第七章电子功能与元器件光导纤维及其特性

1、LOGO7-1 7-1 光导纤维及其特性光导纤维及其特性第七章 光纤及光纤传感器LOGO光纤传感器的简介 光纤传感器光纤传感器(FOS Fiber Optical Sensor)(FOS Fiber Optical Sensor)是是2020世纪世纪7070年代中期发展起来的一种基于光导纤维的年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。它是光纤和光通信技术迅速发展的产新型传感器。它是光纤和光通信技术迅速发展的产物，它与以电为基础的传感器有本质区别。光纤传物，它与以电为基础的传感器有本质区别。光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息

2、的媒质。因此，它同时具有光纤及光学测量感信息的媒质。因此，它同时具有光纤及光学测量的特点。的特点。 电绝缘性能好。电绝缘性能好。 抗电磁干扰能力强。抗电磁干扰能力强。 非侵入性。非侵入性。 高灵敏度。高灵敏度。 容易实现对被测信号的远距离监控。容易实现对被测信号的远距离监控。LOGOv光纤传感器技术是随着光导纤维实用化与光通信技术的发展而形成的。 光纤作为远距离传输光波信号的媒质，最早用于光通信技术中。v但是,在实际光通信过程中发现,光纤受到外界环境因素的影响,如压力、温度、电场、磁场等环境条件变化时，将引起光纤传输的光波量，如光强、相位、颇率、偏振态等变化。因此科技人员推测如果能测量出光波量

3、变化的大小，就可以知道导致这些光波量变化的压力、温度、电场、磁场等物理量的大小于是就出现了光纤传感器技术。v光纤传感器技术是本世纪70年代末发展起来的一门崭新的技术，是传感器技术的新成就。光纤传感器技术的形成LOGOv近年来，传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小近年来，传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展。在这一过程中，光纤传感巧和智能化的方向发展。在这一过程中，光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。光纤传感器器这个传感器家族的新成员倍受青睐。光纤传感器是最近几年出现的新技术，可以用来测量多种物理是最近几年出现的新技术，可以用来测量多种物理量，比如声场、电场、压力、温度

4、、角速度、加速量，比如声场、电场、压力、温度、角速度、加速度等，还可以完成现有测量技术难以完成的测量任度等，还可以完成现有测量技术难以完成的测量任务。在狭小的空间里，在强电磁干扰和高电压的环务。在狭小的空间里，在强电磁干扰和高电压的环境里，光纤传感器都显示出了独特的能力。目前光境里，光纤传感器都显示出了独特的能力。目前光纤传感器已经有纤传感器已经有7070多种。多种。光纤传感器的简介LOGO光纤传感器的简介v光纤传感器应用：磁、声、压力、温度、加速度、光纤传感器应用：磁、声、压力、温度、加速度、陀螺、位移、液面、转矩、光声、电流和应变等物陀螺、位移、液面、转矩、光声、电流和应变等物理量的测量。

5、理量的测量。v光纤传感器实质上是利用被测量对光纤内传输的光光纤传感器实质上是利用被测量对光纤内传输的光进行调制，使光的某些特性（如强度、相位、频率、进行调制，使光的某些特性（如强度、相位、频率、偏振态等）发生改变。这种被调制的光信号经光电偏振态等）发生改变。这种被调制的光信号经光电转换器变为电信号后被各种仪表检测出来。因此，转换器变为电信号后被各种仪表检测出来。因此，光源、光的传输、光电转换和电信号处理光源、光的传输、光电转换和电信号处理构成了光构成了光纤传感器系统。纤传感器系统。LOGO光纤传感器的简介LOGO光纤传感器的简介LOGO光纤传感器的简介LOGO光纤传感器的简介LOGO光纤传感器

6、的简介LOGO光纤传感器的简介 光纤传感器类型: （一）功能型（传感型）传感器; （二）非功能型（传光型）传感器。1.功能型传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件, 被测量对光纤内传输的光进行调制, 使传输的光的强度、相位、频率或偏振态等特性发生变化, 再通过对被调制过的信号进行解调, 从而得出被测信号。2.非功能型传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化, 光纤仅作为信息的传输介质。光纤在其中仅起导光作用，其结构大致如下：传感器位于光纤端部，光纤只是光的传输线，将被测量的物理量变换成为光的振幅，相位或者振幅的变化。在这种传感器系统中，传统的传感器和光纤相结合。光纤的导入为实现探针化的遥

7、测提供了可能性。这种光纤传输的传感器适用范围广，使用简便，但是精度比第一类传感器稍低。 LOGO主要内容7-1-1 光纤的基本结构与类型7-1-2 光纤中光的传播与消耗 1.光在光纤中的传播 2.模式理论 3.光在光纤中的消耗LOGO7-1-1 光纤的基本结构与类型 光纤呈圆柱形，它由玻璃纤维芯光纤呈圆柱形，它由玻璃纤维芯( (纤芯纤芯) )和玻璃和玻璃包皮包皮( (包层包层) )两个同心圆柱的双层结构组成。两个同心圆柱的双层结构组成。 纤芯位于光纤的中心部位，光主要在这里传输。纤纤芯位于光纤的中心部位，光主要在这里传输。纤心折射率心折射率n n1 1比包层折射率比包层折射率n n2 2稍大些

8、两层之间形成良好稍大些两层之间形成良好的光学界面，光线在这个界面上反射传播。的光学界面，光线在这个界面上反射传播。 2R2rn2n1n光纤结构n2n1纤芯包层LOGO光纤的结构对称柱体光学纤维对称柱体光学纤维LOGO多层介质结构多层介质结构1.纤芯：石英玻璃，直径5-75微米，材料以二氧化硅为主，掺杂微量元素,提高n。2.包层：直径100-200微米，折射率略低于纤芯,SiO2。3.涂敷层：硅酮或丙烯酸盐-用于隔离杂光。4.护套：尼龙或其他有机材料-提供光纤机械强度,保护光纤。特殊场合：没有涂敷层和护套 - 裸纤LOGO7-1-1 光纤的基本结构与类型分类：分类：1 1 阶跃型光纤阶跃型光纤

9、2 2 梯度（渐变型）光纤梯度（渐变型）光纤分类（依光模式）：分类（依光模式）：1 1 单模光纤单模光纤 2 2 多模光纤多模光纤LOGO7-1-1 光纤的基本结构与类型 跃变型光纤的纤芯折射率和包层的折射率均为常数，但纤芯的折射率大于包层的折射率。梯度型光纤的纤芯折射率是径向距离r的函数，可用下式表示光纤的折射率分布：12a2rn1 2anrn （0）（）（ ）=（ra）（ra）式中n(0)为纤芯轴心（r=0）处的折射率，a为纤芯半径，= n(0)-n2/n(0)为相对折射率，a为折射率分布指数，当a=2时，称为平方律折射率分布。LOGO一、光导纤维导光的基本原理一、光导纤维导光的基本原理

10、光是一种电磁波光是一种电磁波, ,一般采用波动理论来分析导光的基本原理。一般采用波动理论来分析导光的基本原理。然而根据光学理论指出：在尺寸远大于波长而折射率变化缓慢的然而根据光学理论指出：在尺寸远大于波长而折射率变化缓慢的空间空间, ,可以用可以用“光线光线”即几何光学的方法来分析光波的传播现象即几何光学的方法来分析光波的传播现象, ,这对于光纤中的多模光纤是完全适用的。为此这对于光纤中的多模光纤是完全适用的。为此, , 采用几何光学的采用几何光学的方法来分析。方法来分析。 1 1、斯乃尔定理、斯乃尔定理（Snells LawSnells Law） 当光由光密物质当光由光密物质( (折射率大折

11、射率大) )入射至光疏物质（入射至光疏物质（折射率小折射率小）时发）时发生折射，如图生折射，如图(a)(a)，其折射角大于入射角，即，其折射角大于入射角，即n n1 1n n2 2时，时，r ri i。 n1n2ri(a)光的折射示意图 可见，入射角可见，入射角i增大时，折射角增大时，折射角r也随也随之增大，且始终之增大，且始终ri。n1、n2、r、i之间的数学关系为之间的数学关系为 n1sini=n2sinr 7-1-2 光纤中光的传播与消耗LOGO当当ii0并继续增大时，并继续增大时，r90，这时便发生全反射，这时便发生全反射现象，如图现象，如图(c) ，其出射光不再折射而全部反射回来。，

12、其出射光不再折射而全部反射回来。式中：式中：i0临界角临界角i0=arcsin(n2/n1) sini0=n2/n1 sinrsin901n1n2ri(c)光全反射示意图n1n2ri(b)临界状态示意图 当当r=90时，时，i仍仍90，此时，此时，出射光线沿界面传播如图（出射光线沿界面传播如图（b），），称为临界状态。这时有称为临界状态。这时有7-1-2 光纤中光的传播与消耗LOGO7-1-2 光纤中光的传播与消耗1 1 光线理论光线理论 描述光在光纤中传播有两种方法，对于较粗的光纤（）采用光线理论（形象直观），当光纤很细时，必须用模式理论a a阶跃型光纤阶跃型光纤LOGO7-1-2 光纤中光

13、的传播与消耗n0sin0=n1sin1=n1cos1 于是依Snell定律有：当入射光线在界面上发生全反射时，应满足：sin 1n2/n1于是有1222211ncos1n（7-3）（7-4）（7-5）将上式代入式（7-3）可得122201201sinnnn（7-6）LOGO7-1-2 光纤中光的传播与消耗 由上式可确定能在光纤中产生全反射的光线在端面的入射角范围。入射角的最大值可由式（7-6）求得1222c1201sinnnn（7-7）令1222c1201N Asinnnn=（7-8）NA称为光纤的数值孔径。NA决定了能被传播的光束的半孔径角的最大值c，半孔径角大于c的光则透入包层，不能在纤芯

14、中传播，因此数值孔径实际上反映了光纤的集光能力。纤芯与包层的折射率差越大，数值孔径越大，光纤的集光能力越强。 LOGO7-1-2 光纤中光的传播与消耗b b 梯度型光纤梯度型光纤 对梯度型（又称渐变型）光纤，由费玛原理可知，光在不均匀煤质n（r）中传播的折射率定律为nrsinconst（ ）（7-9） 这里为折射角。由于n（r）随r增加而减小，折射角随r增加而增加，从而使光线沿着一条曲线的路径传播。当折射率指数=2时，则光路为一条正弦曲线。LOGO7-1-2 光纤中光的传播与消耗2.模式理论1 1）传输模）传输模 2 2）辐射）辐射模模 3 3）漏泄）漏泄模模模式具有以下特性：模式具有以下特性

15、： 1 1）稳定性）稳定性 一个模式沿纵向传播时，其场分布形式不变，即一个模式沿纵向传播时，其场分布形式不变，即沿沿Z Z方向有稳定的分布方向有稳定的分布2 2）有序性）有序性 模式是波动方程的一系列特征解，是离散的，可模式是波动方程的一系列特征解，是离散的，可以排序的以排序的3 3）叠加性）叠加性 光纤中总的场分布是这些模式的线性叠加、光纤中总的场分布是这些模式的线性叠加、4 4）正交性）正交性 光纤中的不同模式之间满足正交关系光纤中的不同模式之间满足正交关系LOGO 3.光在光纤中的消耗LOGO7-1-2 光纤中光的传播与消耗 3.光在光纤中的消耗光能的总消耗率Q可以用下式表示：式中L为光

16、纤的长度，Pi为入射光能；P0为出射光能。)/(logL10QKmdBPiPoLOGO知识点1.试叙述光纤的基本结构及分类，并说明其各自的特点。2.光在光纤中是如何传播的？光线理论和模式理论的主要内容和使用条件有哪些？LOGO7-1 7-1 光纤材料及其制备光纤材料及其制备第七章 光纤及光纤传感器LOGO主要内容1.石英光纤2.非氧化物光纤3.聚合物光纤LOGO1.石英光纤（2）气相外延沉淀法 （OVD）4222SiClOSiO2Cl（1）改进化学沉淀法 （MCVD）422SiClH OSiO4HCl（3）气相轴向沉积法 （VAD）LOGO2.非氧化物光纤2.非氧化物光纤主要有氟化玻璃，硫化玻

17、璃，卤化物晶体。它由重离主要有氟化玻璃，硫化玻璃，卤化物晶体。它由重离子著称，熔点低，离子间结合力弱，对红外线吸收是子著称，熔点低，离子间结合力弱，对红外线吸收是其特有的损耗。其特有的损耗。3.3.聚合物光纤聚合物光纤 由高折射率塑料芯和低折射率的塑料涂层组由高折射率塑料芯和低折射率的塑料涂层组成，其特点是质量轻、塑性好，稳定性较差。成，其特点是质量轻、塑性好，稳定性较差。LOGO光导纤维对玻璃材料的要求光导纤维对玻璃材料的要求 光导纤维是由玻璃材料经加热拉伸并迅速冷却制成的.所制成的玻璃纤维与同成分的块状玻璃在光学和热学性能上常会发生较大的差异.在玻璃纤维中要求包层玻璃和芯玻璃有较大面积的黏

18、结,所用玻璃的热学性质和机械性质的差别都将影响纤维制品的品质,而且在拉制纤维的高温下,它们还会相互作用;在制成传感器时,玻璃纤维还要经受热压、堵漏和封接等多次热学和机械处理。因此，对制造光导纤维的玻璃的各种性能要求远比对经典光学中应用的光学玻璃的要求严格得多。LOGO光导纤维对玻璃材料的要求光导纤维对玻璃材料的要求v对玻璃光学参数的要求有：对玻璃光学参数的要求有：v1 1 折射率，芯和包层的折射率要满足数值孔折射率，芯和包层的折射率要满足数值孔径的要求，各种应用中对光导纤维要求数值径的要求，各种应用中对光导纤维要求数值孔径为孔径为0.010.01和和0.030.03之间之间v2 2 光透过率，

19、光透过率， 对透明性要求特别高，吸收对透明性要求特别高，吸收系数应小于系数应小于0.001cm0.001cm-1-1v3 3 玻璃不允许有气泡、条纹和任何夹杂物存玻璃不允许有气泡、条纹和任何夹杂物存在。在。LOGO光导纤维对玻璃材料的要求光导纤维对玻璃材料的要求v对玻璃的物化性能要求：对玻璃的物化性能要求：v1 1 有适当的温度有适当的温度- -黏度曲线，能够拉成纤维制黏度曲线，能够拉成纤维制品，在工作温度范围内，芯、皮的黏度相近品，在工作温度范围内，芯、皮的黏度相近v2 2有较高的软化点，以便能烧去附在纤维上的有较高的软化点，以便能烧去附在纤维上的有机杂质，而且在加热操作中光学参数不易有机杂

20、质，而且在加热操作中光学参数不易变化变化v3 3 光导纤维要抗腐蚀性强，能适于化学腐蚀光导纤维要抗腐蚀性强，能适于化学腐蚀性溶液中进行测量性溶液中进行测量v4 4 芯玻璃的线膨胀系数稍大于皮玻璃时，可芯玻璃的线膨胀系数稍大于皮玻璃时，可制得机械强度高的玻璃纤维制得机械强度高的玻璃纤维LOGO7-3 7-3 光的调制与解调光的调制与解调第七章 光纤及光纤传感器LOGO调制与解调的定义调制与解调的定义 在接收端将载波光波中携带的信号转换成光的某在接收端将载波光波中携带的信号转换成光的某些特性变化，并由光电探测器进行检测的过程称为解些特性变化，并由光电探测器进行检测的过程称为解调。调。 若将携带信息

21、的信号叠加到载波的光波上，并使若将携带信息的信号叠加到载波的光波上，并使载波光波的参数（光强、折射率、频率、偏振等）随载波光波的参数（光强、折射率、频率、偏振等）随外加信号变化而变化，即为调制。可由调制器完成外加信号变化而变化，即为调制。可由调制器完成形式：形式：强度调制型、偏振调制、频率调制、相位调制强度调制型、偏振调制、频率调制、相位调制。LOGO主要内容7-3-1 光强调制与解调7-3-2 偏振调制与解调7-3-3 相位调制与解调7-3-4 频率调制与解调LOGO7-3-1 光强调制与解调一、几种常见的光强调制技术1 1 微弯效应微弯效应122A（7-11）在梯度型光纤：2r在阶跃型光纤

22、：2r（7-12）（7-13） 222020nnrn LOGO2. 光强度的外调制7-3-1 光强调制与解调光纤本身只起传光作用，光纤分发射光纤和接收光纤两部分。A 反射式强度调制器LOGO)tan(arcsind2RNALOGO7-3-1 光强调制与解调B B 遮光式强度调制器遮光式强度调制器LOGO7-3-1 光强调制与解调3 3 折射率光强度调制折射率光强度调制利用利用折射率的折射率的不同进行光强度调制的原理包括：不同进行光强度调制的原理包括： 1 1 利用被测物理量引起传感材料折射率的变化，利用被测物理量引起传感材料折射率的变化， 2 2 利用渐逝场耦合利用渐逝场耦合 3 3 利用折射

23、率不同的介质之间的折射和反射利用折射率不同的介质之间的折射和反射LOGO光纤端面的角度当外界因素使n3发生变化时，全反射条件被破坏，光能部分透射到外部介质中，探测到的光强下降。例子：LOGO7-3-1 光强调制与解调二、强度调制的解调 强度调制型光纤传感器的关键是信号功率与噪声之比要足够大，其功率信噪不RSN可用下列公式计算：2sSN222phNRNdNiRiii（ ）（） （） （）（7-14） 22ssiP q h（7-15）22phNLi2q PhB（7-16）（7-17）2RNi4kTF R B2sSN22phNRNiRii（ ）（） （）（7-18）iphN-光信号噪声电流，iRN-

24、前置放大器输入端等效电阻热噪声电流，idN-光探测器噪声电流LOGO晶体的感应双折射晶体的感应双折射(Induced birefringence in crystals )双折射是由于双折射是由于晶体结构自身晶体结构自身的各向异性决定的的各向异性决定的, ,称为称为自然双折射自然双折射。当晶体受到当晶体受到应力、电场、磁场应力、电场、磁场等外界作用，其结构等外界作用，其结构发生变化时，将产生与外场作用有关的双折射现象发生变化时，将产生与外场作用有关的双折射现象, ,叫做感应双折射。叫做感应双折射。7-3-2 偏振调制与解调LOGO电光效应电光效应 (Electro-optic effect)当

25、外加电场较大当外加电场较大l06V/ cm ，足以将原子内场，足以将原子内场(3l08 V/ cm)扰乱到有效程度，就可以使本来是扰乱到有效程度，就可以使本来是立方晶体或立方晶体或单轴晶体变为双轴晶体单轴晶体变为双轴晶体。这种因外加电场使介质光学性质发生变化的效应这种因外加电场使介质光学性质发生变化的效应, ,叫叫电光效应电光效应。LOGO（又称线偏振光 或平面偏振光）LOGO 起起 偏偏起偏与检偏起偏与检偏 起偏起偏：当自然光照射在偏振片上时，它只让某：当自然光照射在偏振片上时，它只让某一特定方向的光通过，这个方向叫此偏振片的偏振一特定方向的光通过，这个方向叫此偏振片的偏振化方向化方向 .0

26、21I偏振化方向偏振化方向0I起偏器起偏器LOGO检偏器检偏器 检检 偏偏起偏器起偏器检偏器检偏器 检检 偏偏起偏器起偏器LOGO利用光波的这些偏振性质，可以制成光纤偏振调制利用光波的这些偏振性质，可以制成光纤偏振调制传感器。光纤传感器中的偏振调制器常用电光、磁传感器。光纤传感器中的偏振调制器常用电光、磁光、光弹等物理效应进行调制。光、光弹等物理效应进行调制。 普克尔效应普克尔效应 法拉第效应法拉第效应 光弹效应光弹效应LOGO=+eoonznynxk折射率椭球是晶体各向异性的几何表示，晶体折射率椭球方程为：1222222zyxnznynx单轴晶体的折射率椭球是一个旋转对称的椭球。LOGO12

27、22222eoonznynxonenenon正单轴晶体负单轴晶体yxzzxyxoenn oenn LOGO ：某些晶体材料在外加电场：某些晶体材料在外加电场作用下产生各向异性的折射率变化。作用下产生各向异性的折射率变化。 n E+kE2 （一次电光效应一次电光效应,Pockels，1893）：）：当电场加在晶体上时，折射率的变化是线性的（在不当电场加在晶体上时，折射率的变化是线性的（在不对称中心的晶体中）如：对称中心的晶体中）如：ADP（磷酸二氢铵）、（磷酸二氢铵）、KDP（磷酸二氢钾）、（磷酸二氢钾）、KD*P（磷酸二氘钾）（磷酸二氘钾） n ELOGO：一是电场沿着晶体主轴：一是电场沿着晶

28、体主轴 (光轴方向光轴方向)，使电场方向与光线方向平行；使电场方向与光线方向平行；：二是电场沿晶体任一主轴二是电场沿晶体任一主轴x轴或轴或y轴轴或或Z轴加到晶体上，而取通光方向与电场方向相垂轴加到晶体上，而取通光方向与电场方向相垂直直.EE晶体晶体晶体晶体光轴光轴光轴光轴LOGO沿沿Z轴加电场时轴加电场时,=+zyxnznynxezzzoyzooxnnnEnnnEnnn633063322 63 63 电光系数电光系数, Ez电场强度电场强度ZEno633Exampleyxyx加电压前LOGOP1P2 lP1P2 lUUUUnlEnlnnzyx6330633022)(2不加电压不加电压加电压加电

29、压LOGO40243245472LOGO63302/2nU 半波电压是表征电光晶体性能的重要的参数，该电压越小半波电压是表征电光晶体性能的重要的参数，该电压越小越好。越好。作为一个例子：作为一个例子：KDP（磷酸二氢钾）（磷酸二氢钾）no=1.512 , 63=10.6,对对于于0.54mm光，光， U /2 =7.36kV, 而而KD*P: no=1.52， 63=23.3: V =3.29KV当晶体折射率变化所引起的两正交平面偏振光的相位当晶体折射率变化所引起的两正交平面偏振光的相位变化为变化为 时，则称此时电压为半波电压时，则称此时电压为半波电压U /2(或或U )，且，且LOGO图54

30、3是利用普克耳效应的光纤电压传感器示意图。调制器晶体可用BGO或BSO晶体。传感器工作过程是，从激光器射出的光由起偏器变为平面偏振光，再入射到调制器电光晶体上。由于电光效应的作用，从电光晶体射出的光变为椭圆偏振光，经14波片获得一光学偏置，最后经检偏器输出。LOGO输出的光强为：是晶体中两正交平面偏振光的相位差。UUUn413002)2/sin(2sin02)cos(0cos0E2E1EEEE)2/2/(sin904/1)2/(sin2020IIII此时光强输出变为：度的位相差，玻片时，引入当加入LOGO 某些物质在磁场作用下，线偏振光通过时其振动面会发某些物质在磁场作用下，线偏振光通过时其振

31、动面会发生旋转，这种现象称为法拉第效应。光的电矢量生旋转，这种现象称为法拉第效应。光的电矢量E旋转旋转角角 与光在物质中通过的距离与光在物质中通过的距离l和磁场强度和磁场强度H成正比成正比ElHdlHV V费尔德常量，1154Tm 1010LOGO 偏振面的旋转方向由外磁场方向决定偏振面的旋转方向由外磁场方向决定: 当光的传播方向与磁场方向一致时，顺着光传播方当光的传播方向与磁场方向一致时，顺着光传播方向看去，向看去， 角是左旋的。当光的传播方向与磁场方向角是左旋的。当光的传播方向与磁场方向相反时，顺着光传播方向看去，相反时，顺着光传播方向看去， 角是右旋的。角是右旋的。 l磁致旋光物质磁致旋

32、光物质H lH右旋右旋左旋左旋 LOGO 偏振光一次通过法拉第材料转过角度为偏振光一次通过法拉第材料转过角度为 ，而沿，而沿相反方向返回时将再旋转相反方向返回时将再旋转 角。因此，两次通过法角。因此，两次通过法拉第材料后总的旋转角度为拉第材料后总的旋转角度为2 。这样，为了获得大。这样，为了获得大的法拉第效应，可以使光多次穿过材料，若光束在的法拉第效应，可以使光多次穿过材料，若光束在其间反射其间反射N次后出射，那么有效旋光厚度为次后出射，那么有效旋光厚度为Nl，偏，偏振面的旋转角度提高振面的旋转角度提高N倍。倍。 NN lHLOGO7-3-2 偏振调制与解调(3) (3) 光弹效应光弹效应 在

33、垂直于光波传播方向上施加应力，材料将产生双折射，其强弱正比于应力光弹效应。02 kpl（7-20）k-物质光弹性常数p-施加在物体上的压强l-光波通过材料的长度kpnneoLOGO7-3-2 偏振调制与解调二、解调原理 利用偏振光分束器能把入射光的正交偏振线性分量在输出方向分开。通过测定这两束光的强度，再由传感器经一定的运算就可确定偏振光相位的变化。渥拉斯顿棱镜是常用的偏振光分束器。LOGO7-3-2 偏振调制与解调1212IIsin 2II（7-21）LOGO7-3-3 相位调制与解调 通过被测能量场的作用，使能量场中的一段单模光纤内传播的光波发生相位变化，利用干涉测量技术把相位变化变换为振

34、幅变化，再通过光电探测器进行检测。（一）相位调制1 应力应变效应 a.光纤长度变化-应变效应 b.光纤芯的直径变化-泊松效应 c.光纤芯的折射率变化-光弹效应2 热胀冷缩效应 长度L 温度TLOGOLOGOLOGO7-3-3 相位调制与解调（二）相位解调原理12EtE sintE sint+（ ）=（）（7-23）2d0PtEtAZ（ ）= （ ）（7-24）两束光的光场相叠加，合成光场的电场分量为：光探测器的功率为：最终探测器信号电流为：22d0222121212212AqptqitEtEthhZ11E -EE E cos tE cos2t221 E cos(2t+2 )-E E cos(2

35、t+ )2（ ）（ ）=（ ）=（ ） =（）（7-25）d0AqhZLOGO7-3-3 相位调制与解调化简：（7-26）当E1=E2=E/2时，进一步化简上式：（7-27）2IE4=0ditIsind（ ）=-对上式两端取微分得：（7-28）)(cos21)2221(21)(tEEEEti)(cos1 )(tItiLOGO多普勒效应7-3-4 频率调制与解调LOGO7-3-4 频率调制与解调多普勒效应 S为光源，P为运动物体，Q为观察者所处位置。如果物体P的运动速度u，方向与PS及PQ的夹角分别为1和2，则从S发出的频率为f1的光经过运动物体P散射，观察者在Q处观察到的频率为f2，根据多普勒

36、原理可得：21121(coscos)uffc（7-29）LOGO7-3-4 频率调制与解调itI1 cosft（ ）=（2）（7-30）LOGO 多普勒颈脑血液测速仪多普勒颈脑血液测速仪LOGO知识点1.光强调制的原理是什么？如何实现光强调制？2.偏振调制依据哪些物理效应，并说明各效应引起的相位变化与哪些因素有关。3.相位调制与解调依据什么原理？LOGO7-4 7-4 光纤传感器的实例光纤传感器的实例第七章 光纤及光纤传感器LOGO主要内容7-4-1 光强调制的微弯位移传感器7-4-2 相位调制型光纤传感器7-4-3偏振调制型光纤电流传感器LOGO7-4-1 光强调制的微弯位移传感器 亮场微弯

37、传感器的信号光很强，采用高灵敏度的光电探测器，光信号会使器件饱和。接受导模LOGO7-4-1 光强调制的微弯位移传感器 暗场微弯传感器的背景光很弱，受微弯位移调制明显，调制深度大，灵敏度高。接受泄露模LOGO7-4-2 相位调制型光纤传感器 基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或传播常数发生变化，而导致光的相位变化，使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化，通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量，从而得到被测对象的信息。通常有利用光弹效应的声、压力或振动传感器；利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器；利用电致伸缩的电场、电压传感器以及利用光纤赛格纳克（Sagnac）效应的旋

38、转角速度传感器（光纤陀螺）等。这类传感器的灵敏度很高。但由于须用特殊光纤及高精度检测系统，因此成本高。 LOGO7-4-2 相位调制型光纤传感器 当一束波长为的相干光在光纤中传播时，光波的相位角一光纤的长度L、光纤折射率n1和纤芯直径d有关。若光纤受到某种作用，则会引起上述参数的变化，从而引起光的相位变化。在上述的三个参数中，纤芯直径的影响最小可以忽略。在长为L的一段单模光纤中，波长为的输出光相对于输入端而言，其相位角为：12 n L（7-31）当光纤受到某种作用，引起光波的相位角变化为：2n L L1（+n）（7-32）相位角的变化（）显然是由于外部作用（如温度、压力、电流等）引起光纤长度改

39、变和纤芯折射率的变化导致的结果。LOGO7-4-2 相位调制型光纤传感器2.相位调制的光纤温度传感器（马和-泽得光纤温度传感器）LOGO7-4-2 相位调制型光纤传感器工作原理： 由氦氖激光器发出的激光束由分光器分别进入两根输出端合在一起的光纤中，则两束光产生干涉，出现干涉条纹。当测量臂光纤受到温度场作用后，产生相位变化，引起干涉条纹位移。干涉条纹移动的大小便反映出被测温度的变化情况。 当光纤受到温度场的作用，主要是引起光纤长度和折射率发生变化，进而引起传输光的相位变化，其相位的相对变化率为：11nLLn（7-33）LOGO7-4-3偏振调制型光纤电流传感器 是一种利用光偏振态变化来传递被测对象是一种利用光偏振态变化来传递被测对象信息的传感器。利用光在磁场中媒质内传播的信息的传感器。利用光在磁场中媒质内传播的法拉第效应做成的电流、磁场传感器；利用光法拉第效应做成的电流、磁场传感器；利用光在电场中的压电晶体内传播的泡尔效应做成