，从而检测出待测的物理量。测出待测的物理量。5.3 相位调制机理 利用光相位调制来实现一些物理量的测量28 5.3.1 相位调制相位调制一、应力应变效应一、应力应变效应当光纤受到纵向当光纤受到纵向(轴向轴向)的机械应力作用时，的机械应力作用时，光纤的长度、芯径、纤芯折射率都将发光纤的长度、芯径、纤芯折射率都将发生变化，这些变化将导致光波的相位变生变化，这些变化将导致光波的相位变化化.5.3.1 相位调制29式中，式中，a为光纤芯的半径；为光纤芯的半径；第一项表示由光纤长度变化引起的相位延迟第一项表示由光纤长度变化引起的相位延迟(应变效应应变效应)；第二项表示感应折射率变化引起的相位延迟第二项表示感应折射率变化引起的相位延迟(光隙效应光隙效应)；第三项则表示光纤的半径改变所产生的相位延迟第三项则表示光纤的半径改变所产生的相位延迟(泊松效泊松效应应)。式中，a为光纤芯的半径；30 1纵向应变引起的相位变化纵向应变引起的相位变化 1纵向应变引起的相位变化31 2径向应变引起的相位变化径向应变引起的相位变化 不考虑泊松效应时有不考虑泊松效应时有 2径向应变引起的相位变化 不考虑泊松效应时有32实现纵向、径向应变最简便的方法是，采用一个实现纵向、径向应变最简便的方法是，采用一个空心的压电陶瓷圆柱筒空心的压电陶瓷圆柱筒(PZT)，在这个圆柱筒，在这个圆柱筒上缠绕一圈或多圈光纤，并在其径向或轴向施上缠绕一圈或多圈光纤，并在其径向或轴向施加驱动信号，由于加驱动信号，由于PZT筒的直径随驱动信号变筒的直径随驱动信号变化，故缠绕在其上的光纤也随之伸缩。光纤承化，故缠绕在其上的光纤也随之伸缩。光纤承受到应力，光波相位随之变化。受到应力，光波相位随之变化。实现纵向、径向应变最简便的方法是，采用一个空心的压电陶瓷圆柱33二、温度应变效应二、温度应变效应仅考虑径向折射率变化时，其相位随温度变化为仅考虑径向折射率变化时，其相位随温度变化为二、温度应变效应仅考虑径向折射率变化时，其相位随温度变化为345.3.2 光纤干涉仪光纤干涉仪光纤相位传感器要求有相应的干涉仪来完光纤相位传感器要求有相应的干涉仪来完成相位检测过程。对于一个相位调制干成相位检测过程。对于一个相位调制干涉型光纤传感器，敏感光纤和干涉仪缺涉型光纤传感器，敏感光纤和干涉仪缺一不可。敏感光纤完成相位调制任务，一不可。敏感光纤完成相位调制任务，干涉仪完成相位干涉仪完成相位光强的转换任务。光强的转换任务。5.3.2 光纤干涉仪35 在光波的干涉测量中，传播的光波可能是两束在光波的干涉测量中，传播的光波可能是两束或多束相干光。或多束相干光。例如，设有光振幅分别为例如，设有光振幅分别为A1和和A2的两个相干的两个相干光束。如果其中一束光的相位由于某种因素的光束。如果其中一束光的相位由于某种因素的影响受到调制，则在干涉域中产生干涉。干涉影响受到调制，则在干涉域中产生干涉。干涉场中各点的光强可表示为场中各点的光强可表示为 在光波的干涉测量中，传播的光波可能是两束或多束相干光。36一、迈克尔逊一、迈克尔逊(Michlson)光纤干涉仪光纤干涉仪一、迈克尔逊(Michlson)光纤干涉仪37二、马赫二、马赫泽德泽德(Machzehnder)光纤干涉光纤干涉仪仪二、马赫泽德(Machzehnder)光纤干涉仪38保证全光纤干涉仪的工作点稳定是比较困难的。在零差检保证全光纤干涉仪的工作点稳定是比较困难的。在零差检测方式中，需要保证两光纤臂间的正交状态。所以系统要测方式中，需要保证两光纤臂间的正交状态。所以系统要求环境温差不能太大。求环境温差不能太大。保证全光纤干涉仪的工作点稳定是比较困难的。在零差检测方式中，39“正交状态正交状态”是指干涉仪的两臂光波间的相对相位为是指干涉仪的两臂光波间的相对相位为90。正交检测方式的优点是探测相位灵敏度最高。正交检测方式的优点是探测相位灵敏度最高。“正交状态”是指干涉仪的两臂光波间的相对相位为90。正交检40三、赛格纳克三、赛格纳克(Sagnac)光纤干涉仪光纤干涉仪干涉仪装在一个可绕垂干涉仪装在一个可绕垂直于光束平面轴旋转的直于光束平面轴旋转的平台上，且平台以角速平台上，且平台以角速度度转动时，根据赛格转动时，根据赛格纳克效应，两束传播方纳克效应，两束传播方向相反的光束到达光探向相反的光束到达光探测器的延迟不同。测器的延迟不同。若平台以顺时针方向旋若平台以顺时针方向旋转，则顺时针方向传播转，则顺时针方向传播的光较逆时针方向传播的光较逆时针方向传播的光延迟。的光延迟。三、赛格纳克(Sagnac)光纤干涉仪干涉仪装在一个可绕垂直41相位延迟量可表示为相位延迟量可表示为式中，式中，A是光路围成是光路围成 的面积；的面积；相位延迟量可表示为式中，A是光路围成42光纤陀螺仪光纤陀螺仪光纤陀螺仪43 四、法布里四、法布里珀罗珀罗(Fabry-Perot)光纤干涉仪光纤干涉仪由两块部分反射、部分透射、平行放置的反射镜组成。在两个相由两块部分反射、部分透射、平行放置的反射镜组成。在两个相对的反射镜表面镀有反射膜，其反射率通常达对的反射镜表面镀有反射膜，其反射率通常达95以上。以上。四、法布里珀罗(Fabry-Perot)光纤干涉仪44法布里法布里珀罗干涉仪是多光束干涉。根据珀罗干涉仪是多光束干涉。根据多光束干涉的原理，探测器上探测到的多光束干涉的原理，探测器上探测到的干涉光强的变化为干涉光强的变化为透射的干涉光强的最大值与最小值之比透射的干涉光强的最大值与最小值之比法布里珀罗干涉仪是多光束干涉。根据多光束干涉的原理，探测器45它与一般法布里它与一般法布里珀罗干涉仪的区别在于以光纤珀罗干涉仪的区别在于以光纤光程代替空气光程，以光纤特性变化来调制相位光程代替空气光程，以光纤特性变化来调制相位代替以传感器控制反射镜移动实现调相。代替以传感器控制反射镜移动实现调相。它与一般法布里珀罗干涉仪的区别在于以光纤光程代替空气光程，465.4 频率调制机理频率调制机理采用频率调制技术可以对有限的几个物采用频率调制技术可以对有限的几个物理量进行测量。它主要是利用运动物体理量进行测量。它主要是利用运动物体反射或散射光的反射或散射光的多普勒频移多普勒频移效应来检测效应来检测其运动速度。其运动速度。5.4 频率调制机理采用频率调制技术可以对有限的几个物理47设光源和观察者处于同一位置。如果频率为设光源和观察者处于同一位置。如果频率为f的光照射在相对的光照射在相对光速度为光速度为v的运动物体上，那么观察者接收的运动物体反射的运动物体上，那么观察者接收的运动物体反射光频率光频率f1为为设光源和观察者处于同一位置。如果频率为f的光照射在相对光速度48当光源和观察者处于相对静止的二个位置时，可当光源和观察者处于相对静止的二个位置时，可当作双重多普勒效应来考虑。先考虑从光源到当作双重多普勒效应来考虑。先考虑从光源到运动体，再考虑从运动体到观察者。运动体，再考虑从运动体到观察者。当光源和观察者处于相对静止的二个位置时，可当作双重多普勒效应495.4.1 光纤多普勒技术光纤多普勒技术根据多普勒频移原理，采用激光作为光源根据多普勒频移原理，采用激光作为光源的测量技术是研究流体流动的有效手段。的测量技术是研究流体流动的有效手段。它的主要持点是空间分辨率高，光束不干它的主要持点是空间分辨率高，光束不干扰流动性，并具有跟踪快速变化的能力。扰流动性，并具有跟踪快速变化的能力。5.4.1 光纤多普勒技术50光纤传感器基本原理ppt课件51 现在来讨论一下检测信号的光功率计算方法。流体中现在来讨论一下检测信号的光功率计算方法。流体中运动体的返回信号大小取决于背向散射光强、媒质衰运动体的返回信号大小取决于背向散射光强、媒质衰减和光纤接收面积及数值孔径。减和光纤接收面积及数值孔径。返回进入光纤的总功率返回进入光纤的总功率Pr 现在来讨论一下检测信号的光功率计算方法。流体中运动体的返回525.5 波长调制机理波长调制机理 波长调制光纤传感器主要是利用传感探头的光频谱特性波长调制光纤传感器主要是利用传感探头的光频谱特性随外界物理量变化的性质来实现的。此类传感器多为随外界物理量变化的性质来实现的。此类传感器多为非功能型传感器。非功能型传感器。5.5 波长调制机理535.5.1 光纤光纤pH探测技术探测技术这种技术利用化学指示剂对被测溶液的颜色反应这种技术利用化学指示剂对被测溶液的颜色反应来测量溶液的来测量溶液的pH值值.5.5.1 光纤pH探测技术54 采用双波长工作方式的目的是为了消除测量中采用双波长工作方式的目的是为了消除测量中多种因素所造成的误差。取绿光多种因素所造成的误差。取绿光(558nm)作为作为调制检测光，红光调制检测光，红光(630 nm)作参考光，探测器作参考光，探测器接收到的绿光与红光强度的吸收比值为接收到的绿光与红光强度的吸收比值为R,pH值与值与R的关系为的关系为式中式中c、k为常数；为常数；L为试剂长度为试剂长度,pHpK，其中，其中pH是酸碱度是酸碱度,pK是酸碱平衡常数。是酸碱平衡常数。采用双波长工作方式的目的是为了消除测量中多种因素所造成的误555.2 光纤磷光探测技术光纤磷光探测技术5.2 光纤磷光探测技术56两个光电二极管的敏感两个光电二极管的敏感波长不同，一个对波长不同，一个对540 nm的光敏感，另一个的光敏感，另一个对对630 nm的光敏感。经的光敏感。经光电二极管转换成电信光电二极管转换成电信号，再经过电子电路进号，再经过电子电路进行信号处理，得到相对行信号处理，得到相对光强与温度变化的特性光强与温度变化的特性曲线。经校正可以得到曲线。经校正可以得到输出相对光强与温度呈输出相对光强与温度呈线性关系。线性关系。两个光电二极管的敏感波长不同，一个对540 nm的光敏感，另575.5.3 光纤黑体探测技术光纤黑体探测技术通过测量物体的热辐射能量确定物体表面温度是通过测量物体的热辐射能量确定物体表面温度是非接触式测温技术。物体的热辐射能量随温度非接触式测温技术。物体的热辐射能量随温度提高而增加。对于理想提高而增加。对于理想“黑体黑体”辐射源发射的辐射源发射的光谱能量可用热辐射的基本定律之一普朗克光谱能量可用热辐射的基本定律之一普朗克(Plank)公式表述公式表述.所谓所谓“黑体黑体”、就是能够完全吸收入射辐射，并、就是能够完全吸收入射辐射，并具有最大发射率的物体。具有最大发射率的物体。5.5.3 光纤黑体探测技术58光纤传感器基本原理ppt课件59光纤黑体探测技术。就是以黑体做探头，利用光光纤黑体探测技术。就是以黑体做探头，利用光纤传输热辐射波，不怕电磁场干扰，质量轻纤传输热辐射波，不怕电磁场干扰，质量轻灵敏度高，体积小，探头可以做到灵敏度高，体积小，探头可以做到0.1mm。光纤黑体探测技术。就是以黑体做探头，利用光纤传输热辐射波，不60 5.5.4 光纤法布里光纤法布里泊罗滤光技术泊罗滤光技术 式中，式中，d是法布里是法布里泊罗标泊罗标准具厚度；准具厚度；n是标准具平行是标准具平行板内的介质折射率；板内的介质折射率；是反是反射光的相位跃变。射光的相位跃变。5.5.4 光纤法布里泊罗滤光技术式中，d是法布里泊615.6 偏振调制机理偏振调制机理光波是一种横波，它的光波是一种横波，它的光矢量是与传播方向垂光矢量是与传播方向垂直直的。如果光波的光矢量方向始终不变，只是的。如果光波的光矢量方向始终不变，只是它的大小随位相改变，这样的光称它的大小随位相改变，这样的光称线偏振光线偏振光。光矢量与光的传播方向组成的平面为线偏振光光矢量与光的传播方向组成的平面为线偏振光的的振动面振动面。如果光矢量的大小保持不变，而它。如果光矢量的大小保持不变，而它的方向绕传播方向均匀地转动，光矢量末端的的方向绕传播方向均匀地转动，光矢量末端的轨迹是一个圆，这样的光称圆偏振光。如果光轨迹是一个圆，这样的光称圆偏振光。如果光矢量的大小和方向都在有规律地变化，且光矢矢量的大小和方向都在有规律地变化，且光矢量的末端沿着一个椭圆转动，这样的光称量的末端沿着一个椭圆转动，这样的光称椭圆椭圆偏振光偏振光。5.6 偏振调制机理光波是一种横波，它的光矢量是与传播方向62kEH偏振光的表示法圆偏振光圆偏振光线偏光线偏光椭椭圆圆偏偏振振光光kEH偏振光的表示法圆偏振光线偏光椭63马吕斯定律马吕斯定律强度为强度为I0的偏振光，通过检偏的偏振光，通过检偏器后，透射光的强度为：器后，透射光的强度为：I=I0 cos2其中其中为检偏器的偏振化方为检偏器的偏振化方向与入射偏振光的偏振化方向向与入射偏振光的偏振化方向之间的夹角。之间的夹角。AII0马吕斯定律AII064为线偏振光的振动方向为线偏振光的振动方向OM与检偏器透振方向与检偏器透振方向ON间的夹角。间的夹角。一束光强为一束光强为I0的自然光透过检偏器，透射光强为的自然光透过检偏器，透射光强为I0/2解释解释I=I0 cos2为线偏振光的振动方向OM与检偏器透振方向ON间的夹角。65天然的方解石晶体天然的方解石晶体是双折射晶体是双折射晶体AB光的双折射现象光的双折射现象一束自然光射向石英、一束自然光射向石英、方解石等各向异性介方解石等各向异性介质时，其折射光有两质时，其折射光有两束，这种现象称为束，这种现象称为双双折射现象折射现象。天然的方解石晶体是双折射晶体AB光的双折射现象一束自然光射向665.6.1 普普克耳克耳效应效应 各向异性晶体中的普克耳效应是一种重要各向异性晶体中的普克耳效应是一种重要的电光效应。当强电场施加于光正在穿的电光效应。当强电场施加于光正在穿行的各向异性晶体时，所引起的感生双行的各向异性晶体时，所引起的感生双折射正比于所加电场的一次方，称为线折射正比于所加电场的一次方，称为线性电光效应，或普克耳效应。性电光效应，或普克耳效应。5.6.1 普克耳效应67折射率椭球方程折射率椭球方程对于双抽晶体，主折射率对于双抽晶体，主折射率 ；对于单抽晶体，主折射率对于单抽晶体，主折射率 为寻常光折射率，为寻常光折射率，为非常光折射率。为非常光折射率。折射率椭球方程对于双抽晶体，主折射率 68若沿光轴方向入射，若沿光轴方向入射，o光光和和e光具有相同的折射率光具有相同的折射率和相同的波速，因而无和相同的波速，因而无双折射现象。双折射现象。寻常光（寻常光（o光）和非常光（光）和非常光（e光）光）寻常光寻常光：对于晶体一切方向都具有：对于晶体一切方向都具有相同的折射率，且在入射面内传播，相同的折射率，且在入射面内传播，简称它为简称它为o光。光。非常光非常光：它的折射率（即波速）随：它的折射率（即波速）随方向而变化，并且不一定在入射面内方向而变化，并且不一定在入射面内传播，简称为传播，简称为 e 光。光。o光振动方向垂直于该光线（在晶体中）与光轴组成的平面。光振动方向垂直于该光线（在晶体中）与光轴组成的平面。e 光振动方向平行于该光线（在晶体中）与光轴组成的平面。光振动方向平行于该光线（在晶体中）与光轴组成的平面。若光轴在入射面内，若光轴在入射面内，实验发现：实验发现：o光、光、e光均在入射面内传播，光均在入射面内传播，且振动方向相互垂直且振动方向相互垂直。oe若沿光轴方向入射，o光和e光具有相同的折射率和相同的波速，因69AB光轴光轴某些晶体内有一个确定的方向，在这个方向上，某些晶体内有一个确定的方向，在这个方向上，o光和光和e光的传播速度相同，这个方向称为晶体的光的传播速度相同，这个方向称为晶体的光轴光轴。MMNN说明：说明：沿光轴方向入射的光束，通过晶体不分为两沿光轴方向入射的光束，通过晶体不分为两束光，仍沿入射方向行进。它是一个特征方向。束光，仍沿入射方向行进。它是一个特征方向。具有一个光轴的晶体，称为单轴晶体。具有一个光轴的晶体，称为单轴晶体。例如：方解石、石英等。例如：方解石、石英等。具有两个光轴的晶体，称为双轴晶体。具有两个光轴的晶体，称为双轴晶体。例如：云母、硫黄等。例如：云母、硫黄等。光轴光轴光轴光轴AB光轴MMNN说明：光轴光轴70 晶体的两端设有电极，并在两极间加一个电场。晶体的两端设有电极，并在两极间加一个电场。外加电场平行于通光方向，这种运用称为外加电场平行于通光方向，这种运用称为纵向纵向运用运用，或称为，或称为纵向调制纵向调制。对于对于KDP类晶体，晶体折射率的变化类晶体，晶体折射率的变化n与电场与电场E的关系由下式给定的关系由下式给定光程差为光程差为半波电压半波电压 晶体的两端设有电极，并在两极间加一个电场。外加电场平行于通711BGO调制器晶体；调制器晶体；21/4 波长片波长片3检偏器；检偏器；4电压传感器测头；电压传感器测头；5多模光导纤维；多模光导纤维；6一光检测器；一光检测器；7运算器；运算器；8一输出信号；一输出信号；9一光源；一光源；10光耦合器；光耦合器；11起偏器起偏器1BGO调制器晶体；72当晶体的通光方向垂直于外加电场时称为横向当晶体的通光方向垂直于外加电场时称为横向运用，这时产生的电光效应称为横向电光效应。运用，这时产生的电光效应称为横向电光效应。晶体中两正交的平面偏振光由于电光效应产生晶体中两正交的平面偏振光由于电光效应产生的相位差为的相位差为晶体的半波电压由下式给定晶体的半波电压由下式给定当晶体的通光方向垂直于外加电场时称为横向运用，这时产生的电光735.6.2 克尔效应克尔效应克尔效应也称为克尔效应也称为平方电光效应平方电光效应它发生在它发生在一切物质中。当外加电场作用在一切物质中。当外加电场作用在各向同各向同性性的透明物质上时，各向同性物质的光的透明物质上时，各向同性物质的光学性质发生变化，变成具有双折射现象学性质发生变化，变成具有双折射现象的各向异性特性，并且与单轴晶体的情的各向异性特性，并且与单轴晶体的情况相同。况相同。5.6.2 克尔效应74 克尔效应克尔效应当外电场撤消当外电场撤消时，这种性质时，这种性质立即消失，因立即消失，因此，也称为此，也称为电电致双折射现象致双折射现象。光轴沿电场强度的方向光轴沿电场强度的方向+-cc两光通过厚度为两光通过厚度为l 的液体时，的液体时，光程差为：光程差为：若去掉盒内电场，则没有光从若去掉盒内电场，则没有光从N透出。整个系统起透出。整个系统起“光开关光开关”的作用。的作用。通过控制外加电压，可调节输出的光脉通过控制外加电压，可调节输出的光脉冲的长短和频率，把电讯号转变成光讯冲的长短和频率，把电讯号转变成光讯号。号。由于光电效应几乎没有惯性，电讯由于光电效应几乎没有惯性，电讯号的控制速度可达号的控制速度可达10-9 m/s。“光开关光开关”,“光调制器光调制器”、“光断续器光断续器”有极快有极快的速度启闭光路或调制光强，目前广泛的速度启闭光路或调制光强，目前广泛应用于高速摄影、电影、电视和激光通应用于高速摄影、电影、电视和激光通讯等许多领域。讯等许多领域。克尔效应当外电场撤消时，这种性质立即消失，因此，也称为电75k是克尔常数。是克尔常数。在大多数情况下在大多数情况下 (k为正值为正值)，即介质具有正单轴晶体的性质。，即介质具有正单轴晶体的性质。k是克尔常数。在大多数情况下 76两偏振光波的光程差为两偏振光波的光程差为两光波间的相位差两光波间的相位差两偏振光波的光程差为两光波间的相位差775.6.3 法拉第效应法拉第效应 许多物质在磁场的作用下可以使穿过它的平面偏许多物质在磁场的作用下可以使穿过它的平面偏振光的偏振方向旋转，这种现象称为振光的偏振方向旋转，这种现象称为磁致旋光磁致旋光效应效应或或法拉第效应法拉第效应。5.6.3 法拉第效应78旋光现象旋光现象A 旋光现象旋光现象偏振光通过某些透明物质后，其振动面方将以光的传播方向偏振光通过某些透明物质后，其振动面方将以光的传播方向为轴线转过一定的角度为轴线转过一定的角度，这种现象称为，这种现象称为旋光现象。旋光现象。能够产生旋光现象的物质称为能够产生旋光现象的物质称为旋光物质旋光物质。如石英、糖、酒。如石英、糖、酒石酸钾钠等。石酸钾钠等。右旋物质：右旋物质：迎着光的传播方向观看，使振动面按顺时迎着光的传播方向观看，使振动面按顺时针方向转动的物质，如葡萄糖、石英等。针方向转动的物质，如葡萄糖、石英等。左左旋旋物物质质：迎迎着着光光的的传传播播方方向向观观看看，使使振振动动面面按按逆逆时时针方向转动的物质，如果糖等。针方向转动的物质，如果糖等。不不同同的的氨氨基基酸酸和和DNA等等也也有有左左右右旋旋的的不不同同，这这些些是是目目前前生生物物学研究的课题。学研究的课题。B 旋光物质旋光物质旋光现象A 旋光现象偏振光通过某些透明物质后，其振动面方将79C是旋光物质；是旋光物质；F为滤色片；为滤色片；M为起偏器；旋光物体放在两为起偏器；旋光物体放在两个偏振片个偏振片M与与N之间，把检偏器之间，把检偏器 N 旋转一定角度，可得到亮视旋转一定角度，可得到亮视野和暗视野。野和暗视野。C 实验装置实验装置实验证明：振动面旋转的角度实验证明：振动面旋转的角度与材料的厚度与材料的厚度d、浓度浓度C 以及入射光的波长以及入射光的波长 有关。有关。对于固体：对于固体：定义定义 为旋光系数，它是入射光波长的函数为旋光系数，它是入射光波长的函数对于液体：对于液体：式中式中C为溶液的浓度。为溶液的浓度。应用：应用：制糖工业，测定糖液浓度的糖量计制糖工业，测定糖液浓度的糖量计C是旋光物质；F为滤色片；M为起偏器；旋光物体放在两C 实80光纤传感器基本原理ppt课件81在法拉第效应中偏振面的旋转方向与外加磁在法拉第效应中偏振面的旋转方向与外加磁场的方向有关，即费尔德常数有正负值之分。场的方向有关，即费尔德常数有正负值之分。一般约定，正的费尔德常数系指光的传播方向一般约定，正的费尔德常数系指光的传播方向平行于平行于所加所加H场方向，法拉第效应是场方向，法拉第效应是左旋的左旋的；反平行于反平行于H场场方向时是方向时是右旋的右旋的。在法拉第效应中偏振面的旋转方向与外加磁场的方向有关，即费尔82 立方晶体或各向同性材料的法拉第效应立方晶体或各向同性材料的法拉第效应可以解释为，由于磁化强度取决于沿磁可以解释为，由于磁化强度取决于沿磁场方向传播的场方向传播的右旋圆偏振光右旋圆偏振光和和左旋圆偏左旋圆偏振光振光的折射率差，平面偏振光可以表示的折射率差，平面偏振光可以表示成左右旋圆偏振光之和。成左右旋圆偏振光之和。立方晶体或各向同性材料的法拉第效应可以解释为，由于磁化强度83偏振光的矩阵表示偏振光的矩阵表示 沿沿z方向传播的任一种偏振光都可以表示为光方向传播的任一种偏振光都可以表示为光矢量分别沿矢量分别沿x轴和轴和y轴方向振动的两个线偏振轴方向振动的两个线偏振光的叠加：即光的叠加：即 这两个线偏振光有确定的振幅比这两个线偏振光有确定的振幅比 和确定的位相差和确定的位相差 偏振光的矩阵表示 84也就是说：任一种偏振光的光矢量都可以用也就是说：任一种偏振光的光矢量都可以用沿沿x轴和轴和y轴的两个分量来表示：轴的两个分量来表示：用复振幅表示：用复振幅表示：上述方程表示：任一偏振光可以用由它的光矢量的上述方程表示：任一偏振光可以用由它的光矢量的上述方程表示：任一偏振光可以用由它的光矢量的上述方程表示：任一偏振光可以用由它的光矢量的两个分量构成的一列矩阵表示，此列矩阵称为琼斯两个分量构成的一列矩阵表示，此列矩阵称为琼斯两个分量构成的一列矩阵表示，此列矩阵称为琼斯两个分量构成的一列矩阵表示，此列矩阵称为琼斯矢量，记为：矢量，记为：矢量，记为：矢量，记为：也就是说：任一种偏振光的光矢量都可以用沿x轴和y轴的两个分量85n n实际中，我们研究的往往是强度变化。所以实际中，我们研究的往往是强度变化。所以可以把琼斯矢量归一化。（偏振光强度是它可以把琼斯矢量归一化。（偏振光强度是它的两个分量的强度之和，即的两个分量的强度之和，即 ）并）并把两分量的共同因子提到矩阵外，把两分量的共同因子提到矩阵外，式中：式中：实际中，我们研究的往往是强度变化。所以可以把琼斯矢量归一化。86并弃去共同位相因子，归一化形式的琼斯并弃去共同位相因子，归一化形式的琼斯矢量：矢量：把偏振光用琼斯矢量表示，特别方便于计算把偏振光用琼斯矢量表示，特别方便于计算两个或多个给定的偏振光叠加的结果。将两个或多个给定的偏振光叠加的结果。将琼斯矢量简单叠加。即可得到这种结果。琼斯矢量简单叠加。即可得到这种结果。并弃去共同位相因子，归一化形式的琼斯矢量：87琼斯矢量表示的一平面偏振光琼斯矢量表示的一平面偏振光可以表示为左右旋圆偏振光之和，即可以表示为左右旋圆偏振光之和，即 是右旋圆偏振光的琼斯表达式是右旋圆偏振光的琼斯表达式；是左旋圆偏振光的琼斯表达式；是左旋圆偏振光的琼斯表达式；琼斯矢量表示的一平面偏振光 是右旋圆偏振光的琼斯表达式；是左88这两束圆偏振光在经过材料这两束圆偏振光在经过材料 l 光程后出射。它光程后出射。它们相对于入射光波有一个相移们相对于入射光波有一个相移这两束圆偏振光在经过材料 l 光程后出射。它们相对于入射光波89表示一个与入射的平面偏振光表示一个与入射的平面偏振光 成成角的平面角的平面偏振光，也即出射光仍为平面偏振光，但偏振面旋偏振光，也即出射光仍为平面偏振光，但偏振面旋转了转了角角、表示一个与入射的平面偏振光 成角90 法拉第效应导致平面偏振光的偏振面旋转。法拉第效应导致平面偏振光的偏振面旋转。这种磁致偏振面的旋转方向，对于所给这种磁致偏振面的旋转方向，对于所给定的法拉第材料仅由外磁场方向决定，定的法拉第材料仅由外磁场方向决定，二与光线的传播方向无关。这是法拉第二与光线的传播方向无关。这是法拉第旋转和旋光性旋转间的一个最重要的区旋转和旋光性旋转间的一个最重要的区别。别。法拉第效应导致平面偏振光的偏振面旋转。这种磁致偏振面的旋转91对于旋光性的旋转，光线正反两次通过旅对于旋光性的旋转，光线正反两次通过旅光性材料后总的旋转角度等于光性材料后总的旋转角度等于0，因此，因此，旋光性是一种互易的光学过程。旋光性是一种互易的光学过程。对于旋光性的旋转，光线正反两次通过旅光性材料后总的旋转角度等92法拉第旋转是非互易的光学过程，即平面偏振光一次法拉第旋转是非互易的光学过程，即平面偏振光一次通过法拉第材料转过角度通过法拉第材料转过角度，而沿相反方向返回时将再，而沿相反方向返回时将再旋转旋转角。因此，两次通过法拉第材料后总的旋转角度角。因此，两次通过法拉第材料后总的旋转角度为为2 。这样，为了获得大的法拉第效应可以将放在。这样，为了获得大的法拉第效应可以将放在磁场中的法拉第材料做成平行六面体使通光面对光磁场中的法拉第材料做成平行六面体使通光面对光线方向稍偏离垂直位置，并将两面镀高反射膜，只留线方向稍偏离垂直位置，并将两面镀高反射膜，只留入射和出射窗口。若光束在其间反射入射和出射窗口。若光束在其间反射N次后出射，那么次后出射，那么有效旋光厚度为刑，偏振面的旋转角度提高有效旋光厚度为刑，偏振面的旋转角度提高N倍。倍。法拉第旋转是非互易的光学过程，即平面偏振光一次通过法拉第材料93光纤传感器基本原理ppt课件945.6.4 光弹效应光弹效应 双折射现象是由塞贝克和布儒斯特发现的。在力学形变双折射现象是由塞贝克和布儒斯特发现的。在力学形变时材料会变成各向异性。物质的等效光轴在应力的方时材料会变成各向异性。物质的等效光轴在应力的方向，感生双折射的大小正比于应力。这种应力感生的向，感生双折射的大小正比于应力。这种应力感生的双折射现象称为光弹效应。双折射现象称为光弹效应。5.6.4 光弹效应95 设单轴晶体的主折射率设单轴晶体的主折射率ne对应于对应于MN方向上的振动光的方向上的振动光的折射率，主折射率折射率，主折射率no对应于垂直对应于垂直MN方向上的振动光方向上的振动光的折射率，这时光弹效应与压强的折射率，这时光弹效应与压强P的关系可表达为的关系可表达为式中式中k是物质常数是物质常数,(no-ne)是双折射率差，表征双折是双折射率差，表征双折射性的大小，此处也表征光弹效应的强弱。射性的大小，此处也表征光弹效应的强弱。若光波通过的材料厚度为若光波通过的材料厚度为l则获得的光程差为则获得的光程差为 设单轴晶体的主折射率ne对应于MN方向上的振动光的折射率，96