第七章電子功能與元器件光導纖維及其特性

1、LOGO7-1 7-1 光導纖維及其特性光導纖維及其特性第七章 光纖及光纖傳感器LOGO光纖傳感器的簡介 光纖傳感器光纖傳感器(FOS Fiber Optical Sensor)(FOS Fiber Optical Sensor)是是2020世紀世紀7070年代中期發(fā)展起來的一種基于光導纖維的年代中期發(fā)展起來的一種基于光導纖維的新型傳感器。它是光纖和光通信技術迅速發(fā)展的產新型傳感器。它是光纖和光通信技術迅速發(fā)展的產物，它與以電為基礎的傳感器有本質區(qū)別。光纖傳物，它與以電為基礎的傳感器有本質區(qū)別。光纖傳感器用光作為敏感信息的載體，用光纖作為傳遞敏感器用光作為敏感信息的載體，用光纖作為傳遞敏感信息

2、的媒質。因此，它同時具有光纖及光學測量感信息的媒質。因此，它同時具有光纖及光學測量的特點。的特點。 電絕緣性能好。電絕緣性能好。 抗電磁干擾能力強?？闺姶鸥蓴_能力強。 非侵入性。非侵入性。 高靈敏度。高靈敏度。 容易實現(xiàn)對被測信號的遠距離監(jiān)控。容易實現(xiàn)對被測信號的遠距離監(jiān)控。LOGOv光纖傳感器技術是隨著光導纖維實用化與光通信技術的發(fā)展而形成的。 光纖作為遠距離傳輸光波信號的媒質，最早用于光通信技術中。v但是,在實際光通信過程中發(fā)現(xiàn),光纖受到外界環(huán)境因素的影響,如壓力、溫度、電場、磁場等環(huán)境條件變化時，將引起光纖傳輸?shù)墓獠?，如光強、相位、頗率、偏振態(tài)等變化。因此科技人員推測如果能測量出光波量

3、變化的大小，就可以知道導致這些光波量變化的壓力、溫度、電場、磁場等物理量的大小于是就出現(xiàn)了光纖傳感器技術。v光纖傳感器技術是本世紀70年代末發(fā)展起來的一門嶄新的技術，是傳感器技術的新成就。光纖傳感器技術的形成LOGOv近年來，傳感器在朝著靈敏、精確、適應性強、小近年來，傳感器在朝著靈敏、精確、適應性強、小巧和智能化的方向發(fā)展。在這一過程中，光纖傳感巧和智能化的方向發(fā)展。在這一過程中，光纖傳感器這個傳感器家族的新成員倍受青睞。光纖傳感器器這個傳感器家族的新成員倍受青睞。光纖傳感器是最近幾年出現(xiàn)的新技術，可以用來測量多種物理是最近幾年出現(xiàn)的新技術，可以用來測量多種物理量，比如聲場、電場、壓力、溫度

4、、角速度、加速量，比如聲場、電場、壓力、溫度、角速度、加速度等，還可以完成現(xiàn)有測量技術難以完成的測量任度等，還可以完成現(xiàn)有測量技術難以完成的測量任務。在狹小的空間里，在強電磁干擾和高電壓的環(huán)務。在狹小的空間里，在強電磁干擾和高電壓的環(huán)境里，光纖傳感器都顯示出了獨特的能力。目前光境里，光纖傳感器都顯示出了獨特的能力。目前光纖傳感器已經有纖傳感器已經有7070多種。多種。光纖傳感器的簡介LOGO光纖傳感器的簡介v光纖傳感器應用：磁、聲、壓力、溫度、加速度、光纖傳感器應用：磁、聲、壓力、溫度、加速度、陀螺、位移、液面、轉矩、光聲、電流和應變等物陀螺、位移、液面、轉矩、光聲、電流和應變等物理量的測量。

5、理量的測量。v光纖傳感器實質上是利用被測量對光纖內傳輸?shù)墓夤饫w傳感器實質上是利用被測量對光纖內傳輸?shù)墓膺M行調制，使光的某些特性（如強度、相位、頻率、進行調制，使光的某些特性（如強度、相位、頻率、偏振態(tài)等）發(fā)生改變。這種被調制的光信號經光電偏振態(tài)等）發(fā)生改變。這種被調制的光信號經光電轉換器變?yōu)殡娦盘柡蟊桓鞣N儀表檢測出來。因此，轉換器變?yōu)殡娦盘柡蟊桓鞣N儀表檢測出來。因此，光源、光的傳輸、光電轉換和電信號處理光源、光的傳輸、光電轉換和電信號處理構成了光構成了光纖傳感器系統(tǒng)。纖傳感器系統(tǒng)。LOGO光纖傳感器的簡介LOGO光纖傳感器的簡介LOGO光纖傳感器的簡介LOGO光纖傳感器的簡介LOGO光纖傳感器

6、的簡介LOGO光纖傳感器的簡介 光纖傳感器類型: （一）功能型（傳感型）傳感器; （二）非功能型（傳光型）傳感器。1.功能型傳感器是利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件, 被測量對光纖內傳輸?shù)墓膺M行調制, 使傳輸?shù)墓獾膹姸取⑾辔?、頻率或偏振態(tài)等特性發(fā)生變化, 再通過對被調制過的信號進行解調, 從而得出被測信號。2.非功能型傳感器是利用其它敏感元件感受被測量的變化, 光纖僅作為信息的傳輸介質。光纖在其中僅起導光作用，其結構大致如下：傳感器位于光纖端部，光纖只是光的傳輸線，將被測量的物理量變換成為光的振幅，相位或者振幅的變化。在這種傳感器系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的傳感器和光纖相結合。光纖的導入為實現(xiàn)探針化的遙

7、測提供了可能性。這種光纖傳輸?shù)膫鞲衅鬟m用范圍廣，使用簡便，但是精度比第一類傳感器稍低。 LOGO主要內容7-1-1 光纖的基本結構與類型7-1-2 光纖中光的傳播與消耗 1.光在光纖中的傳播 2.模式理論 3.光在光纖中的消耗LOGO7-1-1 光纖的基本結構與類型 光纖呈圓柱形，它由玻璃纖維芯光纖呈圓柱形，它由玻璃纖維芯( (纖芯纖芯) )和玻璃和玻璃包皮包皮( (包層包層) )兩個同心圓柱的雙層結構組成。兩個同心圓柱的雙層結構組成。 纖芯位于光纖的中心部位，光主要在這里傳輸。纖纖芯位于光纖的中心部位，光主要在這里傳輸。纖心折射率心折射率n n1 1比包層折射率比包層折射率n n2 2稍大些

8、兩層之間形成良好稍大些兩層之間形成良好的光學界面，光線在這個界面上反射傳播。的光學界面，光線在這個界面上反射傳播。 2R2rn2n1n光纖結構n2n1纖芯包層LOGO光纖的結構對稱柱體光學纖維對稱柱體光學纖維LOGO多層介質結構多層介質結構1.纖芯：石英玻璃，直徑5-75微米，材料以二氧化硅為主，摻雜微量元素,提高n。2.包層：直徑100-200微米，折射率略低于纖芯,SiO2。3.涂敷層：硅酮或丙烯酸鹽-用于隔離雜光。4.護套：尼龍或其他有機材料-提供光纖機械強度,保護光纖。特殊場合：沒有涂敷層和護套 - 裸纖LOGO7-1-1 光纖的基本結構與類型分類：分類：1 1 階躍型光纖階躍型光纖

9、2 2 梯度（漸變型）光纖梯度（漸變型）光纖分類（依光模式）：分類（依光模式）：1 1 單模光纖單模光纖 2 2 多模光纖多模光纖LOGO7-1-1 光纖的基本結構與類型 躍變型光纖的纖芯折射率和包層的折射率均為常數(shù)，但纖芯的折射率大于包層的折射率。梯度型光纖的纖芯折射率是徑向距離r的函數(shù)，可用下式表示光纖的折射率分布：12a2rn1 2anrn （0）（）（ ）=（ra）（ra）式中n(0)為纖芯軸心（r=0）處的折射率，a為纖芯半徑，= n(0)-n2/n(0)為相對折射率，a為折射率分布指數(shù)，當a=2時，稱為平方律折射率分布。LOGO一、光導纖維導光的基本原理一、光導纖維導光的基本原理

10、光是一種電磁波光是一種電磁波, ,一般采用波動理論來分析導光的基本原理。一般采用波動理論來分析導光的基本原理。然而根據(jù)光學理論指出：在尺寸遠大于波長而折射率變化緩慢的然而根據(jù)光學理論指出：在尺寸遠大于波長而折射率變化緩慢的空間空間, ,可以用可以用“光線光線”即幾何光學的方法來分析光波的傳播現(xiàn)象即幾何光學的方法來分析光波的傳播現(xiàn)象, ,這對于光纖中的多模光纖是完全適用的。為此這對于光纖中的多模光纖是完全適用的。為此, , 采用幾何光學的采用幾何光學的方法來分析。方法來分析。 1 1、斯乃爾定理、斯乃爾定理（Snells LawSnells Law） 當光由光密物質當光由光密物質( (折射率大折

11、射率大) )入射至光疏物質（入射至光疏物質（折射率小折射率?。r發(fā)）時發(fā)生折射，如圖生折射，如圖(a)(a)，其折射角大于入射角，即，其折射角大于入射角，即n n1 1n n2 2時，時，r ri i。 n1n2ri(a)光的折射示意圖 可見，入射角可見，入射角i增大時，折射角增大時，折射角r也隨也隨之增大，且始終之增大，且始終ri。n1、n2、r、i之間的數(shù)學關系為之間的數(shù)學關系為 n1sini=n2sinr 7-1-2 光纖中光的傳播與消耗LOGO當當ii0并繼續(xù)增大時，并繼續(xù)增大時，r90，這時便發(fā)生全反射，這時便發(fā)生全反射現(xiàn)象，如圖現(xiàn)象，如圖(c) ，其出射光不再折射而全部反射回來。，

12、其出射光不再折射而全部反射回來。式中：式中：i0臨界角臨界角i0=arcsin(n2/n1) sini0=n2/n1 sinrsin901n1n2ri(c)光全反射示意圖n1n2ri(b)臨界狀態(tài)示意圖 當當r=90時，時，i仍仍90，此時，此時，出射光線沿界面?zhèn)鞑ト鐖D（出射光線沿界面?zhèn)鞑ト鐖D（b），），稱為臨界狀態(tài)。這時有稱為臨界狀態(tài)。這時有7-1-2 光纖中光的傳播與消耗LOGO7-1-2 光纖中光的傳播與消耗1 1 光線理論光線理論 描述光在光纖中傳播有兩種方法，對于較粗的光纖（）采用光線理論（形象直觀），當光纖很細時，必須用模式理論a a階躍型光纖階躍型光纖LOGO7-1-2 光纖中光

13、的傳播與消耗n0sin0=n1sin1=n1cos1 于是依Snell定律有：當入射光線在界面上發(fā)生全反射時，應滿足：sin 1n2/n1于是有1222211ncos1n（7-3）（7-4）（7-5）將上式代入式（7-3）可得122201201sinnnn（7-6）LOGO7-1-2 光纖中光的傳播與消耗 由上式可確定能在光纖中產生全反射的光線在端面的入射角范圍。入射角的最大值可由式（7-6）求得1222c1201sinnnn（7-7）令1222c1201N Asinnnn=（7-8）NA稱為光纖的數(shù)值孔徑。NA決定了能被傳播的光束的半孔徑角的最大值c，半孔徑角大于c的光則透入包層，不能在纖芯

14、中傳播，因此數(shù)值孔徑實際上反映了光纖的集光能力。纖芯與包層的折射率差越大，數(shù)值孔徑越大，光纖的集光能力越強。 LOGO7-1-2 光纖中光的傳播與消耗b b 梯度型光纖梯度型光纖 對梯度型（又稱漸變型）光纖，由費瑪原理可知，光在不均勻煤質n（r）中傳播的折射率定律為nrsinconst（ ）（7-9） 這里為折射角。由于n（r）隨r增加而減小，折射角隨r增加而增加，從而使光線沿著一條曲線的路徑傳播。當折射率指數(shù)=2時，則光路為一條正弦曲線。LOGO7-1-2 光纖中光的傳播與消耗2.模式理論1 1）傳輸模）傳輸模 2 2）輻射）輻射模模 3 3）漏泄）漏泄模模模式具有以下特性：模式具有以下特性

15、： 1 1）穩(wěn)定性）穩(wěn)定性 一個模式沿縱向傳播時，其場分布形式不變，即一個模式沿縱向傳播時，其場分布形式不變，即沿沿Z Z方向有穩(wěn)定的分布方向有穩(wěn)定的分布2 2）有序性）有序性 模式是波動方程的一系列特征解，是離散的，可模式是波動方程的一系列特征解，是離散的，可以排序的以排序的3 3）疊加性）疊加性 光纖中總的場分布是這些模式的線性疊加、光纖中總的場分布是這些模式的線性疊加、4 4）正交性）正交性 光纖中的不同模式之間滿足正交關系光纖中的不同模式之間滿足正交關系LOGO 3.光在光纖中的消耗LOGO7-1-2 光纖中光的傳播與消耗 3.光在光纖中的消耗光能的總消耗率Q可以用下式表示：式中L為光

16、纖的長度，Pi為入射光能；P0為出射光能。)/(logL10QKmdBPiPoLOGO知識點1.試敘述光纖的基本結構及分類，并說明其各自的特點。2.光在光纖中是如何傳播的？光線理論和模式理論的主要內容和使用條件有哪些？LOGO7-1 7-1 光纖材料及其制備光纖材料及其制備第七章 光纖及光纖傳感器LOGO主要內容1.石英光纖2.非氧化物光纖3.聚合物光纖LOGO1.石英光纖（2）氣相外延沉淀法 （OVD）4222SiClOSiO2Cl（1）改進化學沉淀法 （MCVD）422SiClH OSiO4HCl（3）氣相軸向沉積法 （VAD）LOGO2.非氧化物光纖2.非氧化物光纖主要有氟化玻璃，硫化玻

17、璃，鹵化物晶體。它由重離主要有氟化玻璃，硫化玻璃，鹵化物晶體。它由重離子著稱，熔點低，離子間結合力弱，對紅外線吸收是子著稱，熔點低，離子間結合力弱，對紅外線吸收是其特有的損耗。其特有的損耗。3.3.聚合物光纖聚合物光纖 由高折射率塑料芯和低折射率的塑料涂層組由高折射率塑料芯和低折射率的塑料涂層組成，其特點是質量輕、塑性好，穩(wěn)定性較差。成，其特點是質量輕、塑性好，穩(wěn)定性較差。LOGO光導纖維對玻璃材料的要求光導纖維對玻璃材料的要求 光導纖維是由玻璃材料經加熱拉伸并迅速冷卻制成的.所制成的玻璃纖維與同成分的塊狀玻璃在光學和熱學性能上常會發(fā)生較大的差異.在玻璃纖維中要求包層玻璃和芯玻璃有較大面積的黏

18、結,所用玻璃的熱學性質和機械性質的差別都將影響纖維制品的品質,而且在拉制纖維的高溫下,它們還會相互作用;在制成傳感器時,玻璃纖維還要經受熱壓、堵漏和封接等多次熱學和機械處理。因此，對制造光導纖維的玻璃的各種性能要求遠比對經典光學中應用的光學玻璃的要求嚴格得多。LOGO光導纖維對玻璃材料的要求光導纖維對玻璃材料的要求v對玻璃光學參數(shù)的要求有：對玻璃光學參數(shù)的要求有：v1 1 折射率，芯和包層的折射率要滿足數(shù)值孔折射率，芯和包層的折射率要滿足數(shù)值孔徑的要求，各種應用中對光導纖維要求數(shù)值徑的要求，各種應用中對光導纖維要求數(shù)值孔徑為孔徑為0.010.01和和0.030.03之間之間v2 2 光透過率，

19、光透過率， 對透明性要求特別高，吸收對透明性要求特別高，吸收系數(shù)應小于系數(shù)應小于0.001cm0.001cm-1-1v3 3 玻璃不允許有氣泡、條紋和任何夾雜物存玻璃不允許有氣泡、條紋和任何夾雜物存在。在。LOGO光導纖維對玻璃材料的要求光導纖維對玻璃材料的要求v對玻璃的物化性能要求：對玻璃的物化性能要求：v1 1 有適當?shù)臏囟扔羞m當?shù)臏囟? -黏度曲線，能夠拉成纖維制黏度曲線，能夠拉成纖維制品，在工作溫度范圍內，芯、皮的黏度相近品，在工作溫度范圍內，芯、皮的黏度相近v2 2有較高的軟化點，以便能燒去附在纖維上的有較高的軟化點，以便能燒去附在纖維上的有機雜質，而且在加熱操作中光學參數(shù)不易有機雜

20、質，而且在加熱操作中光學參數(shù)不易變化變化v3 3 光導纖維要抗腐蝕性強，能適于化學腐蝕光導纖維要抗腐蝕性強，能適于化學腐蝕性溶液中進行測量性溶液中進行測量v4 4 芯玻璃的線膨脹系數(shù)稍大于皮玻璃時，可芯玻璃的線膨脹系數(shù)稍大于皮玻璃時，可制得機械強度高的玻璃纖維制得機械強度高的玻璃纖維LOGO7-3 7-3 光的調制與解調光的調制與解調第七章 光纖及光纖傳感器LOGO調制與解調的定義調制與解調的定義 在接收端將載波光波中攜帶的信號轉換成光的某在接收端將載波光波中攜帶的信號轉換成光的某些特性變化，并由光電探測器進行檢測的過程稱為解些特性變化，并由光電探測器進行檢測的過程稱為解調。調。 若將攜帶信息

21、的信號疊加到載波的光波上，并使若將攜帶信息的信號疊加到載波的光波上，并使載波光波的參數(shù)（光強、折射率、頻率、偏振等）隨載波光波的參數(shù)（光強、折射率、頻率、偏振等）隨外加信號變化而變化，即為調制?？捎烧{制器完成外加信號變化而變化，即為調制?？捎烧{制器完成形式：形式：強度調制型、偏振調制、頻率調制、相位調制強度調制型、偏振調制、頻率調制、相位調制。LOGO主要內容7-3-1 光強調制與解調7-3-2 偏振調制與解調7-3-3 相位調制與解調7-3-4 頻率調制與解調LOGO7-3-1 光強調制與解調一、幾種常見的光強調制技術1 1 微彎效應微彎效應122A（7-11）在梯度型光纖：2r在階躍型光纖

22、：2r（7-12）（7-13） 222020nnrn LOGO2. 光強度的外調制7-3-1 光強調制與解調光纖本身只起傳光作用，光纖分發(fā)射光纖和接收光纖兩部分。A 反射式強度調制器LOGO)tan(arcsind2RNALOGO7-3-1 光強調制與解調B B 遮光式強度調制器遮光式強度調制器LOGO7-3-1 光強調制與解調3 3 折射率光強度調制折射率光強度調制利用利用折射率的折射率的不同進行光強度調制的原理包括：不同進行光強度調制的原理包括： 1 1 利用被測物理量引起傳感材料折射率的變化，利用被測物理量引起傳感材料折射率的變化， 2 2 利用漸逝場耦合利用漸逝場耦合 3 3 利用折射

23、率不同的介質之間的折射和反射利用折射率不同的介質之間的折射和反射LOGO光纖端面的角度當外界因素使n3發(fā)生變化時，全反射條件被破壞，光能部分透射到外部介質中，探測到的光強下降。例子：LOGO7-3-1 光強調制與解調二、強度調制的解調 強度調制型光纖傳感器的關鍵是信號功率與噪聲之比要足夠大，其功率信噪不RSN可用下列公式計算：2sSN222phNRNdNiRiii（ ）（） （） （）（7-14） 22ssiP q h（7-15）22phNLi2q PhB（7-16）（7-17）2RNi4kTF R B2sSN22phNRNiRii（ ）（） （）（7-18）iphN-光信號噪聲電流，iRN-

24、前置放大器輸入端等效電阻熱噪聲電流，idN-光探測器噪聲電流LOGO晶體的感應雙折射晶體的感應雙折射(Induced birefringence in crystals )雙折射是由于雙折射是由于晶體結構自身晶體結構自身的各向異性決定的的各向異性決定的, ,稱為稱為自然雙折射自然雙折射。當晶體受到當晶體受到應力、電場、磁場應力、電場、磁場等外界作用，其結構等外界作用，其結構發(fā)生變化時，將產生與外場作用有關的雙折射現(xiàn)象發(fā)生變化時，將產生與外場作用有關的雙折射現(xiàn)象, ,叫做感應雙折射。叫做感應雙折射。7-3-2 偏振調制與解調LOGO電光效應電光效應 (Electro-optic effect)當

25、外加電場較大當外加電場較大l06V/ cm ，足以將原子內場，足以將原子內場(3l08 V/ cm)擾亂到有效程度，就可以使本來是擾亂到有效程度，就可以使本來是立方晶體或立方晶體或單軸晶體變?yōu)殡p軸晶體單軸晶體變?yōu)殡p軸晶體。這種因外加電場使介質光學性質發(fā)生變化的效應這種因外加電場使介質光學性質發(fā)生變化的效應, ,叫叫電光效應電光效應。LOGO（又稱線偏振光 或平面偏振光）LOGO 起起 偏偏起偏與檢偏起偏與檢偏 起偏起偏：當自然光照射在偏振片上時，它只讓某：當自然光照射在偏振片上時，它只讓某一特定方向的光通過，這個方向叫此偏振片的偏振一特定方向的光通過，這個方向叫此偏振片的偏振化方向化方向 .0

26、21I偏振化方向偏振化方向0I起偏器起偏器LOGO檢偏器檢偏器 檢檢 偏偏起偏器起偏器檢偏器檢偏器 檢檢 偏偏起偏器起偏器LOGO利用光波的這些偏振性質，可以制成光纖偏振調制利用光波的這些偏振性質，可以制成光纖偏振調制傳感器。光纖傳感器中的偏振調制器常用電光、磁傳感器。光纖傳感器中的偏振調制器常用電光、磁光、光彈等物理效應進行調制。光、光彈等物理效應進行調制。 普克爾效應普克爾效應 法拉第效應法拉第效應 光彈效應光彈效應LOGO=+eoonznynxk折射率橢球是晶體各向異性的幾何表示，晶體折射率橢球方程為：1222222zyxnznynx單軸晶體的折射率橢球是一個旋轉對稱的橢球。LOGO12

27、22222eoonznynxonenenon正單軸晶體負單軸晶體yxzzxyxoenn oenn LOGO ：某些晶體材料在外加電場：某些晶體材料在外加電場作用下產生各向異性的折射率變化。作用下產生各向異性的折射率變化。 n E+kE2 （一次電光效應一次電光效應,Pockels，1893）：）：當電場加在晶體上時，折射率的變化是線性的（在不當電場加在晶體上時，折射率的變化是線性的（在不對稱中心的晶體中）如：對稱中心的晶體中）如：ADP（磷酸二氫銨）、（磷酸二氫銨）、KDP（磷酸二氫鉀）、（磷酸二氫鉀）、KD*P（磷酸二氘鉀）（磷酸二氘鉀） n ELOGO：一是電場沿著晶體主軸：一是電場沿著晶

28、體主軸 (光軸方向光軸方向)，使電場方向與光線方向平行；使電場方向與光線方向平行；：二是電場沿晶體任一主軸二是電場沿晶體任一主軸x軸或軸或y軸軸或或Z軸加到晶體上，而取通光方向與電場方向相垂軸加到晶體上，而取通光方向與電場方向相垂直直.EE晶體晶體晶體晶體光軸光軸光軸光軸LOGO沿沿Z軸加電場時軸加電場時,=+zyxnznynxezzzoyzooxnnnEnnnEnnn633063322 63 63 電光系數(shù)電光系數(shù), Ez電場強度電場強度ZEno633Exampleyxyx加電壓前LOGOP1P2 lP1P2 lUUUUnlEnlnnzyx6330633022)(2不加電壓不加電壓加電壓加電

29、壓LOGO40243245472LOGO63302/2nU 半波電壓是表征電光晶體性能的重要的參數(shù)，該電壓越小半波電壓是表征電光晶體性能的重要的參數(shù)，該電壓越小越好。越好。作為一個例子：作為一個例子：KDP（磷酸二氫鉀）（磷酸二氫鉀）no=1.512 , 63=10.6,對對于于0.54mm光，光， U /2 =7.36kV, 而而KD*P: no=1.52， 63=23.3: V =3.29KV當晶體折射率變化所引起的兩正交平面偏振光的相位當晶體折射率變化所引起的兩正交平面偏振光的相位變化為變化為 時，則稱此時電壓為半波電壓時，則稱此時電壓為半波電壓U /2(或或U )，且，且LOGO圖54

30、3是利用普克耳效應的光纖電壓傳感器示意圖。調制器晶體可用BGO或BSO晶體。傳感器工作過程是，從激光器射出的光由起偏器變?yōu)槠矫嫫窆猓偃肷涞秸{制器電光晶體上。由于電光效應的作用，從電光晶體射出的光變?yōu)闄E圓偏振光，經14波片獲得一光學偏置，最后經檢偏器輸出。LOGO輸出的光強為：是晶體中兩正交平面偏振光的相位差。UUUn413002)2/sin(2sin02)cos(0cos0E2E1EEEE)2/2/(sin904/1)2/(sin2020IIII此時光強輸出變?yōu)椋憾鹊奈幌嗖?，玻片時，引入當加入LOGO 某些物質在磁場作用下，線偏振光通過時其振動面會發(fā)某些物質在磁場作用下，線偏振光通過時其振

31、動面會發(fā)生旋轉，這種現(xiàn)象稱為法拉第效應。光的電矢量生旋轉，這種現(xiàn)象稱為法拉第效應。光的電矢量E旋轉旋轉角角 與光在物質中通過的距離與光在物質中通過的距離l和磁場強度和磁場強度H成正比成正比ElHdlHV V費爾德常量，1154Tm 1010LOGO 偏振面的旋轉方向由外磁場方向決定偏振面的旋轉方向由外磁場方向決定: 當光的傳播方向與磁場方向一致時，順著光傳播方當光的傳播方向與磁場方向一致時，順著光傳播方向看去，向看去， 角是左旋的。當光的傳播方向與磁場方向角是左旋的。當光的傳播方向與磁場方向相反時，順著光傳播方向看去，相反時，順著光傳播方向看去， 角是右旋的。角是右旋的。 l磁致旋光物質磁致旋

32、光物質H lH右旋右旋左旋左旋 LOGO 偏振光一次通過法拉第材料轉過角度為偏振光一次通過法拉第材料轉過角度為 ，而沿，而沿相反方向返回時將再旋轉相反方向返回時將再旋轉 角。因此，兩次通過法角。因此，兩次通過法拉第材料后總的旋轉角度為拉第材料后總的旋轉角度為2 。這樣，為了獲得大。這樣，為了獲得大的法拉第效應，可以使光多次穿過材料，若光束在的法拉第效應，可以使光多次穿過材料，若光束在其間反射其間反射N次后出射，那么有效旋光厚度為次后出射，那么有效旋光厚度為Nl，偏，偏振面的旋轉角度提高振面的旋轉角度提高N倍。倍。 NN lHLOGO7-3-2 偏振調制與解調(3) (3) 光彈效應光彈效應 在

33、垂直于光波傳播方向上施加應力，材料將產生雙折射，其強弱正比于應力光彈效應。02 kpl（7-20）k-物質光彈性常數(shù)p-施加在物體上的壓強l-光波通過材料的長度kpnneoLOGO7-3-2 偏振調制與解調二、解調原理 利用偏振光分束器能把入射光的正交偏振線性分量在輸出方向分開。通過測定這兩束光的強度，再由傳感器經一定的運算就可確定偏振光相位的變化。渥拉斯頓棱鏡是常用的偏振光分束器。LOGO7-3-2 偏振調制與解調1212IIsin 2II（7-21）LOGO7-3-3 相位調制與解調 通過被測能量場的作用，使能量場中的一段單模光纖內傳播的光波發(fā)生相位變化，利用干涉測量技術把相位變化變換為振

34、幅變化，再通過光電探測器進行檢測。（一）相位調制1 應力應變效應 a.光纖長度變化-應變效應 b.光纖芯的直徑變化-泊松效應 c.光纖芯的折射率變化-光彈效應2 熱脹冷縮效應 長度L 溫度TLOGOLOGOLOGO7-3-3 相位調制與解調（二）相位解調原理12EtE sintE sint+（ ）=（）（7-23）2d0PtEtAZ（ ）= （ ）（7-24）兩束光的光場相疊加，合成光場的電場分量為：光探測器的功率為：最終探測器信號電流為：22d0222121212212AqptqitEtEthhZ11E -EE E cos tE cos2t221 E cos(2t+2 )-E E cos(2

35、t+ )2（ ）（ ）=（ ）=（ ） =（）（7-25）d0AqhZLOGO7-3-3 相位調制與解調化簡：（7-26）當E1=E2=E/2時，進一步化簡上式：（7-27）2IE4=0ditIsind（ ）=-對上式兩端取微分得：（7-28）)(cos21)2221(21)(tEEEEti)(cos1 )(tItiLOGO多普勒效應7-3-4 頻率調制與解調LOGO7-3-4 頻率調制與解調多普勒效應 S為光源，P為運動物體，Q為觀察者所處位置。如果物體P的運動速度u，方向與PS及PQ的夾角分別為1和2，則從S發(fā)出的頻率為f1的光經過運動物體P散射，觀察者在Q處觀察到的頻率為f2，根據(jù)多普勒

36、原理可得：21121(coscos)uffc（7-29）LOGO7-3-4 頻率調制與解調itI1 cosft（ ）=（2）（7-30）LOGO 多普勒頸腦血液測速儀多普勒頸腦血液測速儀LOGO知識點1.光強調制的原理是什么？如何實現(xiàn)光強調制？2.偏振調制依據(jù)哪些物理效應，并說明各效應引起的相位變化與哪些因素有關。3.相位調制與解調依據(jù)什么原理？LOGO7-4 7-4 光纖傳感器的實例光纖傳感器的實例第七章 光纖及光纖傳感器LOGO主要內容7-4-1 光強調制的微彎位移傳感器7-4-2 相位調制型光纖傳感器7-4-3偏振調制型光纖電流傳感器LOGO7-4-1 光強調制的微彎位移傳感器 亮場微彎

37、傳感器的信號光很強，采用高靈敏度的光電探測器，光信號會使器件飽和。接受導模LOGO7-4-1 光強調制的微彎位移傳感器 暗場微彎傳感器的背景光很弱，受微彎位移調制明顯，調制深度大，靈敏度高。接受泄露模LOGO7-4-2 相位調制型光纖傳感器 基本原理是利用被測對象對敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或傳播常數(shù)發(fā)生變化，而導致光的相位變化，使兩束單色光所產生的干涉條紋發(fā)生變化，通過檢測干涉條紋的變化量來確定光的相位變化量，從而得到被測對象的信息。通常有利用光彈效應的聲、壓力或振動傳感器；利用磁致伸縮效應的電流、磁場傳感器；利用電致伸縮的電場、電壓傳感器以及利用光纖賽格納克（Sagnac）效應的旋

38、轉角速度傳感器（光纖陀螺）等。這類傳感器的靈敏度很高。但由于須用特殊光纖及高精度檢測系統(tǒng)，因此成本高。 LOGO7-4-2 相位調制型光纖傳感器 當一束波長為的相干光在光纖中傳播時，光波的相位角一光纖的長度L、光纖折射率n1和纖芯直徑d有關。若光纖受到某種作用，則會引起上述參數(shù)的變化，從而引起光的相位變化。在上述的三個參數(shù)中，纖芯直徑的影響最小可以忽略。在長為L的一段單模光纖中，波長為的輸出光相對于輸入端而言，其相位角為：12 n L（7-31）當光纖受到某種作用，引起光波的相位角變化為：2n L L1（+n）（7-32）相位角的變化（）顯然是由于外部作用（如溫度、壓力、電流等）引起光纖長度改

39、變和纖芯折射率的變化導致的結果。LOGO7-4-2 相位調制型光纖傳感器2.相位調制的光纖溫度傳感器（馬和-澤得光纖溫度傳感器）LOGO7-4-2 相位調制型光纖傳感器工作原理： 由氦氖激光器發(fā)出的激光束由分光器分別進入兩根輸出端合在一起的光纖中，則兩束光產生干涉，出現(xiàn)干涉條紋。當測量臂光纖受到溫度場作用后，產生相位變化，引起干涉條紋位移。干涉條紋移動的大小便反映出被測溫度的變化情況。 當光纖受到溫度場的作用，主要是引起光纖長度和折射率發(fā)生變化，進而引起傳輸光的相位變化，其相位的相對變化率為：11nLLn（7-33）LOGO7-4-3偏振調制型光纖電流傳感器 是一種利用光偏振態(tài)變化來傳遞被測對象是一種利用光偏振態(tài)變化來傳遞被測對象信息的傳感器。利用光在磁場中媒質內傳播的信息的傳感器。利用光在磁場中媒質內傳播的法拉第效應做成的電流、磁場傳感器；利用光法拉第效應做成的電流、磁場傳感器；利用光在電場中的壓電晶體內傳播的泡爾效應做成