光電子技術(shù)應(yīng)用1課件

光電子技術(shù)應(yīng)用(激光、光纖傳感技術(shù)及應(yīng)用)孫利群精密測(cè)試技術(shù)及儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室精密儀器與機(jī)械學(xué)系光電工程研究所1主要內(nèi)容一、引言二、激光傳感技術(shù)及應(yīng)用激光原理及特點(diǎn)、激光干涉儀激光測(cè)距、激光陀螺三、光纖傳感技術(shù)及應(yīng)用光纖與光纖傳感、光纖干涉儀光纖微位移測(cè)量、光纖陀螺2一、引言

20世紀(jì)激光、光纖、全息、光存儲(chǔ)、光記錄、光顯示等的發(fā)明，給我們帶來(lái)光通信、因特網(wǎng)、光盤(pán)等技術(shù)，使我們?cè)?1世紀(jì)邁向光子時(shí)代。如果沒(méi)有20世紀(jì)光學(xué)的巨大進(jìn)步，也就沒(méi)有今天信息社會(huì)的到來(lái)。320世紀(jì)，不能想象沒(méi)有光學(xué)如果20世紀(jì)沒(méi)有光學(xué)的迅猛發(fā)展，即

沒(méi)有20世紀(jì)初光的本性的認(rèn)識(shí)促進(jìn)了相對(duì)論和量子力學(xué)理論的形成沒(méi)有60年代激光的發(fā)明沒(méi)有80年代光通信的出現(xiàn)沒(méi)有90年代大存儲(chǔ)量的光盤(pán)的發(fā)展也就不可能有今天的互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，人類(lèi)也不可能進(jìn)入21世紀(jì)的信息社會(huì)。5“信息時(shí)代”光子科技先進(jìn)激光器及光子學(xué)基礎(chǔ)材料與器件光傳感微光學(xué)器件與系統(tǒng)信息時(shí)代的技術(shù)基礎(chǔ)－光子科技光傳輸光處理光存儲(chǔ)光顯示6二、激光傳感技術(shù)及應(yīng)用

(一)激光工作原理及特點(diǎn)激光工作原理光源的最基本發(fā)光單元是分子、原子

=(E2-E1)/hE1E2能級(jí)躍遷輻射波列波列長(zhǎng)L=c光源的發(fā)光特性71.普通光源：自發(fā)輻射獨(dú)立(不同原子發(fā)的光)··獨(dú)立(同一原子先后發(fā)的光)

2.激光光源：受激輻射

=(E2-E1)/hE1E2完全一樣(頻率,位相,振動(dòng)方向,傳播方向)8激光的基本物理性質(zhì)激光的方向性激光的高亮度激光的單色性激光的相干性10球面曲率半徑測(cè)量等傾條紋等厚條紋12地—月距離測(cè)量14空載激光攔截機(jī)概念圖利用機(jī)上9個(gè)紅外搜索與跟蹤傳感器(IRST)探測(cè)360度視場(chǎng)內(nèi)的彈道導(dǎo)彈尾焰信號(hào)粗略標(biāo)定位置后，旋轉(zhuǎn)炮塔對(duì)準(zhǔn)彈體，利用炮塔上視覺(jué)較窄的紅外探測(cè)器追蹤，打開(kāi)激光照明器照亮彈體高分辨率成像器成像，標(biāo)定導(dǎo)彈頭錐，信標(biāo)激光光束瞄準(zhǔn)，波前傳感器探測(cè)波前畸變控制變形鏡，隨后激勵(lì)高能氧碘激光器光束通過(guò)大氣聚焦導(dǎo)彈燃料箱，數(shù)秒摧毀目標(biāo)。15(四)激光陀螺——角速度傳感器

1、光學(xué)陀螺的工作原理（Sagnac效應(yīng)）圖1Sagnac原理圖在圓形環(huán)路（周長(zhǎng)）中

光程差（或時(shí)間差）

因有時(shí)間差16在光學(xué)諧振型陀螺中，與相應(yīng)的非互易相移（頻率差）為：

（2）

由于環(huán)路面積，則亦即有光程差：在光學(xué)干涉型陀螺中，與相應(yīng)的非互易相移（相位差）為：（1）

即順時(shí)針行波和逆時(shí)針行波的頻率差172、光學(xué)陀螺的優(yōu)勢(shì)1)

性能穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，不受載體運(yùn)動(dòng)加速度的影響；2)

測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍（比機(jī)械陀螺儀）寬；3)標(biāo)定因數(shù)線性度和穩(wěn)定性高；4)輸出信號(hào)數(shù)字化，與計(jì)算機(jī)結(jié)合方便；5)無(wú)高速轉(zhuǎn)動(dòng)部件，可直接附著于運(yùn)動(dòng)載體上。18氣體激光陀螺環(huán)型諧振腔合光棱鏡20激光陀螺的優(yōu)點(diǎn)1）精度高(零漂穩(wěn)定性優(yōu)于0.001o/hr)；2）單軸靈敏度高；3）可靠性好(無(wú)故障時(shí)間大于1萬(wàn)小時(shí))；4）不需要恒溫（有腔長(zhǎng)控制系統(tǒng)）；5）動(dòng)態(tài)環(huán)境造成的誤差極?。?）輸入軸對(duì)準(zhǔn)穩(wěn)定性極高；7）成本低（相對(duì)于同樣精度的機(jī)電陀螺）21LD泵浦的激光陀螺的方案

LD—激光二極管C—制冷器P1、P2—整形棱鏡L1—擴(kuò)束鏡

L2—聚焦透鏡M1、M2—球面鏡反射鏡M3—平面反射鏡O—光學(xué)延時(shí)器BS—分束片G—增益介質(zhì)(Nd:YVO4晶體)D—光電探測(cè)器E1—LD驅(qū)動(dòng)電路E2—制冷器電路LD

L1

M3P1

P2

M1

L2

M2ODBSC

E2

E1G23LD泵浦的激光陀螺的響應(yīng)特性L=30cmA=43.3cm2波長(zhǎng)λ=1.064μm(1)標(biāo)度因數(shù)(2)靈敏度

(3)陀螺的精度極限(4)

陀螺的動(dòng)態(tài)范圍

24固體激光陀螺的合光的干涉條紋

泵浦功率：0.6

W

1W26拍頻實(shí)驗(yàn)結(jié)果27三、光纖傳感技術(shù)及應(yīng)用(一)光纖與光纖傳感光纖——光導(dǎo)纖維281、光纖傳感302、光纖傳感器的分類(lèi)傳感（功能）型：傳+感——信息的獲取和傳輸都在光纖中傳光型：傳而不感——利用其他敏感元件測(cè)得物理量，由光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸1)光強(qiáng)調(diào)制2)相位調(diào)制3)偏振態(tài)調(diào)制4)波長(zhǎng)調(diào)制313、光纖傳感器的特點(diǎn)1）抗電磁干擾，電絕緣、耐腐蝕、本質(zhì)安全2）靈敏度高3）重量輕、體積小、外形可變4）測(cè)量對(duì)象廣泛5）對(duì)被測(cè)介質(zhì)影響?。▽?duì)于醫(yī)藥生物領(lǐng)域應(yīng)用廣泛）6）便于復(fù)用，便于成網(wǎng)7）成本低324、光纖傳感器的使用場(chǎng)合廣泛而不受限制各種大型電機(jī)、石油化工、冶金高壓、強(qiáng)電磁干擾等環(huán)境中特別是對(duì)深水、高溫、有害氣體、核輻射易燃、易爆、強(qiáng)腐蝕等人類(lèi)難以長(zhǎng)期接觸的各種特殊工作環(huán)境中。如軋鋼生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行在線測(cè)量和控制；煉油廠內(nèi)遍布光纖光纜，構(gòu)成廠區(qū)的局部監(jiān)控、信息系統(tǒng)。33(二)光纖干涉儀Mach-Zehnder干涉儀34Michelson干涉儀35（三）光纖微位移測(cè)量36磁光式光纖安培計(jì)3738光纖探頭39Sagnac

干涉儀（四）

光纖陀螺40干涉型光纖陀螺集成光學(xué)型分立光學(xué)元件型41多功能集成光學(xué)波導(dǎo)芯片42諧振型光纖陀螺43開(kāi)環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)44閉環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)45光纖陀螺儀表頭46應(yīng)用光纖傳感器對(duì)