光纖傳感原理3課件

第三講光纖傳感技術(shù)根底〔二〕?光纖傳感原理?光纖傳感的物理根底光纖傳感根本器件本講小結(jié)1光纖傳感的物理根底1反射原理折射原理吸收原理光信號(hào)及光纖與外界作用產(chǎn)生的現(xiàn)象或效應(yīng)是光纖傳感的物理根底彈光效應(yīng)電光效應(yīng)磁光效應(yīng)聲光效應(yīng)多普勒效應(yīng)

Sagnac效應(yīng)光聲效應(yīng)根本重要特殊21.根本原理I.反射鏡面反射漫反射3光纖通常由許多根光纖組成。發(fā)射和接收光纖的組合方式有混合式、對(duì)半分式、共軸內(nèi)發(fā)射分布等。反射式光纖位移傳感器4光纖濃度傳感器入射光束中的一局部光線，由于其入射角小于臨界角而折射進(jìn)人溶液之中，其反射光通量很小，因此在光電接收器件CCD的接收面上形成了“暗區(qū)〞;入射光束中的另一局部光線，由于其入射角大于臨界角而產(chǎn)生全反射，從而在光電器件CCD的接收面上形成了“亮區(qū)〞。亮、暗區(qū)的交界線位，取決于臨界角的大小，亦即與被測(cè)溶液的濃度(或者說(shuō)折射率)相對(duì)應(yīng)。當(dāng)被測(cè)溶液的濃度變化時(shí)，亮、暗區(qū)交界線在CCD上的位置也發(fā)生變化。據(jù)此就可以測(cè)得溶液濃度。5光在空氣與液體中具有不同的折射率。幾十根光纖排列成束，每一根光纖在不同的高度具有極小彎曲。如果彎曲局部暴露在空氣中，光通過(guò)光纖將發(fā)生全內(nèi)反射。如果彎曲局部完全浸入液體中，全內(nèi)反射條件不滿足，光通過(guò)光纖后強(qiáng)度將急劇下降。光纖液位傳感器6光纖瓦斯傳感基于全光緩存器的光纖甲烷檢測(cè)系統(tǒng)92.重要效應(yīng)I.彈光效應(yīng)由機(jī)械應(yīng)力引起的材料折射率分布變化應(yīng)變張量彈性系數(shù)力致雙折射10介電張量彈光系數(shù)折射率變化11纖芯應(yīng)力分布〔一階近似〕12纖芯中的非零應(yīng)力分量

（二階近似）纖芯應(yīng)力分布〔二階近似〕13實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)原理光纖壓力傳感114ComputerTunableLaserSourcePol.StateGeneratorIn-linePA&PAFiberUnderPress15光纖壓力傳感216光纖應(yīng)力雙折射

υ:泊松比例題：SMF光纖E=7.0×1010Pa,υ=0.17，p11=0.121,p12=0.270,n=1.5，求：該SMF在50000Pa的壓應(yīng)力作用下，對(duì)1550nm的光信號(hào)引起的相移.其他應(yīng)用剩余內(nèi)應(yīng)力Δn=2.1×10-7Δδ=48.8°/m17II.電光效應(yīng)由外電場(chǎng)引起的材料折射率分布變化的現(xiàn)象電致雙折射一階電光效應(yīng)，Pockels效應(yīng)r：線性電光系數(shù)A：電場(chǎng)感量系數(shù)18二階電光效應(yīng)，Kerr效應(yīng)介質(zhì)感生雙折射是外加電場(chǎng)強(qiáng)度的二次函數(shù)〔克爾效應(yīng)〕。這類(lèi)介質(zhì)有晶體〔如鉭鈮酸鉀〕和液體〔如硝基苯、溴化苯等〕。應(yīng)用

電光調(diào)制器19雙路式光纖電壓傳感原理光纖電壓傳感鍺酸鉍〔BGO〕20III.磁光效應(yīng)由外磁場(chǎng)引起的材料折射率分布變化的現(xiàn)象磁致雙折射材料在外加磁場(chǎng)作用下呈現(xiàn)光學(xué)各向異性，從而使通過(guò)材料的光波偏振性質(zhì)發(fā)生改變。磁光效應(yīng)具有獨(dú)特的光學(xué)非互易性，有特殊重要的應(yīng)用價(jià)值1845年，F(xiàn)araday磁光旋轉(zhuǎn)效應(yīng)〔光活性〕1876年，Kerr磁光旋轉(zhuǎn)效應(yīng)19世紀(jì)末，Zeeman效應(yīng)、磁致雙折射效應(yīng)〔Cotton-Mouton、Voigt〕21某些物質(zhì)〔如石英、氯酸鈉、糖的水溶液、酒石酸溶液、松節(jié)油等〕具有能使線偏振光的振動(dòng)面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的性質(zhì)，稱(chēng)為旋光性(opticalactivity)。振動(dòng)面旋轉(zhuǎn)角度θ=VHd，V：Verdet系數(shù)，104~105m-1T-1

Faraday磁光旋轉(zhuǎn)應(yīng)用量糖計(jì)22偏振態(tài)調(diào)制型光纖回轉(zhuǎn)儀是MOCT〔光纖電流互感器〕的核心部件，它由光源，探測(cè)器，調(diào)節(jié)器，以及纏繞電流導(dǎo)線的光電探頭組成。〔最早由波音公司和霍尼韋爾公司共同研制，主要用于導(dǎo)彈巡航系統(tǒng)，1994年開(kāi)始在電流測(cè)量領(lǐng)域的研發(fā)工作，1998年第一此投入商業(yè)應(yīng)用。目前主要的生產(chǎn)廠家有：TRENCH，RITZ，ABB，ALSTOM，GE，SIEMENS，NGK，NXTPHASE等〕屬敏感及禁止出口器件

磁光效應(yīng)的傳感應(yīng)用光纖回轉(zhuǎn)儀23IV.聲光效應(yīng)由外界聲場(chǎng)引起的材料折射率分布變化的現(xiàn)象聲致雙折射超聲波通過(guò)介質(zhì)時(shí)會(huì)造成介質(zhì)的局部壓縮和伸長(zhǎng)而產(chǎn)生彈性應(yīng)變,該應(yīng)變隨時(shí)間和空間作周期性變化,使介質(zhì)出現(xiàn)疏密相間的現(xiàn)象,如同一個(gè)相位光柵.當(dāng)光通過(guò)這一受到超聲波擾動(dòng)的介質(zhì)時(shí)就會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象,這種現(xiàn)象稱(chēng)之為聲光效應(yīng)。衍射光偏轉(zhuǎn)角隨超聲波頻率的變化現(xiàn)象稱(chēng)為聲光偏轉(zhuǎn)；衍射光強(qiáng)度隨超聲波功率而變化的現(xiàn)象稱(chēng)為聲光調(diào)制。聲光調(diào)制器件，聲光偏轉(zhuǎn)器件，聲光調(diào)Q開(kāi)關(guān)，可調(diào)諧濾光器，等。聲光調(diào)制器通常由電聲換能器、聲光介質(zhì)和吸聲裝置組成。聲光調(diào)制具有驅(qū)動(dòng)功率低、光損耗小、消光比高等優(yōu)點(diǎn)。243.特殊效應(yīng)I.光學(xué)多普勒效應(yīng)光現(xiàn)象里同樣存在多普勒效應(yīng)，當(dāng)光源向你快速運(yùn)動(dòng)時(shí)，光的頻率也會(huì)增加，表現(xiàn)為光的顏色向藍(lán)光方向偏移即光譜藍(lán)移；而當(dāng)光源快速離你而去時(shí)，光的頻率會(huì)減小，表現(xiàn)為光的顏色會(huì)向紅光方向偏移，即光譜紅移。雙光束流量測(cè)量應(yīng)用25II.Sagnac效應(yīng)1913年,薩格納克創(chuàng)造一種可以旋轉(zhuǎn)的環(huán)形干預(yù)儀:將同一光源發(fā)出的一束光分解為兩束，讓它們?cè)谕粋€(gè)環(huán)路內(nèi)沿相反方向循行一周后會(huì)合，然后在屏幕上產(chǎn)生干預(yù)。這就是薩格納克效應(yīng)。Stokes定理26光纖陀螺原理圖

1976年，美國(guó)Utah大學(xué)的Vali和R.W.Shorthill成功地制作了第一個(gè)光纖陀螺(FOG-FiberOpticGyroscope)。它標(biāo)志著第二代光學(xué)陀螺、光纖陀螺的誕生(第一代光學(xué)陀螺為激光陀螺)。

I-FOG

R-FOG27III.光聲效應(yīng)物質(zhì)受到周期性強(qiáng)度調(diào)制的光照射時(shí)，產(chǎn)生聲信號(hào)的現(xiàn)象。，1880年發(fā)現(xiàn)光聲效應(yīng)。機(jī)理:物質(zhì)受光照射時(shí)吸收的光能全部或局部轉(zhuǎn)變?yōu)闊?，?dǎo)致其中應(yīng)力〔或壓力〕的周期性變化，產(chǎn)生聲信號(hào)。光聲信號(hào)的頻率與光調(diào)制頻率相同，其強(qiáng)度和相位那么決定于物質(zhì)的光學(xué)、熱學(xué)、彈性和幾何的特性。光聲顯微鏡裝置28光譜吸收原理。彈光、電光、磁光、聲光效應(yīng)原理。Sagnac效應(yīng)、光纖陀螺原理。內(nèi)容小結(jié)29Anyquestions?30光纖傳感根本器件2光纖耦合器偏振控制器光纖偏振器

光隔離器光環(huán)行器光纖光柵

WDM光纖傳感器通常是光、機(jī)、電一體化的系統(tǒng)光纖器件體光學(xué)器件棱鏡、透鏡、反射鏡等濾光片波片

光柵光電器件光源電光、磁光、聲光調(diào)制器光電探測(cè)器光電耦合器機(jī)械器件光纖連接器各種緊固件外殼等部件31光纖耦合器光纖器件是光纖傳感器的核心部件光纖耦合器〔Coupler〕：將光信號(hào)從一條光纖中分至多條光纖中的元件，或從多條光纖合入一根光纖，或從多條光纖到多條光纖。3233光纖偏振控制器偏振控制器(PC)是光纖傳感與通信系統(tǒng)中一個(gè)非常重要的器件。其功能是將輸入的任意偏振態(tài),轉(zhuǎn)換成任意所需偏振態(tài)輸出。34*電磁擠壓偏振控制器，M.Johnson,1979,AppliedOptics*Faraday旋轉(zhuǎn)偏振控制器，T.Yoshino,2003,Electron.Lett.*電光光纖偏振控制器，O.Tarasenko,2006,OFC35

類(lèi)型原理優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)光纖彎曲或擠壓型彈光效應(yīng)極低的IL、PDL，線性特性好，易于控制速度較低Faraday旋轉(zhuǎn)型磁光效應(yīng)較低的IL、PDL需大電流控制，速度慢電光晶體電光效應(yīng)響應(yīng)速度快

插入損耗太大（~5dB）液晶電光、磁光效應(yīng)控制電壓低速度慢、損耗大◆光纖偏振態(tài)控制方法比較36應(yīng)用舉例光纖圈型手動(dòng)偏振控制器的制作原理光纖彎曲產(chǎn)生彈光效應(yīng)，形成感生雙折射。對(duì)于半徑為R的光纖圈，折射率差為：37計(jì)算：對(duì)1550nm的光波，假設(shè)要求光纖圈直徑為50mm，問(wèn)制作1/4、1/2波片需繞SMF多少圈？〔SMF：125微米〕1/41/21/438

光纖偏振器光纖偏振器〔Polarizer〕：或稱(chēng)起/檢偏器，其功能是將任意偏振態(tài)的輸入光變成線偏振光輸出。由上式可知PDL器件的Mueller矩陣具有對(duì)稱(chēng)特性。當(dāng)α=0°時(shí)，任意偏振態(tài)的光信號(hào)經(jīng)過(guò)該器件后只保存S1分量，而S3=S2=0，這種PDL器件常稱(chēng)為水平線偏振器。當(dāng)α=90°時(shí)，光信號(hào)經(jīng)過(guò)該器件后只保存-S1方向的分量，那么稱(chēng)為垂直線偏振器。39光纖隔離器光隔離器主要利用磁光晶體的法拉第效應(yīng)偏振相關(guān)型光隔離器偏振無(wú)關(guān)型光隔離器偏振無(wú)關(guān)型光隔離器由兩塊雙折射晶體〔采用楔形，光軸互成45°〕和FR組成。自然光經(jīng)第一塊雙折射晶體C1分成兩束光．為偏振方向垂直的e光和o光．進(jìn)入FR偏振面方向分別旋轉(zhuǎn)45°，進(jìn)入第二塊雙折射晶體C2，分別為O光和e光．合成為一束光而出射。反向傳輸時(shí)，由C2分開(kāi)的O光和e光經(jīng)FR旋轉(zhuǎn)后再進(jìn)入C1，還相當(dāng)于O光和e光，只會(huì)被分得更開(kāi)而不能被合成一束光，不能被耦合進(jìn)光路。40光纖環(huán)行器3端口光纖器件，端口1的輸入光能傳輸?shù)蕉丝?，端口2的輸入光能傳送到端口3，反之那么光被隔離。123

如何利用一只1×2耦合器與一只隔離器組成環(huán)行器？4142光纖光柵加拿大通信中心的等人在1978年首次在摻鍺光纖中采用駐波寫(xiě)入法制成光纖Bragg光柵。后來(lái)Meltz等人利用高強(qiáng)度紫外光源所形成的干預(yù)條紋對(duì)光纖進(jìn)行側(cè)面橫向曝光在該光纖芯中產(chǎn)生折射率調(diào)制或相位光柵。1989年，第一支Bragg諧振波長(zhǎng)位于通信波段的光纖光柵研制成功。光纖光柵是目前最有開(kāi)展前途、最具代表性和開(kāi)展最為迅速的光纖無(wú)源器件之一。原理43光纖光柵分類(lèi)按空間周期和折射率系數(shù)分布特性分為：①均勻周期光纖布喇格光柵：應(yīng)用最廣，其折射率調(diào)制深度和柵格周期均為常數(shù)，光柵波矢方向跟光纖軸向一致。廣泛應(yīng)用于光纖傳感、光纖激光器、光纖通信。②啁啾光柵：柵格間距不等的光柵。有線性啁啾和分段啁啾光柵，主要用來(lái)做色散補(bǔ)償和光纖放大器的增益平坦。③閃耀光柵：當(dāng)光柵制作時(shí)，紫外側(cè)寫(xiě)光束與光纖軸不垂直時(shí)，造成其折射率的空間分布與光纖軸有一個(gè)小角度，形成閃耀光柵。④長(zhǎng)周期光柵：柵格周期遠(yuǎn)大于一般的光纖光柵，將某個(gè)波長(zhǎng)的光耦合到包層，主要用于EDFA的增益平坦和光纖傳感。⑤相移光柵：在普通光柵的某些點(diǎn)上，光柵折射率空間分布不連續(xù)而得到的。在周期性光柵光譜阻帶內(nèi)翻開(kāi)一個(gè)透射窗口，提高選擇度，用來(lái)構(gòu)造多通道濾波器件。此外還有Tapered光纖光柵，取樣光纖光柵、Tophat光柵、超結(jié)構(gòu)光柵等。44刻光柵4546光纖WDM波分復(fù)用器(WDM：WavelengthDivisionDemultiplexer)：能耦合許多數(shù)目的波長(zhǎng)在相同光纖中，增加光纖傳輸容量、提高帶寬利用率；高密度分波多任務(wù)器(DWDM：DenseWDM)：是一種比WDM系統(tǒng)能耦合更多波長(zhǎng)數(shù)目的技術(shù)，DWDM網(wǎng)絡(luò)城為光纖網(wǎng)絡(luò)開(kāi)展的主要?jiǎng)恿?，制造方式：薄膜濾光片TFF(ThinFilmFilter)、陣列波導(dǎo)光柵AWG(ArrayWaveguideGrating)、光纖光柵FBG(FiberBraggGrating)λλ1λ2原理4748其他器件光源SLED光源〔SL3200〕應(yīng)用◆光纖傳感系統(tǒng)◆光纖陀螺◆國(guó)防軍事研究◆無(wú)源器件測(cè)試◆實(shí)驗(yàn)室測(cè)試特點(diǎn)◆臺(tái)式、模塊式、1U機(jī)架式結(jié)構(gòu)可選◆高功率輸出：最大功率可達(dá)20mW◆超寬帶工作帶寬：最大可達(dá)1200～1700nm共500nm帶寬◆在光譜范圍內(nèi)具有極好的平坦度◆采用微處理器控制◆操作智能化◆高穩(wěn)定性和高可靠性◆LCD顯示◆具有高精度的ATC和APC控制電路按結(jié)構(gòu)原理不同分:

半導(dǎo)體激光源；

He-Ne激光源；

固體激光源；按波長(zhǎng)特點(diǎn)分:單波長(zhǎng)或雙波長(zhǎng)激光源；可