常用信息檢測系統(tǒng)

第五章常用信息檢測系統(tǒng)

5.1光電直接探測系統(tǒng)一、光電直接探測系統(tǒng)的基本工作原理平均光功率為二、光電直接探測系統(tǒng)的特性參數(shù)1．直接探測系統(tǒng)的靈敏度(1)模擬系統(tǒng)靈敏度模擬系統(tǒng)的靈敏度可用信噪比的值來評價系統(tǒng)性能。如果光探測器的入射光功率中包含信號光功率(Ps)和噪聲功率(Pn)，則光探測器輸出電功率為輸出信噪比等于輸入信噪比的平方，輸出倍噪比更低，沒有實用意義。輸出信噪比等于輸入信噪比一半。(2)數(shù)字系統(tǒng)靈敏度數(shù)字系統(tǒng)靈敏度一般用誤碼率評價它的性能。誤碼率只要知道信噪比

的值，就可由誤差函數(shù)中得知誤碼率的值。(2)直接探測系統(tǒng)的極限靈敏度①光伏型及光發(fā)射器件的極限靈敏度稱為直接探測系統(tǒng)的極限靈敏度，也稱量子限靈敏度。光學系統(tǒng)接收到的光功率Pdm。有時，又把最小可探測功率Pmin稱為靈敏度。②光導(dǎo)探測器直接探測系統(tǒng)的靈敏度光導(dǎo)探測器的主要噪聲為復(fù)合噪聲，它是一種散粒噪聲，它和偏置電流成比例，因而它的靈敏度與具體使用條件有關(guān)。但可以肯定，光導(dǎo)探測器的極限靈敏度比光伏器件及光電倍增管的極限靈敏度要低，所需理想的最小可探測功率大。2．直接探測系統(tǒng)的視場角視場角亦是直接探測系統(tǒng)的性能指標之一。它表示系統(tǒng)能“觀察”到的空間范圍。半視場角視場角立體角Ω為

從觀察范圍，即從發(fā)現(xiàn)目標的觀點考慮，希望視場角愈大愈好。增大視場角Ω時，或增大探測器面積或減小光學系統(tǒng)的焦距。這兩方面對探測系統(tǒng)的影響都不利，第一，增加探測器的面積意味著增大系統(tǒng)的噪聲。因為對大多數(shù)探測器而言，其噪聲功率和面積的平方根成正比；第二，減小焦距使系統(tǒng)的相對孔徑加大，這也是不允許的。另一方面視場角加大后引入系統(tǒng)的背景輻射也增加，使系統(tǒng)靈敏度下降。3、系統(tǒng)的通頻帶寬度頻帶寬度Δf是光電探測系統(tǒng)的重要指標之一。探測系統(tǒng)要求Δf應(yīng)保存原有信號的調(diào)制信息，并使系統(tǒng)達到最大輸出功率信噪比。系統(tǒng)按傳遞信號能力，可有以下幾種方法確定系統(tǒng)頻帶寬度(1)等效矩形帶寬令I(lǐng)(ω)為信號的頻譜，則信號的能量為(2)頻譜曲線下降3dB的帶寬代入(3)包含90％能量的帶寬輸入信號為矩形波時，通過不同帶通濾波器的波形，曲線1Δf=0.25／τ0曲線2Δf=0.5／τ0曲線3Δf=0.1／τ0曲線4Δf=4／τ0三、直接探測系統(tǒng)的距離方程1．被動探測系統(tǒng)的距離方程設(shè)被測目標的光譜輻射強度為Icλ，經(jīng)大氣傳播后到達接收光學系統(tǒng)表面的光譜輻照度為式中，τ1λ為被測距離L內(nèi)的大氣光譜透過率，L為目標到光電探測系統(tǒng)的距離。入射到探測器上的光譜功率為式中，A0，τ0λ分別為接收光學系統(tǒng)的入射孔徑面積及光譜透過率。式中，Ad為探測器面積，Δf為系統(tǒng)的帶寬,D*為探測器的歸一化探測度。光電探測系統(tǒng)的距離2.主動探測距離方程主動探測系統(tǒng)的光源主要為激光光源。令其發(fā)射功率為Ps(λ)；發(fā)射束發(fā)散立體角為Ω1,發(fā)射光學系統(tǒng)透過率為τ01(λ)，經(jīng)調(diào)制的光能利用率為km。，則四、直接探測方式中常用的幾種檢測方法1.直接作用法

運用直接作用法測試的優(yōu)點是裝置簡單，價格便宜。其缺點是系統(tǒng)性能受元器件參數(shù)變化的影響，靈敏度受周圍環(huán)境及電壓波動的影響較大，因而精度和穩(wěn)定性稍差。2．差動作用法為進一步提高測量精度，希望兩光電二極管有完全一致的性能，可采用圖5—7(b)的系統(tǒng)，光源光線照在由電動機帶動的恒速旋轉(zhuǎn)的盤上，盤的半邊是反射鏡可以反射光線，另一半可以透射光線。使測量通道和參考通道的光通置交替投射到光電器件上.3．補償測量法補償法測量原理是：由待測物理量控制的光通量變化所引起的信號，可用光學或電學的補償器補償?shù)?，補償置可由與補償器連接在一起的讀數(shù)系統(tǒng)顯示出來，補償器的補償量值事先可用標準器進行精確標定。4．脈沖測量法

如果受待測物理量控制的光通量連續(xù)作用于光探測器，通過測量光探測器輸出信號來獲得被測量參數(shù)的方法通常稱為連續(xù)測量法。受被測物理量控制的光通量斷續(xù)地作用在光探測器上，光探測器輸出電脈沖，其脈沖參數(shù)(脈沖頻率、脈沖持續(xù)時間、脈沖的數(shù)目等)隨被測物理量變化，電脈沖經(jīng)過放大后由測量儀表或計數(shù)器讀出，這種方法稱為脈沖法或斷續(xù)作用五、光電直接探測典型系統(tǒng)1．莫爾條紋測長儀(1)測長原理若兩塊光柵(其中一塊稱為主光柵，另一塊叫指示光柵)互相重疊，并使它們的柵線之間形成一個較小的夾角，當光柵對之間有一相對運動時，透過光柵對看另一邊的光源，就會發(fā)現(xiàn)由一組垂直于光柵運動方向的明暗相間的條紋移動，這就形成莫爾條紋。

P

θ標尺光柵圖5-18莫爾條紋設(shè)主光柵的節(jié)距為P1，指示光柵的節(jié)距為P2，光柵A的刻線方程為，

xi=iP1指示光柵B的到線j與t軸交點的坐標為xj=jP2/cosθ莫爾條紋1是由光柵A、B各i＝j(luò)刻線的交點連接而成所以莫爾條紋的方程是莫爾條紋(i=j)的斜率為莫爾條紋1的方程可表示為同樣可求得莫爾條紋2和3的方程：由上述三方程可以得出結(jié)論；莫爾條紋是周期函數(shù)，其周期T：叫作莫爾條紋的寬度B莫爾條紋具有如下特點：

1.放大作用用B（mm）表示莫爾條紋的寬度，P(mm)表示柵距，θ(rad)為光柵線紋之間的夾角，

莫爾條紋寬度B與θ角成反比，θ越小，放大倍數(shù)越大。

2.均化誤差作用莫爾條紋是由光柵的大量刻線共同組成，例如，200條/mm的光柵，10mm寬的光柵就由2000條線紋組成，這樣?xùn)啪嘀g的固有相鄰誤差就被平均化了，消除了柵距之間不均勻造成的誤差。

3.莫爾條紋的移動與柵距的移動成比例當光柵尺移動一個柵距P時，莫爾條紋也剛好移動了一個條紋寬度B。只要通過光電元件測出莫爾條紋的數(shù)目，就可知道光柵移動了多少個柵距，工作臺移動的距離可以計算出來。(2)四倍頻細分判向原理電子細分方式用于莫爾條紋測長中有好幾種．四倍頻細分是普通應(yīng)用的一種。

(3)置零信號要知道測長的絕對數(shù)值，必須在測長的起始點給計數(shù)器以置零信號，這樣計數(shù)器最后的指示值就反映了絕對測量值。

2．光電直接探測在遙感方面的應(yīng)用

顧名思義，遙感是從遙遠的地方感知、測量并識別目標特性的一門科學技術(shù)。具體說，它是從高空(飛機或衛(wèi)星上)根據(jù)物體發(fā)射和反射電磁波的差異來探知地物(包括地表層及地層內(nèi))的結(jié)構(gòu)。遙感技術(shù)目前廣泛地用于對地形精確測繪、地球資源勘探、農(nóng)作物生長狀況監(jiān)測及軍事偵察等方面。

遙感技術(shù)是一門綜合性很強的技術(shù)，它的發(fā)展依賴于光學技術(shù)、紅外技術(shù)、激光技術(shù)、計算機技術(shù)、信息處理技術(shù)及國家工業(yè)化程度的發(fā)展。3.光電直接探測在監(jiān)測環(huán)境污染方面的應(yīng)用探測環(huán)境污染的程度已是人們十分關(guān)心的問題。對于大氣中的污染物質(zhì)．如CO、CO2,SO2等有害物質(zhì)，它們對紅外輻射都有確定的吸收波段，如表5—1所列。利用氣體分析儀可調(diào)量出它們在空氣中的濃度。C02氣體分析儀的工作原理。干涉濾光片的透過波長為4.3um4．脈沖激光測距儀距離的光電測量主要有兩種方法：脈沖法測距和相位法測距。脈沖激光測距儀在近地面使用時主要的缺點是受氣象條件的影響較大(與雷達測距相比)。兩種方法相比較，相位法測距精度更高。(1)測距原理由激光器對被測目標發(fā)射一個光脈沖，然后接收目標反射回來的光脈沖，通過測量光脈沖往返所經(jīng)過的時間來算出目標的距離。地面炮兵用脈沖激光測距儀6．光電相位測距儀(1)相位測距原理(2)相位測距儀原理儀器采用半導(dǎo)體發(fā)光管作為光源，它出射的光通量近似地與注入的驅(qū)動電流成正比。當驅(qū)動電流為某頻率的正弦電流時，發(fā)光二極管輸出光通量(光強度)也為正弦變化，其初始相位與驅(qū)動電流同相。出射光波經(jīng)發(fā)射光學系統(tǒng)準直后射向合作目標。由合作目標反射回來的光波經(jīng)接收物鏡后會聚于光電二極管上，轉(zhuǎn)換為正弦電壓信號相位計的測量信號相位相位計的基準信號相位相位計測得相位差5.2光外差探測系統(tǒng)

光外差探側(cè)在激光通信、雷達、測長、測速、測振、光譜學等方面都很有用。其探測原理與微波及無線電外差探測原理相似。光外差探測與光直接探測比較，其測量精度要高7~8個數(shù)量級。激光受大氣湍流效應(yīng)影響嚴重，破壞了激光的相干性，因而目前遠距離外差探測在大氣中應(yīng)用受到限制，但在外層空間特別是衛(wèi)星之間通信聯(lián)系已達到實用階段。一、光外差探測原理光外差探測與直接探測相比較有許多優(yōu)點，在直接探測中由于光的振動頻率高達2×1013~7.5×1014Hz，振動周期T為5×10-14~1.3×10-15s(可見光到中近紅外)，而探測器響應(yīng)時間最短10-10s,它只能響應(yīng)其平均能量或平均功率。在直接探測中，設(shè)光波動的圓頻率為ω，振幅為A，則光波f(t)寫成平均功率fs為信號光波，fL為本機振蕩(本振)光波，這兩束平面平行的相干光，經(jīng)過分光鏡和可變光闌入射到探測器表面進行混頻，形成相干光場。經(jīng)探測器變換后,輸出信號中包含fc＝fs–fL的差頻信號．故又稱相干探測.，入射到探測器上的總光場為由于光探測器的響應(yīng)與光電場的平方成正比，所以光探測器的光電流為式中：是光電變換系數(shù)，η為量子效率hυ為光子能量，ωc=ωL-ωs稱為差額。上式中第一、二項為余弦函數(shù)平方的平均值，等于1／2。第三項(和頻項)是余弦函數(shù)的平均值，應(yīng)為零。而第四項(差頻項)相對光頻而言，頻率要低得多。當差頻ωc/2π低于光探測器的截止頻率時，光探測器就有頻率為ωc/2π的光電流輸出。（見MCAD演示）外差探測不僅可探測振幅和強度調(diào)制的光信號，還可探測頻率調(diào)制及相位調(diào)制的光信號。這是外差探測的第一個優(yōu)點。二、光外差探測特性1、轉(zhuǎn)換增益光探測器輸出電流振幅為在直接探測中，輸出信號電流的振幅外差轉(zhuǎn)換增益由于在外差探測中，本機振蕩光功率PL比信號光功率大幾個數(shù)量級，所以，外差轉(zhuǎn)換增益可以高達107~108。由此看出，外差探測靈敏度比直接探測靈敏度高107~108倍。這是外差探側(cè)的第二個優(yōu)點。2．光譜濾波性能

如果取差頻信號寬度ωc/2π=ωL-ωs/2π為信息處理器的通頻帶Δf，那么只有與本機振蕩光束混頻后在此頻帶內(nèi)的雜光可以進入系統(tǒng)，其他雜光所形成的噪聲均被信號處理器濾掉。因此，外差探測系統(tǒng)中不需要加光譜濾光片，其效果甚至比加濾光片的直接探測系統(tǒng)還好得多。外差探測對背景光有強抑制作用。這是光外差探測的第三個優(yōu)點。3．外差探測信噪比如果入射到探測器上的光場不僅存在信號光波Ps，還存在背景光波Pb，輸出信噪比為說明外差探測的輸出信噪比等于信號光波和背景光波振幅的比值，輸人信噪比等于輸出信噪比，輸出信躁比沒有任何損失。這是外差探測的第四個優(yōu)點。但是，當本振光功率足夠大時，本振光產(chǎn)生的散粒噪聲遠大于其他噪聲。本振光功率繼續(xù)增大時，由本振光所產(chǎn)生的散粒噪聲隨之增大，從而使光外差探測系統(tǒng)的倍噪比降低。所以，在實際的光外差探測系統(tǒng)中要合理選擇本振光功率的大小，以便得到最佳信噪比和較大的中頻轉(zhuǎn)換增益。四、光外差探測典型系統(tǒng)1．干涉測量技術(shù)(1)激光干涉測長的基本原理(2)激光干涉測長儀的光路沒置

該光路中，使用角錐棱鏡代替了平面反射鏡作為反射器，一方面避免了反射光束反饋回激光器而對激光器帶來的不利影響，另一方面由于角錐棱鏡的特點，使得出射光束與入射光束平行，而棱鏡繞任一轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動均不影響出射光束的方向，當它繞光學中心轉(zhuǎn)動的角度不大時，它對光程的影響可以忽賂。角錐棱鏡的形狀相當于立方體切下來的一個角，它的三個內(nèi)表面作為光學反射面并相互垂直。當光從基面入射，可在三個直角面上依次反射，仍從基面出射。出射光線與入射光線總保持平行。(3)干涉信號的方向判別與計數(shù)5.3光纖傳感器檢測系統(tǒng)

光纖是20世紀后半葉的重要發(fā)明之一。它與激光器、半導(dǎo)體光電探測器一起構(gòu)成了新的光學技術(shù)，即光電子學新領(lǐng)域。光纖的最初研究是為了通訊；由于光纖具有許多新的特性，因此在其他領(lǐng)域也發(fā)展了許多新的應(yīng)用，其中之一就是構(gòu)成光纖傳感器。一、光纖的基本原理

光纖波導(dǎo)的原理光纖(fiber)—傳光的纖維波導(dǎo)或光導(dǎo)纖維的簡稱。

纖芯包層涂覆層護套光纖傳光原理

——全反射

n1>n2

入射角>θ法線n1n2θ臨界角θ＝arcsin(n2/n1)光纖傳光與數(shù)值孔徑n0200n2n1數(shù)值孔徑：n2n1多模階躍光纖nr多模梯度光纖n2n1單模梯度光纖單模光纖和多模光纖二、光纖的特性

光纖的衰減(或損耗)和色散(或帶寬)是描述光纖傳輸特性的兩個重要參量。

衰減的概念

由于損耗的存在，在光纖中傳輸?shù)墓庑盘枺还苁悄M信號還是數(shù)字脈沖，其幅度都要減小。光纖的損耗在很大程度上決定了系統(tǒng)的傳輸距離。在光纖內(nèi)傳輸?shù)墓夤β蔖隨距離z的變化，可以用下式表示式中，α是損耗(衰減)系數(shù)。設(shè)長度為L(km)的光纖，輸入光功率為Pi，輸出光功率應(yīng)為

Po=Piexp(-αL)習慣上α的單位用dB/km，損耗(衰減)系數(shù)α=

色散的概念色散(Dispersion)是在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?，由于不同成分的光的時間延遲不同而產(chǎn)生的一種物理效應(yīng)。色散一般包括模式色散、材料色散和波導(dǎo)色散。模式色散是由于不同模式的時間延遲不同而產(chǎn)生的，它取決于光纖的折射率分布，并和光纖材料折射率的波長特性有關(guān).

材料色散是由于光纖的折射率隨波長而改變，以及模式內(nèi)部不同波長成分的光(實際光源不是純單色光)，其時間延遲不同而產(chǎn)生的。這種色散取決于光纖材料折射率的波長特性和光源的譜線寬度。波導(dǎo)色散是由于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)與波長有關(guān)而產(chǎn)生的，它取決于波導(dǎo)尺寸和纖芯與包層的相對折射率差。三、光纖傳感器分類光纖傳感器按傳感原理可分為功能型和非功能型。功能型光纖傳感器是利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件，所以也稱傳感型光纖傳感器，或全光纖傳感器。非功能型光纖傳感器是利用其它敏感元件感受被測量的變化，光纖僅作為傳輸介質(zhì)，傳輸來自遠處或難以接近場所的光信號．所以也稱為傳光型傳感器．或混合型傳感器。光纖傳感器按被調(diào)制的光波參數(shù)不同可分為強度調(diào)制光纖傳感器相位調(diào)制光纖傳感器頻率調(diào)制光纖傳感器偏振調(diào)制光纖傳感器波長(顏色)調(diào)制光纖傳感器四、光調(diào)制與解調(diào)技術(shù)光調(diào)制就是將一個攜帶信息的信號疊加到載波光波上,完成這一過程的器件稱為調(diào)制器。調(diào)制器能使載波光波的參數(shù)隨外加信號變化而變化，這些參數(shù)包括光波的振幅、位相、頻率、偏振、波長等。承載信息的調(diào)制光波在光纖中傳輸，再由光探測器系統(tǒng)解調(diào)，然后檢測出所需要的信息。

1．強度調(diào)制與解調(diào)

微彎效應(yīng)光強度調(diào)制技術(shù)原理

利用光在微彎光纖中強度的衰減原理，將光纖夾在兩塊具周期性波紋的微彎析構(gòu)成的變形器中構(gòu)成調(diào)制器。從波導(dǎo)理論的觀點來看，當光纖發(fā)生彎曲時，傳輸光會有一部分泄漏到包層中去，這種泄漏是光纖內(nèi)發(fā)生模式耦合的結(jié)果，這些耦合模變?yōu)檩椛淠＃斐蓚鞑ス饽芰康膿p耗。纖芯中的光向包層逸出的原因從幾何光學來說是由于全反射條件的破壞造成的，從波導(dǎo)理論來說則是光纖的彎曲引起了各種傳導(dǎo)模式的耦合，則形成耦合模式被送入包層中去產(chǎn)生輻射模。

微彎調(diào)制示意圖定量分析微彎效應(yīng)造成的損耗可寫成如下形式

式中為齒距，為齒數(shù)目，為變形幅度，ａ為纖芯半徑，為光纖外半徑，為內(nèi)外層折射率差值。其中任何一個參數(shù)改變都會起到光強調(diào)制的作用。在實際問題里，變形器及光纖參數(shù)全部固定時，則可認為

實際測量框圖利用這種調(diào)制技術(shù)可以直接測量位移的變化量(變形器上的變形板位移的大小決定光強的衰減程度),而間接測量的量則可包括溫度，壓力，振動，應(yīng)變等。探測器脫模器脫模器脫模器的作用這里脫模器的作用是在進入探測器之前消除掉進入包層中的光以保證只有纖芯中的光才能傳到變形器和探測器。其方法是在幾厘米長的包層外邊表面上刷上黑漆，這就可以以乎完全吸收掉傳入包層中的光（或者剝?nèi)ネ獍鼘又糜谡凵渎势ヅ涞男『兄校?。其它類型被測物體移動引起光纖變形，曲率半徑隨之改變，引起輻射模。其它類型將光纖繞成多圈螺旋管狀，增加變形長度以提高靈敏度。

微彎型水聽器多模光纖繞于帶有螺紋的鋁管螺紋谷內(nèi)不會發(fā)生變形，而通過縱向槽的那部分光纖將由于外部壓力而變形，如果這種壓來來自于聲波，則可依此原理制成水聽器。脫模器ＬＡＳＥＲ探測器

光強度的外調(diào)制技術(shù)

上述微彎調(diào)制技術(shù)屬于內(nèi)調(diào)制，屬于功能性調(diào)制技術(shù)，它是利用光纖本身特性的改變來實現(xiàn)光調(diào)制的。所謂外調(diào)制技術(shù)，是指調(diào)制環(huán)節(jié)發(fā)生在光纖以前的部分，光纖本身的性質(zhì)并不改變，它只起到傳光的作用。此時的光纖分為兩部分，即輸入光纖和輸出光纖，或發(fā)送光纖和接收光纖，由于接收光強與接收光纖的端面的法向方面有關(guān)，于是接收光纖的端面可以視為接收信號。

反射型光強外調(diào)制傳感器

a、原理由輸入光纖出射的光投射到反射面上，其反射光的一部分進入輸出光纖，進入多少與反射面位置有關(guān)。輸入光纖輸出光纖反射面定量分析反射鏡面的移動方向是與光纖探頭端面垂直的，反射鏡面在其背面距離處形成輸入光纖的虛象，因此，光強調(diào)制作用是與虛光纖和輸出光纖的耦合相聯(lián)系的。設(shè)兩光纖皆為階躍折射率光纖，芯徑為，數(shù)值孔徑為，兩光纖垂直距離為ａ，并定義反射型光強外調(diào)制傳感器示意圖2ad2r輸出光纖輸入光纖的鏡像

檢測范圍則當距離時，兩光纖的耦合為零，無反射光進入輸出光纖；當時，兩光纖耦合最強，輸出光強達最大值，此時輸入光纖的像發(fā)出的光維底面積將輸出光纖端面積全部遮蓋，是一個常數(shù)，光維底面積為

因此最大檢測范圍是即檢測位移的范圍在和

之間。遮光型光強外調(diào)制技術(shù)上面所言為反射式，除此之外還有遮光式，一種辦法是將發(fā)射光纖和接收光纖對準，光強調(diào)制信號加在移動的遮光板上；另一種方法是直接移動接收光纖。這兩種方式都是使接收光纖只能收到發(fā)送光纖發(fā)出的部分光，從而實現(xiàn)光調(diào)制。遮光型光強外調(diào)制技術(shù)用這種辦法可以測量位移、壓力、溫度等物理量，這些物理量的變化都可使光強減弱由于閘式要使兩光纖距離大一些，因此光損耗較大，但它可固定兩光纖，因而使用可靠。光閘輸入光纖輸出光纖折射率光強度調(diào)制技術(shù)

（反射系數(shù)式光強調(diào)制技術(shù)）

反射系數(shù)與兩介質(zhì)的折射率有關(guān)，利用折射率的變化來改變反射系數(shù)，則可達到調(diào)制光強的目的，下圖給出了一種典型裝置：光源探測器信號處理調(diào)制器

調(diào)制部分細節(jié)全反射面調(diào)制機理由光纖左端入射的光，一部分沿光路返回到探測器。調(diào)制機理是：光纖左端有兩個反射面，其中底面的為全反射面（鍍膜而成），兩反射面搭接，斜面反射面與折射率為的介質(zhì)接觸，調(diào)節(jié)斜面反射鏡的角度使纖芯光經(jīng)反射后能垂直入射到全反射面上，則纖芯光入射到斜反射面時能夠部分地透射到的介質(zhì)中去，由費涅爾公式描述：

其中為強度反射系數(shù)，，為入射角?？梢姡艚橘|(zhì)由于壓力或溫度的變化引起微小變化，則會導(dǎo)致反射系數(shù)的變化，從而導(dǎo)致反射光強的改變，利用此原理可設(shè)計溫度或壓力傳感器。

2、偏振調(diào)制與解調(diào)許多物理效應(yīng)都會影響或改變光的偏振狀態(tài)，采用這些效應(yīng)可設(shè)計偏振調(diào)制器，下面介紹一種典型效應(yīng)。法拉弟發(fā)現(xiàn)，許多物質(zhì)在磁場的作用下可使穿過它的平面偏振光的偏振方向旋轉(zhuǎn)（在光的傳播方向上加上強磁場時）法拉弟效應(yīng)（磁致旋光效應(yīng)）Ｈd振動面旋轉(zhuǎn)的角度由經(jīng)驗公式給出：

式中為靜磁通量，為光所穿越的媒質(zhì)長度，是比例因子，稱費爾德常數(shù)，一種特定媒質(zhì)的費爾德常數(shù)隨頻率和溫度而變。實際例子對于氣體，約為，固體和液體為的量級。如對于1厘米長的樣品，高斯的磁場，，此時振動面將轉(zhuǎn)動。利用法拉第效應(yīng)測磁場

實驗裝置圖

調(diào)制電壓恒定磁場起偏器起偏器

線偏振光從左面進入晶體，橫向的直流磁場使YIG晶體在此方向上引起磁化飽和，而總的磁化強度矢量（由恒定磁場和線圈磁場所引起）可以改變方向，它對晶體軸的傾斜角度正比于線圈中的調(diào)制電流。因為法拉弟旋轉(zhuǎn)依賴于磁化強度的軸向分量，所以線圈電源控制了角，檢偏器按照馬呂定律把這一偏振調(diào)制轉(zhuǎn)換為振幅調(diào)制。也就是說，要傳遞的信息作為調(diào)制電壓加在線圈上，則出射的激光束以振幅變化的形式攜帶著信息。這樣，為了獲得更大的法拉弟效應(yīng)，可以將放在磁場中的法拉弟材料做成平行六面體，使通光面對光線方向稍偏離垂直位置，并將兩面鍍層反射膜，只留入口和出口，這樣，若光束在其間反射次后出射，則有效旋光厚度為，則偏振面的旋轉(zhuǎn)角度將提高倍。高反射膜3、相位調(diào)制與解調(diào)

一、

利用光相位調(diào)制來測量某些物理量的開發(fā)應(yīng)用已有一百多年的歷史，不過一般以空間作為干涉光路的干涉儀體積大，環(huán)境條件要求嚴格，調(diào)整也困難，因此限制了在工業(yè)中的應(yīng)用。光導(dǎo)纖維的出現(xiàn)為光學干涉儀開辟了廣闊的天地，因為用光纖代替自由空間作為干涉光路有兩個突出的優(yōu)點：一是減少了干涉儀安裝和校準的固有困難，可使儀器小型化，塊體化。二是可以用加長光纖的方法使干涉光路對環(huán)境參數(shù)的響應(yīng)靈敏度增加。調(diào)制原理光纖中傳導(dǎo)的光，其相位變化取決于處界物理量產(chǎn)生的光纖波導(dǎo)的下面三個參數(shù)的變化。①光纖物理長度的變化（軸向應(yīng)變伸長、熱膨脹引起的伸長、泊松比變化引起長度伸長）②光纖折射系數(shù)及分布的變化（溫度引起、光彈效應(yīng)）③光纖橫截面幾何尺寸的變化（壓力、熱膨脹）為簡化分析，假定分析折射率沿其截面分布不變化，則光相位調(diào)制只由光纖長度、折射率大小和橫截面尺寸產(chǎn)生。光纖中傳播光相位變化可以表示為

―軸向長度變化產(chǎn)生的相位移―折射率變化產(chǎn)生的相位移―光纖直徑變化產(chǎn)生的相位移其中

此三個因素中產(chǎn)生的相移表達式比較復(fù)雜，與有關(guān)，其大小取決于光纖的結(jié)構(gòu)。

（為光纖軸向應(yīng)變）

外施參量與光相位的關(guān)系可由被測量產(chǎn)生的光纖參量變化來求得，下面以溫度來說明。外施溫度對光纖的熱影響是最簡單的情況。此時可只考慮溫度對長度和折射率變化而忽略溫度引起的直徑變化。則相位解調(diào)原理

兩束相干光束(信號光束和參考光束)同時照射在一光電探測器上，光電流的幅值將與兩光束的相位差成函數(shù)關(guān)系：

光電探測器對合成光束的強度發(fā)生響應(yīng)。設(shè)自由空間的阻抗為Zo，則入射到光電探測器光敏面Ad的功率為最終探測信號電流為上式括號中的后三項相當于光頻的電流變化，光電探測器不能響應(yīng)如此高頻率的變化，可以忽略。因此上式可簡化為可見，通過于涉現(xiàn)象能把光束之間的相位差轉(zhuǎn)變?yōu)楣鈴娮兓?。當E1=E1=E/2時，可進—步簡化為：幾種干涉測量儀與光纖干涉?zhèn)鞲衅髟?/p>

邁克爾遜干涉儀單色光經(jīng)分束器分為光強相等的兩束光：一束射向固定反射鏡，然后反射到分束器，被其透射部分，由探測器接收；另一束入射到可移動反射鏡上，然后反射回分束器，經(jīng)分束器反射的部分也傳到探測器；當光程差小于激光器的相干長度時，傳到探測器的兩束光則產(chǎn)生干涉。

邁克爾遜干涉儀示意圖激光器固定反射鏡探測器可移動反射鏡調(diào)制器兩相干光的位相差為

式中為空氣中的光傳播常數(shù)，為兩相干光的光程差。

可見，可移動反射鏡每移動長度，光探測器的輸出就從最大值變到最小值，再變到最大值，變化一個周期。如果使用激光，它能檢測的位移大致為，即的位移。馬赫－澤德干涉儀示意圖固