第5章-偏振調(diào)制型傳感器.ppt

偏振調(diào)制型光纖傳感器 Lecture8 9 內(nèi)容提要 偏振 雙折射與波片偏振調(diào)制和偏振干涉Pockles電光效應旋光效應 法拉第磁光效應 Kerr效應偏振光的干涉與光纖偏振干涉儀光彈效應 OCT OVT 壓力 水聲 偏振與偏振調(diào)制 概念 線偏振光振動面 E K 偏振面 包含k 垂直于振動面圓偏振光 橢圓偏振光部分偏振光 全偏振光偏振調(diào)制傳感器常用 電光 磁光 光彈等物理效應進行調(diào)制 注 光的振動方向通常是指電場矢量E的方向 起偏器 檢偏器 自然光 線偏振光 偏振光通過旋轉(zhuǎn)的檢偏器 光強發(fā)生變化 偏振光通過旋轉(zhuǎn)的檢偏器 光強發(fā)生變化 起偏器 檢偏器 自然光 線偏振光 偏振光通過旋轉(zhuǎn)的檢偏器 光強發(fā)生變化 起偏器 檢偏器 自然光 線偏振光 偏振光通過旋轉(zhuǎn)的檢偏器 光強發(fā)生變化 起偏器 檢偏器 自然光 線偏振光 兩偏振片的偏振化方向相互垂直光強為零 偏振光通過旋轉(zhuǎn)的檢偏器 光強發(fā)生變化 起偏器 檢偏器 自然光 線偏振光 檢偏器 自然光通過旋轉(zhuǎn)的檢偏器 光強不變 自然光 自然光 自然光通過旋轉(zhuǎn)的檢偏器 光強不變 檢偏器 自然光 自然光通過旋轉(zhuǎn)的檢偏器 光強不變 檢偏器 自然光 自然光通過旋轉(zhuǎn)的檢偏器 光強不變 檢偏器 自然光 自然光通過旋轉(zhuǎn)的檢偏器 光強不變 檢偏器 自然光 自然光通過旋轉(zhuǎn)的檢偏器 光強不變 檢偏器 自然光 自然光通過旋轉(zhuǎn)的檢偏器 光強不變 檢偏器 雙折射 各向異性介質(zhì)中 一束入射光常有被分解為兩束的現(xiàn)象注意 這種現(xiàn)象不是因為不同頻率的光在介質(zhì)中的折射率不同而產(chǎn)生的 o光 尋常光 對于任意的入射角 其入射角的正弦與折射角的正弦值比為一常數(shù) 即通常所說的折射率 e光 非尋常光 若其入射角的正弦與折射角的正弦值比隨入射角而變化 下圖是不同的相位差對應的偏振態(tài) Pockels效應 一次電光效應 線性電光效應晶體中 兩正交的偏振光的相位變化為 單晶電光材料磷酸二氫鉀 KH2PO4 簡稱KDP no 1 51 546nm時 半波電壓比克爾盒要求的電壓低得多磷酸二氫胺 NH4H2PO4 ADP 開關響應時間也極短 10 9s 可用作超高速開關 激光調(diào)Q 顯示技術(shù) 數(shù)據(jù)處理 Pockels效應 旋光效應 磁致旋光效應 磁致旋光 magneticopticity 人工方法產(chǎn)生旋光性法拉第旋轉(zhuǎn) Faradayrotation 1846年 法拉第發(fā)現(xiàn)應用隔離器 非互易性 即只允許光從一個方向通過 而不能從反方向通過的光閥門 在激光的多級放大裝置中磁光材料水 二硫化碳 食鹽 乙醇等都是磁致旋光物質(zhì) 對自然旋光物質(zhì) 光順磁場與逆磁場方向傳播 其振動面旋向相反 磁旋光物質(zhì) 光順磁場與逆磁場方向傳播 其振動面旋向相同 隔離器應用很廣泛 研究物質(zhì)結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)不同 其碳氫化合物的法拉第旋轉(zhuǎn)效應也不同測電流和磁場 在電工測量中 用來測電流和磁場 特別可制造用于測量超高壓電網(wǎng)電流的光纖電流傳感器磁光調(diào)制 光通信技術(shù)中 應用磁致旋光效應 使信號電流產(chǎn)生的光振動面旋轉(zhuǎn) 轉(zhuǎn)化為光的強度變化 這就是磁光調(diào)制 法拉第效應的應用 應用 光纖電流傳感器 強度H的磁場中 光纖電流傳感器 振動面偏轉(zhuǎn)角僅與電流I有關設 載流導線中的電流I 0時 線偏振光振動方向在檢偏器處的與y軸平行 檢偏器P 普通檢偏器 的方位為 I 0時的方位為 在P上的投影 即光探測器的輸出信號強度 為J 則在 0 45 時 檢測靈敏度最高 NxtPhase OVT進行 18 的測試 BSO晶體光纖電場傳感器 BSO晶體同時具有電光Pockels效應和磁光Faraday效應 且其溫度系數(shù)較小 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 電子式光纖電流互感器 Kerr二次電光效應 克爾效應 Kerreffect 1875年 克爾盒內(nèi)充某種液體 如硝基本 C6H5NO2 不加電場 液體各向同性 P2不透光加外電場 液體呈單軸晶體性質(zhì) 光軸平行透光 時 克爾盒相當于半波片 P2透光最強硝基苯 設l 3cm d 0 8cm 則 600nm 優(yōu)點 響應時間 10 9s 用于光開關 高速攝影 激光通訊 光速測距 脈沖激光系統(tǒng) 作為Q開關 缺點 如硝基苯有毒 易爆炸 需極高純度和高電壓 故現(xiàn)在很少用 Kerr盒 光纖電壓傳感器 a b 旋光效應 晶體和溶液的旋光性單軸晶體 如方解石 光線沿光軸傳播時不發(fā)生雙折射 o光和e的傳播方向和波速都一樣 垂直于光軸切割出一塊平行平面晶片 從偏振片I透出來的線偏振光經(jīng)過此晶片時偏振狀態(tài)沒有改變 在偏振片II之后仍然消光 用石英晶體實驗時發(fā)現(xiàn) 要使偏振片II之后消光 必須將偏振片II的透振方向向左或向右旋轉(zhuǎn)一個角度 3 7 旋光效應 旋光現(xiàn)象 旋光性 opticalactivity 與旋光物質(zhì)晶體 振動面旋轉(zhuǎn)角度 與晶片厚度d成正比溶液 還與溶液的濃度C成正比 即應用 在制糖 制藥和化工等方面 例 糖度分析儀 糖量計 saccharimeter 測定糖溶液濃度根據(jù)糖溶液的旋光性而設計的一種儀器在一定的溫度和波長下 事先測得比旋長率 然后再測出未知濃度溶液使振動面偏轉(zhuǎn)的角度 旋光效應的解釋 平行偏振光的干涉匯聚偏振光的干涉 偏振光的干涉 光纖偏振干涉儀 原理 單根高雙折射單模光纖 兩正交偏振模式 相移差比較 高雙折射光纖 拍長 3 2mm 測溫 靈敏度2 5rad m MZ的 100rad m 儀器裝置簡單 壓力靈敏度為M Z干涉儀的1 7300 因此有較強的壓力去敏作用 在垂直于k方向上施加應力 內(nèi)應力或外來的機械應力 雙折射片狀 插在兩偏振片之間 不同地點因 no ne 不同會引起o光和e間不同的相位差 干涉圖樣 應力越集中地方 各向異性越強 干涉條紋越細密 在白光照射下 則顯示出彩色的干涉圖樣 可構(gòu)成壓力 振動 位移等光纖傳感器 光彈效應 壓力與水聲傳感器 折射系數(shù)與聲強的關系材料的光彈性聲強檢測靈敏度Pyrex玻璃材料最小可測壓差 9 5Pa 理論值為1 4Pa 在0 500kPa 有良好的線性 測量范圍可擴展至2MPa 動態(tài)范圍達86dB