光電檢測(cè)系統(tǒng)：2-光電檢測(cè)系統(tǒng)基礎(chǔ)

第二章

光電檢測(cè)系統(tǒng)基礎(chǔ)1§2.1光的性質(zhì)及其描述一、光具有波粒二象性光的經(jīng)典本質(zhì)是光頻電磁波光是一種電磁波，即光頻范圍內(nèi)的電磁——光的電磁理論。光的量子本質(zhì)是光子流1900年普朗克在研究黑體輻射時(shí)，提出輻射的量子論1905年，愛因斯坦在解釋光電發(fā)射現(xiàn)象時(shí)提出光量子的概念光子的能量與光的頻率成正比2101410121010108106104102110-210-410-610-810-10/mm聲頻電磁振蕩無線電波毫米波紅外光紫外光X射線射線宇宙射線/nm1106410461031.510377062259757749245539030020010極遠(yuǎn)遠(yuǎn)中近

紅

橙黃

綠

藍(lán)紫

近遠(yuǎn)極遠(yuǎn)可見光電磁波譜圖3均勻介質(zhì)中的平面波和球面波

波動(dòng)方程：

平面波：

球面波：

參量：振幅、頻率、相位

–在光電傳感中有何意義？二、光的經(jīng)典本質(zhì)是光頻電磁波4光波的偏振特性

光波是橫波，即表明E在傳播過程中始終位于垂直于傳播方向的橫截面內(nèi)。在這個(gè)橫截面內(nèi)，電場(chǎng)矢量的取向性就是所謂波的偏振性。光的偏振特性通光方向51.線偏振光E播傳方向振動(dòng)面·面對(duì)光的傳播方向看線偏振光可沿兩個(gè)相互垂直的方向分解EEyEx

yx·····光振動(dòng)垂直板面光振動(dòng)平行板面線偏振光的表示法：62.自然光沒有優(yōu)勢(shì)方向自然光的分解一束自然光可分解為兩束振動(dòng)方向相互垂直的、等幅的、不相干的線偏振光。自然光的表示法：···E在橫截面中的方向隨機(jī)變化，或者說在360度范圍內(nèi)等幾率分布。73.部分偏振光部分偏振光的分解部分偏振光部分偏振光可分解為兩束振動(dòng)方向相互垂直的、不等幅的、不相干的線偏振光。部分偏振光的表示法：······平行板面的光振動(dòng)較強(qiáng)垂直板面的光振動(dòng)較強(qiáng)··8右旋圓偏振光右旋橢圓偏振光y

yx

z傳播方向

/2x某時(shí)刻右旋圓偏振光E隨z的變化E

04.圓偏振光、橢圓偏振光95.起偏和檢偏起偏的原理：利用某種光學(xué)的不對(duì)稱性偏振片起偏：從自然光或部分偏振光獲得偏振光起偏器:起偏的光學(xué)器件偏振片起偏自然光I0線偏振光IP偏振化方向(透振方向)···10馬呂斯定律—檢偏I(xiàn)0IPPE0E=E0cos馬呂斯定律（1809）——消光11檢偏用偏振器件分析、檢驗(yàn)光的偏振態(tài)I?P待檢光思考：

I不變？是什么光

I變，有消光？是什么光

I變，無消光？是什么光–在光電傳感中有何意義？126.人工雙折射人為地造成各向異性，而產(chǎn)生雙折射。

光彈效應(yīng)(應(yīng)力雙折射效應(yīng))P1P2··dFSF干涉有機(jī)玻璃C應(yīng)力→各向異性→n各向不同。在一定應(yīng)力范圍內(nèi)：13不同→不同→出現(xiàn)干涉條紋；變→變→干涉情況變。電光效應(yīng)電光效應(yīng)也叫電致雙折射效應(yīng)克爾效應(yīng)(1875年)泡克爾斯效應(yīng)(1893年)14泡克爾斯效應(yīng)(1893年)電光晶體+。。-P1P2KK泡克爾斯盒··泡克爾斯效應(yīng)引起的相位差：——線性電光效應(yīng)no—o光在晶體中的折射率；V

—電壓；r

—電光系數(shù)。157.旋光現(xiàn)象物質(zhì)的旋光性使線偏振光的振動(dòng)面發(fā)生旋轉(zhuǎn)

旋光物質(zhì)a—旋光率旋轉(zhuǎn)的角度：d磁致旋光d磁致旋光物質(zhì)B16旋轉(zhuǎn)的角度

V─費(fèi)德爾常量，

旋光物質(zhì)d17光源的發(fā)光特性光源的最基本發(fā)光單元是分子、原子。

=(E2-E1)/hE1E2能級(jí)躍遷輻射波列波列長L=c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)三、光的相干性

18激光光源：受激輻射

=(E2-E1)/hE1E2完全一樣(頻率,相位,振動(dòng)方向,傳播方向)光的相干性

兩列光波的疊加p···12r1r2P:12E0E10E2019非相干光源I=I1

+I2—非相干疊加

完全相干光源

▲相長干涉（明）

(k=0,1,2,3…)▲相消干涉（暗）

(k=0,1,2,3…)條紋襯比度（對(duì)比度，反襯度）20Io2-24-44I1普通光源獲得相干光的途徑pS

*分波面法分振幅法·p薄膜S*襯比度差(V<1)襯比度好(V=1)振幅比決定襯比度的因素：光源的寬度光源的單色性IImaxImino2-24-421光波干涉是光電傳感、光電檢測(cè)的重要基礎(chǔ)。單色波是相干波。實(shí)際的光源所發(fā)出的光波都是復(fù)色波，所謂光的相干性就是討論復(fù)色波相干的條件。光的相干性通常分為時(shí)間相干性和空間相干性。時(shí)間相干性是指在空間同一點(diǎn)上，兩個(gè)不同時(shí)刻光波場(chǎng)之間的相干性?？臻g相干性是指在同一時(shí)刻，垂直于光傳播方向上的兩個(gè)不同空間點(diǎn)上光波場(chǎng)之間的相干性。221.光的非單色性

理想的單色光、

準(zhǔn)單色光、譜線寬度

準(zhǔn)單色光：在某個(gè)中心波長（頻率）附近有一定波長（頻率）范圍的光。

譜線寬度：0oII0I0/2譜線寬度

時(shí)間相干性—相干時(shí)間、相干長度232.相干長度

兩列波能發(fā)生干涉的最大光程差：中心波長SS1S2c1c2b1b2a1a2

·pS1S2Sc1c2b1b2a1a2p·注:等代表波列只有同一波列分成的兩部分經(jīng)不同的光程再相遇時(shí)才能發(fā)生干涉。波列長度就是相干長度

時(shí)間相干性—相干時(shí)間、相干長度24光通過相干長度所需要的時(shí)間3.相干時(shí)間光的時(shí)間相干性由光源線寬或單色性決定25

時(shí)間相干性—相干時(shí)間、相干長度M2M1GG12光源反射鏡

1反射鏡2半透明鍍銀層邁克耳遜干涉儀可測(cè)量相干長度26邁克耳遜干涉儀M2M1M2GG12光源反射鏡

1反射鏡2半透明鍍銀層反射鏡2位置移動(dòng)，將發(fā)生條紋變化。微小位移測(cè)量測(cè)折射率27光源電路系統(tǒng)計(jì)算機(jī)探測(cè)器光纖耦合器樣品光纖聚焦器反射鏡光纖化的邁克耳遜干涉儀思考題：這樣的傳感系統(tǒng)可以對(duì)那些物理量傳感？28空間相干性空間相干性—相干面積由光源線度、光波長、研究距離決定相遇區(qū)觀察屏P楊氏雙縫干涉儀29設(shè)光源線度為bBDI相干疊加+1L0N0M0Lb/2d/2LMNS1S2xI合成光強(qiáng)0Nx+1L0M0L-1N=Dλ/d空間相干性30強(qiáng)度分布確定相干光束計(jì)算光程差根據(jù)相長與相消條件確定坐標(biāo)步驟I02-24-4k012-1-24I0x0x1x2x

-2x

-1sin0(/d)-(/d)-2(/d)2(/d)31o觀察屏P>>裝置1兩光線光程差因?yàn)閮晒饩€幾乎平行所以角較小32亮紋所在的位置坐標(biāo)暗紋所在的位置坐標(biāo)所以雙縫干涉花樣是一組等間距直條紋亮紋暗紋相鄰兩紋或相鄰暗紋間距相等，均等于：33四、光的吸收和散射1.一般吸收和選擇吸收一般吸收

選擇吸收

吸收很少，且在某一給定波段內(nèi)幾乎不變。

吸收率隨波長而劇烈地變化，即具有光譜選擇性。材料的組分測(cè)試，物質(zhì)含量測(cè)定。

光譜吸收型的CO光纖傳感器。

342.散射

當(dāng)光束通過光學(xué)性質(zhì)不均勻的物質(zhì)時(shí)，從側(cè)向可以看到光，這種使入射光重新產(chǎn)生空間分布的現(xiàn)象稱為散射。光散射分為兩大類：彈性光散射和非彈性光散射。當(dāng)散射光頻率與入射光頻率相同時(shí)，稱為彈性光散射，也稱瑞利散射；當(dāng)散射光頻率與入射光頻率不同時(shí)，稱為非彈性光散射。35

光纖中的散射光譜光時(shí)域反射計(jì)（OTDR）：測(cè)光纖損耗、分布式傳感BOTDR：分布式溫度、應(yīng)變傳感ROTDR：分布式溫度傳感COTDR：提高動(dòng)態(tài)范圍POTDR：壓力、溫度、振動(dòng)擾動(dòng)的分布式傳感?-OTDR：振動(dòng)擾動(dòng)分布式傳感36Systemcanbeope