傳感器原理與應(yīng)用(中)

1、傳感技術(shù)傳感技術(shù)是信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱之一。是信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱之一。光纖傳感技術(shù)光纖傳感技術(shù)一直處于傳感技術(shù)發(fā)展的前沿。一直處于傳感技術(shù)發(fā)展的前沿。光纖傳感技術(shù)光纖傳感技術(shù)光纖傳感技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：光纖傳感技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：光纖不帶電；光纖不帶電；抗電磁干擾抗電磁干擾; ;防爆、防燃；防爆、防燃；質(zhì)量輕質(zhì)量輕, ,體積小；體積小；可長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)?？砷L(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。這些優(yōu)點(diǎn)決定其在國家重大工程安全監(jiān)測(cè)方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。這些優(yōu)點(diǎn)決定其在國家重大工程安全監(jiān)測(cè)方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。 光纖傳感示意圖光纖傳感示意圖 光纖傳感技術(shù) 光纖傳感器是光纖傳感器是20世紀(jì)世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來的年代中期發(fā)展起來的一種基于光導(dǎo)纖維的新型傳感

2、器。它是光纖一種基于光導(dǎo)纖維的新型傳感器。它是光纖和光通信技術(shù)迅速發(fā)展的產(chǎn)物，它與以電為和光通信技術(shù)迅速發(fā)展的產(chǎn)物，它與以電為基礎(chǔ)的傳感器有本質(zhì)區(qū)別。光纖傳感器用光基礎(chǔ)的傳感器有本質(zhì)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作為敏感信息的載體，用光纖作為傳遞敏感信息的媒質(zhì)。因此，它同時(shí)具有信息的媒質(zhì)。因此，它同時(shí)具有光纖光纖及及光學(xué)光學(xué)測(cè)量的特點(diǎn)。測(cè)量的特點(diǎn)。光纖傳感分類功能型光纖傳感 這類傳感器利用光纖這類傳感器利用光纖 本身對(duì)外界被測(cè)對(duì)象本身對(duì)外界被測(cè)對(duì)象具有敏感能力和檢測(cè)具有敏感能力和檢測(cè)功能，光纖不僅起到功能，光纖不僅起到傳光作用，而且在被傳光作用，而且在被測(cè)對(duì)象作用下

3、，如光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)等測(cè)對(duì)象作用下，如光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)等光學(xué)特性得到調(diào)制，調(diào)制后的信號(hào)攜帶了被測(cè)信光學(xué)特性得到調(diào)制，調(diào)制后的信號(hào)攜帶了被測(cè)信息。息。 全光纖型傳感器全光纖型傳感器 利用對(duì)外界信息具有敏感能力和檢測(cè)能力的利用對(duì)外界信息具有敏感能力和檢測(cè)能力的光纖光纖(或特殊光纖或特殊光纖)作傳感元件，將作傳感元件，將“傳傳”和和“感感”合為一體的傳感器。光纖不僅起傳光合為一體的傳感器。光纖不僅起傳光作用，而且還利用光纖在外界因素作用，而且還利用光纖在外界因素(彎曲、相彎曲、相變變)的作用，其光學(xué)特性的作用，其光學(xué)特性(光強(qiáng)、相位、偏振光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)等態(tài)等)的變化來實(shí)現(xiàn)的變化來實(shí)現(xiàn)“傳傳”

4、和和“感感”的功能。的功能。因此，傳感器中光纖是連續(xù)的。因此，傳感器中光纖是連續(xù)的。信號(hào)處理光接收器光纖敏感元件光發(fā)送器 拾光型光纖傳感器拾光型光纖傳感器 用光纖作為探頭，接收由被測(cè)對(duì)象輻射的光用光纖作為探頭，接收由被測(cè)對(duì)象輻射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纖或被其反射、散射的光。其典型例子如光纖探針、光纖激光多普勒速度計(jì)、輻射式光纖探針、光纖激光多普勒速度計(jì)、輻射式光纖溫度傳感器光纖光柵傳感器等。溫度傳感器光纖光柵傳感器等。 信號(hào)處理光 接收 器光發(fā)送器光纖耦合器被測(cè)對(duì)象非功能型光纖傳感 傳光型光纖傳感器的傳光型光纖傳感器的 光纖只當(dāng)作傳播光的光纖只當(dāng)作傳播光的媒介，待測(cè)對(duì)象的調(diào)媒

5、介，待測(cè)對(duì)象的調(diào)制功能是由其它光電制功能是由其它光電轉(zhuǎn)換元件實(shí)現(xiàn)的，光轉(zhuǎn)換元件實(shí)現(xiàn)的，光纖的狀態(tài)是不連續(xù)的，纖的狀態(tài)是不連續(xù)的， 光纖只起傳光作用。光纖只起傳光作用。 “有關(guān)光在纖維中的傳輸以用有關(guān)光在纖維中的傳輸以用于光學(xué)于光學(xué) 通信方面通信方面”取得了取得了突破性成就突破性成就2009年年 諾貝爾諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)物理學(xué)獎(jiǎng)授予英國華裔科學(xué)授予英國華裔科學(xué)家家 高錕高錕 高錕高錕-光纖之父光纖之父 1966年，高錕發(fā)表了一篇題年，高錕發(fā)表了一篇題為為光頻率介質(zhì)纖維表面波光頻率介質(zhì)纖維表面波導(dǎo)導(dǎo)的論文，開創(chuàng)性地提出的論文，開創(chuàng)性地提出光導(dǎo)纖維在通信上應(yīng)用的基光導(dǎo)纖維在通信上應(yīng)用的基本原理，描述了長(zhǎng)

6、路程及高本原理，描述了長(zhǎng)路程及高信息量光通信所需絕緣性纖信息量光通信所需絕緣性纖維的結(jié)構(gòu)和材料特性。簡(jiǎn)單維的結(jié)構(gòu)和材料特性。簡(jiǎn)單地說，只要解決好玻璃純度地說，只要解決好玻璃純度和成分等問題，就能夠利用和成分等問題，就能夠利用玻璃制作光學(xué)纖維，從而高玻璃制作光學(xué)纖維，從而高效傳輸信息。效傳輸信息。 光纖技術(shù)歷史光纖技術(shù)歷史 1960年，梅曼發(fā)明第一臺(tái)“紅寶石激光器”。激光頻譜窄；方向性好；相干性。（理想的光載波） 1966年，高錕和霍克哈姆指出利用光纖進(jìn)行信息傳輸?shù)目赡苄院图夹g(shù)途徑。（理論基礎(chǔ)） 1970年，康寧公司研制光纖損耗20dB/km（光纖商用） 1970年1979年，光纖損耗0.2dB

7、/km以下 1970年，光源取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。研制成功室溫下連續(xù)振蕩的鎵鋁砷雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器(短波長(zhǎng)) 光纖技術(shù)發(fā)展 光纖技術(shù)1970-1980，主要以強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器的研究為主。1980-1990，開始大規(guī)模研究干涉型光纖傳感技術(shù)。1990-2000，光纖光柵（FBG）傳感技術(shù)進(jìn)入一個(gè)研究熱潮。2000-至今，光纖傳感技術(shù)進(jìn)入商業(yè)化進(jìn)程。光纖傳感光纖傳感光纖通信光纖通信1976年，美國在亞特蘭大進(jìn)行第一個(gè)光纖通信現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，速率44.7Mb/s1980年，美國鋪設(shè)東西干線和南北干線，22個(gè)州1983年，日本南北光纜干線，全長(zhǎng)3400km1989年，第一條橫跨太平洋光纜建成，全長(zhǎng)13200

8、km90年代， 我國光纜干線“八橫八縱”，全長(zhǎng)8萬公里光纖傳感的形成光纖傳感的形成 實(shí)際光纖通信過程中發(fā)現(xiàn),光纖受到外界環(huán)境因素的影響。如壓力、溫度、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等環(huán)境條件變化時(shí)，將引起光纖傳輸?shù)墓獠浚绻鈴?qiáng)、相位、頻率、偏振態(tài)等變化。因此，測(cè)量出光波量變化的大小，就可以知道導(dǎo)致這些光波量變化的壓力、溫度、電場(chǎng) 、 磁 場(chǎng) 等 物 理 量 的 大小于是就出現(xiàn)了光纖傳感器技術(shù)。光纖傳感優(yōu)勢(shì)光纖傳感優(yōu)勢(shì) 電絕緣電絕緣性能好。性能好。 抗抗電磁干擾電磁干擾能力強(qiáng)。能力強(qiáng)。 光路可彎曲，對(duì)被測(cè)信號(hào)光路可彎曲，對(duì)被測(cè)信號(hào)遠(yuǎn)距離遠(yuǎn)距離監(jiān)控。監(jiān)控。 非侵入性。非侵入性。 高靈敏度。高靈敏度。電絕緣電絕緣性能

9、好（不可能產(chǎn)生靜電火花）性能好（不可能產(chǎn)生靜電火花）抗抗電磁干擾電磁干擾能力強(qiáng)：能力強(qiáng)：輻射干擾輻射干擾Electromagnetic Interference （EMI）傳導(dǎo)干擾傳導(dǎo)干擾天電噪聲天電噪聲宇宙射線宇宙射線人為的干擾源人為的干擾源 EMI是干擾電纜信號(hào)并降低信號(hào)完好性的是干擾電纜信號(hào)并降低信號(hào)完好性的電子噪音，電子噪音，EMI通常由電磁輻射發(fā)生源如通常由電磁輻射發(fā)生源如馬達(dá)和機(jī)器產(chǎn)生。馬達(dá)和機(jī)器產(chǎn)生。 在高速在高速PCB及系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，高頻信號(hào)線、及系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，高頻信號(hào)線、集成電路的引腳、各類接插件等都可能成集成電路的引腳、各類接插件等都可能成為具有天線特性的輻射干擾源，能發(fā)射電為

10、具有天線特性的輻射干擾源，能發(fā)射電磁波并影響其他系統(tǒng)或本系統(tǒng)內(nèi)其他子系磁波并影響其他系統(tǒng)或本系統(tǒng)內(nèi)其他子系統(tǒng)的正常工作。統(tǒng)的正常工作。包括從干擾信號(hào)的頻率范圍來分，可以把干擾從干擾信號(hào)的頻率范圍來分，可以把干擾源分為源分為工頻干擾源（工頻干擾源（50Hz及其諧波）及其諧波）低頻干擾源（低頻干擾源（30Hz以下）以下）射頻及視頻干擾源（射頻及視頻干擾源（300kHz以上）以上）微波干擾源（微波干擾源（300MHz100GHz）雖然光和電都屬于電磁波，但頻率范雖然光和電都屬于電磁波，但頻率范圍相差很大。一般微波干擾頻率在吉圍相差很大。一般微波干擾頻率在吉赫赫10GHz ，光纖工作頻率在，光纖工作頻

11、率在 200THz 100 THz10 THz1 THz100 G Hz10 G Hz1 G Hz100 MHz10 MHz1 MHz1 m可見光線10 m100 m1 mm10 mm100 mm1 m10 m100 m中波 (MF)短波 (HF)米波 (V HF)分米波 (UHF)厘米波 (SHF)毫米波 (EHF)亞毫米波遠(yuǎn)紅外線近紅外線(光纖通信用）頻率波長(zhǎng)名稱紫外線光路可彎曲，對(duì)被測(cè)信號(hào)光路可彎曲，對(duì)被測(cè)信號(hào)遠(yuǎn)距離遠(yuǎn)距離監(jiān)控：監(jiān)控：泄漏小，泄漏小， 信息的保密性能好信息的保密性能好 光纖傳輸光泄漏非常微弱，彎曲地段無法竊聽沒有專用的特殊工具，光纖不能分接，信息在光纖中傳輸非常安全。？（

12、1）從光纖中折射出來的光線被設(shè)備中的光學(xué)檢測(cè)設(shè)備拾?。?）然后發(fā)送給光電轉(zhuǎn)換設(shè)備（3）光電轉(zhuǎn)換裝置將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后通過以太網(wǎng)線將數(shù)據(jù)傳送到黑客的筆記本電腦上。黑客在筆記本電腦上運(yùn)行某種sniffer軟件，可以觀察到目標(biāo)光纖網(wǎng)絡(luò)中傳遞的各種數(shù)據(jù)。 光纖的結(jié)構(gòu) 光纖呈圓柱形，它由纖芯和包層光纖呈圓柱形，它由纖芯和包層兩個(gè)同心圓柱的雙層結(jié)構(gòu)組成。兩個(gè)同心圓柱的雙層結(jié)構(gòu)組成。2R2rn2n1nn2n1纖芯包層光纖結(jié)構(gòu)光纖結(jié)構(gòu) 纖芯 core：折射率較高，用來傳送光； 包層 coating：折射率較低，與纖芯一起形成全反射條件； 保護(hù)套 jacket：強(qiáng)度大，能承受較大沖擊，保護(hù)光纖。纖芯纖芯

13、包層包層保護(hù)套保護(hù)套光纖的尺寸 外徑一般為外徑一般為125um(一根頭發(fā)平均一根頭發(fā)平均100um) 內(nèi)徑：?jiǎn)文?nèi)徑：?jiǎn)文?um 多模多模50/62.5um12595012562.5125光纖的分類 按材料分類： 石英光纖：纖芯與包層都是SiO2，損耗小，傳輸距離長(zhǎng)，成本高； 聚合物光纖（塑料光纖）：纖芯與包層都是塑料，損耗大，傳輸距離很短，價(jià)格很低。多用于家電、音響，以及短距的圖像傳輸。光纖的分類 按照光纖的模式分類單模（Single-Mode）多模（Multi-Mode） G.651：多模光纖，在光纖通信發(fā)展初期廣泛應(yīng)用于中小容量、中短距離的通信系統(tǒng)。 G.652：常規(guī)單模光纖，在波長(zhǎng)1.

14、31m色散為零，系統(tǒng)的傳輸距離只受損耗的限制。 斯乃爾定理斯乃爾定理（Snells Law） 當(dāng)光由光密物質(zhì)當(dāng)光由光密物質(zhì)(折射率大折射率大)入射至光疏物質(zhì)入射至光疏物質(zhì)時(shí)發(fā)生折射，如圖時(shí)發(fā)生折射，如圖(a)n1n2ri (a)光的折射示意圖 可見，入射角可見，入射角i增大時(shí)，折射角增大時(shí)，折射角r也隨之增大，也隨之增大， NA表示光纖的集光能力，無論光源的發(fā)射功率有多大，只要在2i張角之內(nèi)的入射光才能被光纖接收、傳播。若入射角超出這一范圍，光線會(huì)進(jìn)入包層漏光。 一般NA越大集光能力越強(qiáng)，光纖與光源間耦合會(huì)更容易。但NA越大光信號(hào)畸變?cè)酱?，要選擇適當(dāng)。 產(chǎn)品光纖不給出折射率N，只給數(shù)值孔徑NA

15、光纖的集光能力光纖的集光能力jikrABCDEFGKOOn0n2n1數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑NA光纖的傳輸特性單模光纖中損耗的功率可用損耗系數(shù)來描述，它表示單位長(zhǎng)度光纖的損耗功率。如果沿長(zhǎng)度方向的損耗是均勻的，那么在知道輸入功率Pi后，沿光纖長(zhǎng)度方向上任一點(diǎn)z處的功率Po便可用損耗系數(shù)表示)exp(0LPPi表征相對(duì)值的值，純粹的比值，只表示兩個(gè)量的相對(duì)大小關(guān)系，沒有單位 。10logoutinWdBW 表示功率絕對(duì)值的值（也可以認(rèn)為是以1mW功率為基準(zhǔn)的一個(gè)比值）。10log1mWWdBm 損耗的機(jī)理損耗的機(jī)理吸收損耗：由SiO2材料引起的固有吸收和由雜質(zhì)引起的吸收產(chǎn)生。散射損耗：由材料微觀密度不均

16、勻引起的瑞利散射和由光纖結(jié)構(gòu)缺陷(如氣泡)引起的散射產(chǎn)生的。1550 nm : 0.2 0.3dB/Km1310 nm : 0.35 0.5 dB/Km850 nm : 2.3 3.4 dB/Km光纖熔接點(diǎn)損耗：0.2dB/點(diǎn) 模間色散：只發(fā)生在多模光纖，因?yàn)椴煌Ｊ降墓庋刂煌穆窂絺鬏敗?材料色散：不同波長(zhǎng)的光行進(jìn)速度不同。 波導(dǎo)色散：發(fā)生原因是光能量在纖芯及包層中傳輸時(shí)，會(huì)以稍有不同的速度行進(jìn)。在單模光纖中，通過改變光纖內(nèi)部結(jié)構(gòu)來改變光纖的色散非常重要。光纖的傳輸特性 由于光線的基本結(jié)構(gòu)不完美，引起的光能量損失，此時(shí)光的傳輸不再具有很好的方向性。光線光線缺陷缺陷光纖的傳輸特性光源光源光源

17、的分類 非相干光源 包括白光源與發(fā)光二極管 相干光源 包括各種激光器：半導(dǎo)體激光器、氦氖激光器、固體激光器相干光源 原理能級(jí)的躍遷：原子中的電子可以通過和外界交換能量的方式發(fā)生量子（能級(jí)）躍遷，對(duì)于大量原子組成的體系來說，同時(shí)存在光的受激吸收、自發(fā)輻射和受激輻射三個(gè)狀態(tài)。受激吸收和自發(fā)輻射受激吸收和自發(fā)輻射受激吸收過程：受激吸收過程：12EEh自發(fā)輻射過程自發(fā)輻射過程12EEh激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài) E2E3E4hh基態(tài)基態(tài) E1自發(fā)幅射的光是非相干光自發(fā)幅射的光是非相干光受激輻射（受激輻射（1917年愛因斯坦提出）年愛因斯坦提出）h E1 E2hh12EEh與外來光子頻率與外來光子頻率相同、相位相同、

18、相同、相位相同、偏振方向和傳播偏振方向和傳播方向相同。方向相同。特點(diǎn)：特點(diǎn)：受激幅射中，光子成倍增長(zhǎng)，產(chǎn)生了光放大。受激幅射中，光子成倍增長(zhǎng)，產(chǎn)生了光放大。受激幅射產(chǎn)生的光子與入射光子是完全相干的；受激幅射產(chǎn)生的光子與入射光子是完全相干的；1. 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)kTEkkenE1E221NN 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)產(chǎn)生激光的必要條件：產(chǎn)生激光的必要條件：1.實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 2.具有諧振腔結(jié)構(gòu)具有諧振腔結(jié)構(gòu)2. 光學(xué)諧振腔光學(xué)諧振腔工作物質(zhì)工作物質(zhì)全反射鏡全反射鏡部分反射鏡部分反射鏡工作物質(zhì)工作物質(zhì)工作物質(zhì)工作物質(zhì)工作物質(zhì)工作物質(zhì)全反射鏡全反射鏡部分反射鏡部分反射鏡諧振腔長(zhǎng)度：諧

19、振腔長(zhǎng)度：), 3 , 2 , 1(2nnL光纖傳感常用激光器 半導(dǎo)體激光器體積小、重量輕、可靠性高、轉(zhuǎn)換效率高、功耗低、驅(qū)動(dòng)電源簡(jiǎn)單、能直接調(diào)制、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、使用安全、其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。 半導(dǎo)體激光器工作原理 半導(dǎo)體激光器是向半導(dǎo)體PN結(jié)注入電流，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生受激輻射，并利用光學(xué)諧振腔的正反饋實(shí)現(xiàn)光放大而產(chǎn)生激光。 FP諧振腔型（DH-LD） 分布反饋型（DFB） 超輻射發(fā)光二極管（SLD） 發(fā)光二極管（LED）2 n反射鏡光的振幅反射鏡L(a)初始位置光光強(qiáng)輸出OXL(b)限制層GayAl1-yAs有源層GaAs限制層GaXAl1-XAsGaAs襯底光輻射金屬接觸限制

20、層GayAl1-yAs有源層GaAs限制層GaXAl1-XAsGaAs襯底光輻射金屬接觸PGa1xAlxAsPGaAsNGa1yAlyAs復(fù)合空穴異質(zhì)勢(shì)壘E能量(a)(b)(c)n折射率5%(d)P光電子FP諧振腔型LDDFB激光器由有源層發(fā)射的光，從一個(gè)方向向另一個(gè)方向傳播時(shí)，一部分在光柵波紋峰反射(如光線a)， 另一部分繼續(xù)向前傳播，在鄰近的光柵波紋峰反射(如光線b)。如果光線a和b匹配，相互疊加，則產(chǎn)生更強(qiáng)的反饋，而其他波長(zhǎng)的光將相互抵消。只有符合反射條件的光會(huì)得到強(qiáng)烈反射經(jīng)歷放大過程DFB激光器與FP激光器相比， 具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1. 單縱模激光器 FP激光器諧振腔的長(zhǎng)度較長(zhǎng)，頻率間隔

21、小選頻困難；DFB激光器的光柵周期相當(dāng)于微型諧振腔，長(zhǎng)度很小，因此頻率間隔大，易于選頻，形成單頻振蕩。2. 波長(zhǎng)穩(wěn)定性好由于光柵的作用有助于使發(fā)射波長(zhǎng)鎖定在諧振波長(zhǎng)上，因而波長(zhǎng)的穩(wěn)定性得以改善DFB激光器照片發(fā)光二極管(LED) 發(fā)光二極管(LED)的工作原理與激光器(LD)有所不同， LD發(fā)射的是受激輻射光，LED發(fā)射的是自發(fā)輻射光。LED的結(jié)構(gòu)和LD相似，大多是采用雙異質(zhì)結(jié)(DH)芯片，把有源層夾在P型和N型限制層中間，不同的是LED不需要光學(xué)諧振腔， 沒有閾值。 激光器相比，發(fā)光二極管輸出光功率較小，譜線寬度較寬，調(diào)制頻率較低。但發(fā)光二極管性能穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)，輸出光功率線性范圍寬， 而且制

22、造工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉。1300波長(zhǎng) / nm70 nm相對(duì)光強(qiáng)超輻射發(fā)光二極管(SLD) SLD光源是在激光二極管(LD)的基礎(chǔ)上改造而成，通過對(duì)SLD施加較大的驅(qū)動(dòng)電流，在雙異質(zhì)結(jié)處產(chǎn)生較強(qiáng)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，從而提高自發(fā)輻射光子的單程增益，因此,即便由于抑制激光效應(yīng)而減少了光子在腔內(nèi)的反饋次數(shù),但SLD仍然具有相對(duì)較高的輸出功率。 主要應(yīng)用于光纖陀螺 光纖陀螺是一種輕便的由固體元件組成的全固態(tài)器件，作為新一代角速度敏感器件。 薩納克效應(yīng)是相對(duì)慣性空間轉(zhuǎn)動(dòng)的閉環(huán)光路中所傳播光的一種普遍的相關(guān)效應(yīng)，即在同一閉合光路中從同一光源發(fā)出的兩束特征相等的光，以相反的方向進(jìn)行傳播，最后匯合到同一探測(cè)點(diǎn)。 若繞

23、垂直于閉合光路所在平面的軸線，相對(duì)慣性空間存在著轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，則正、反方向傳播的光束走過的光程不同，就產(chǎn)生光程差，其光程差與旋轉(zhuǎn)的角速度成正比。因而只要知道了光程差及與之相應(yīng)的相位差的信息，即可得到旋轉(zhuǎn)角速度。 系統(tǒng)靜止系統(tǒng)靜止 系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn) 如何檢測(cè)相位差？如何檢測(cè)相位差？ 利用光的干涉：振動(dòng)頻利用光的干涉：振動(dòng)頻 率相同、方向相同、相率相同、方向相同、相位差恒定位差恒定 )cos1 (0sII 通過檢測(cè)光強(qiáng)來檢測(cè)相位差，通過檢測(cè)光強(qiáng)來檢測(cè)相位差，進(jìn)而檢測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)角速率。進(jìn)而檢測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)角速率。光纖陀螺的優(yōu)點(diǎn)與機(jī)電陀螺或激光陀螺相比，光纖陀螺具有如下特點(diǎn)：(1) 較強(qiáng)的抗沖擊和抗加速運(yùn)動(dòng)的能力;(

24、2) 檢測(cè)靈敏度和分辨率高精度;(3) 較長(zhǎng)的使用壽命；(4) 可以實(shí)現(xiàn)不同的精度，并具有較寬的動(dòng)態(tài)范圍;(5) 瞬間啟動(dòng)，無需預(yù)熱;(6) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低，體積小、重量輕 光纖陀螺的發(fā)展現(xiàn)狀光纖陀螺的發(fā)展現(xiàn)狀美國在光纖陀螺的研究方面一直保持領(lǐng)先地位。目前美國國內(nèi)已經(jīng)有多種型號(hào)的光纖陀螺投入使用。日本緊隨美國之后，在中低精度陀螺實(shí)用化方面走在了世界前列。許多公司都開始批量生產(chǎn)多種中低精度的光纖陀螺。 我國光纖陀螺的研究相對(duì)起步較晚，但是在廣大科研工作者的努力下，已經(jīng)逐步拉近了與發(fā)達(dá)國家間的差距。光纖陀螺的發(fā)展現(xiàn)狀光纖陀螺的發(fā)展現(xiàn)狀級(jí)別零偏穩(wěn)定性(度/小時(shí))標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性速率級(jí)1010000.

25、11%戰(zhàn)術(shù)級(jí)0.110101000 ppm慣性級(jí)0.015 ppm戰(zhàn)略級(jí)0.0011 ppm光纖陀螺應(yīng)用級(jí)別劃分光纖陀螺應(yīng)用級(jí)別劃分戰(zhàn)術(shù)級(jí)戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈 近程/中程導(dǎo)彈裝甲車和坦克制導(dǎo)魚雷慣性級(jí)、戰(zhàn)略級(jí)光纖陀螺主要是用于空間定位和潛艇導(dǎo)航，其開發(fā)和研制正逐步走向成熟，美國有關(guān)公司和研究機(jī)構(gòu)是研制、生產(chǎn)該級(jí)別光纖陀螺的佼佼者，如Honeywell、Northrop等公司。激光器的應(yīng)用 激光，作為一種新類型的光登上舞臺(tái)，帶來光學(xué)應(yīng)用技術(shù)的革命，已在生產(chǎn)、生活、國防的各個(gè)方面都有著應(yīng)用，幾乎成為所有現(xiàn)代技術(shù)依賴的手段。在此不可能加以詳述，僅就一些常見的應(yīng)用作簡(jiǎn)要介紹。氣態(tài)原子、分子處在永不停息的運(yùn)動(dòng)中（速

26、度接近340m/s），且不斷與其它原子、分子碰撞，要“捕獲”操縱它們十分不易。1997年華裔科學(xué)家、美國斯坦福大學(xué)朱棣文等人，首次采用激光束將原子束冷卻到極低溫度，使其速度比通常作熱運(yùn)動(dòng)時(shí)降低，達(dá)到“捕獲”操縱的目的。 具體作法是，用六路兩兩成對(duì)的正交激光束，沿三個(gè)相互垂直的方向射向同一點(diǎn)，光束始終將原子推向這點(diǎn)，于是約106個(gè)原子形成的小區(qū)，其溫度在240K以下。這樣使原子的速度減至10m/s量級(jí)。后來又制成抗重力的光-磁陷阱，使原子在約1s內(nèi)從控制區(qū)墜落后被捕獲。 利用激光的高亮度和極好的方向性，做成激光測(cè)距儀、激光雷達(dá)和激光準(zhǔn)直儀。 激光制導(dǎo)的導(dǎo)彈，頭部有四個(gè)排成十字形的激光接收器（四象

27、限探測(cè)儀）。如果四個(gè)接收器收到的激光一樣多，就按原來方向飛行，如果有一個(gè)接收器接收的激光少了，它就自動(dòng)調(diào)整方向。另一類可用激光束照射要打擊的目標(biāo)，經(jīng)目標(biāo)反射的激光被導(dǎo)彈上的接收器收到，引導(dǎo)導(dǎo)彈擊中目標(biāo)。 3. 全息技術(shù)是1948年英國科學(xué)家蓋伯提出的一種新的成像原理，“全息”一詞引處希臘語，是“完全”的意思。但由于當(dāng)時(shí)沒有好的相干光源，因而無法獲得好的相干像片。激光的出現(xiàn)，使全息術(shù)飛速發(fā)展成為一個(gè)新領(lǐng)域，蓋伯因此獲1971年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 普通照像是把從物體表面發(fā)出的光經(jīng)過透鏡，在感光底片上記錄下物體的光強(qiáng)分布，再翻印到相紙上，呈現(xiàn)出物體的平面圖像。普通照像只記錄了物體表面的光強(qiáng)分布，沒有記

28、錄到物體各部分到觀察者的遠(yuǎn)近和角度，即沒記錄下物體發(fā)出光線的相位分布，這樣的像沒有立體感。 全息照像是用相干光照射物體，從物體反射或漫射的光不是用透鏡成像而是直接照射到全息底片上，用干涉現(xiàn)象把那些光的光強(qiáng)分布和相位記錄下來。底片上沒有被拍物體的形象，在顯微鏡下可看到的是一幅長(zhǎng)短不一、間距不等、走向不同的復(fù)雜干涉條紋，稱為全息圖。 4. 光刻技術(shù)：如光刻集成電路、光盤。光盤的外形光刻技術(shù)：如光刻集成電路、光盤。光盤的外形有點(diǎn)像唱片，寫入讀出的原理也和機(jī)械唱片差不多，有點(diǎn)像唱片，寫入讀出的原理也和機(jī)械唱片差不多，只是用激光束來代替唱針，因?yàn)榧す獾南喔尚院芎茫皇怯眉す馐鴣泶娉?，因?yàn)榧す獾南喔尚?/p>

29、很好，用聚光系統(tǒng)可以把激光聚焦成比針頭還細(xì)小的光束，用聚光系統(tǒng)可以把激光聚焦成比針頭還細(xì)小的光束，所以它在介質(zhì)上寫入信息所占空間尺寸可以非常小所以它在介質(zhì)上寫入信息所占空間尺寸可以非常小（小于（小于1nm）因而信息存儲(chǔ)密度很大。）因而信息存儲(chǔ)密度很大。CD唱片是用唱片是用聲音調(diào)制了的激光束刻制光盤，由于在讀寫光盤時(shí)光聲音調(diào)制了的激光束刻制光盤，由于在讀寫光盤時(shí)光點(diǎn)與光盤無機(jī)械接觸，就不存在由摩擦引起的雜音，點(diǎn)與光盤無機(jī)械接觸，就不存在由摩擦引起的雜音，同時(shí)也無磨損，因而光盤音質(zhì)佳、壽命長(zhǎng)。同時(shí)也無磨損，因而光盤音質(zhì)佳、壽命長(zhǎng)。 5.生物應(yīng)用：生物育種上可以采用“誘發(fā)育種”方法培育良種，誘發(fā)育種也有化學(xué)誘變、核輻射誘變、光誘變等，激光照射屬光誘變。生物組織吸收激光能量后，將會(huì)使生物體發(fā)生光