偏振調(diào)制光纖傳感器：偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器的原理
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偏振調(diào)制光纖傳感器：光纖傳感技術(shù)第6章 偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器.ppt
第6章 偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器 6.1 偏振態(tài)調(diào)制型傳感原理 偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器是有較高靈敏度的檢測(cè)裝置。 它比高靈敏度的相位調(diào)制光纖傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且調(diào)整方便。 偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器通常基于電光、 磁光和彈光效應(yīng)， 通過(guò)敏感外界電磁場(chǎng)對(duì)光纖中傳輸?shù)墓獠ǖ钠駪B(tài)的調(diào)制來(lái)檢測(cè)被測(cè)電磁場(chǎng)參量。 最為典型的偏振態(tài)調(diào)制效應(yīng)有Pockels效應(yīng)、 Kerr效應(yīng)、 Faraday效應(yīng)， 以及彈光效應(yīng)（原理介紹詳見(jiàn)第一章1.3.4節(jié)）。 6.1.1 彈光效應(yīng) 彈光效應(yīng)又稱(chēng)光彈性效應(yīng)或壓光效應(yīng)， 它是指當(dāng)介質(zhì)受到機(jī)械應(yīng)力時(shí)其折射率將發(fā)生變化的現(xiàn)象。 原來(lái)是光學(xué)各向同性的介質(zhì)可變成各向異性， 即折射率橢球發(fā)生變化， 故而呈現(xiàn)雙折射。 通俗地講， 彈光效應(yīng)就是一束入射光常分解為兩束折射光的現(xiàn)象。 設(shè)單軸晶體的主折射率ne對(duì)應(yīng)于應(yīng)力方向上振動(dòng)的光的折射率， 主折射率no對(duì)應(yīng)于垂直應(yīng)力方向上振動(dòng)的光的折射率， 這時(shí)彈光效應(yīng)與壓強(qiáng)p的關(guān)系式可表示為 no－ne=kp (6.1-1) 式中， k是物質(zhì)常數(shù)， no－ne是雙折射率， 表征雙折射性的大小， 此處也表征彈光效應(yīng)的強(qiáng)弱。 若光波通過(guò)的材料厚度為l， 則獲得的光程差為 Δ=（no－ne）l=kpl (6.1-2) 相應(yīng)引起的相位差為 材料的彈光效應(yīng)是應(yīng)力或應(yīng)變與折射率之間的耦合效應(yīng)。 雖然彈光效應(yīng)可以在一切透明介質(zhì)中產(chǎn)生， 但實(shí)際上它最適于在耦合效率高或彈光效應(yīng)強(qiáng)的介質(zhì)中產(chǎn)生。 電致伸縮系數(shù)較大的透明介質(zhì)應(yīng)具有較大的彈光效應(yīng)。 利用物質(zhì)的彈光效應(yīng)可以構(gòu)成壓力、 聲、 振動(dòng)、 位移等光纖傳感器。 例如， 利用均勻壓力場(chǎng)引起的純相位變化進(jìn)行調(diào)制就構(gòu)成干涉型光纖壓力、 位移等傳感器中； 也可用各向異性壓力場(chǎng)引起的感應(yīng)線性雙折射進(jìn)行調(diào)制， 這就構(gòu)成了非干涉型光纖壓力、 應(yīng)變傳感器。 應(yīng)用彈光效應(yīng)的光纖壓力傳感器其受光元件上的光強(qiáng)由下式表示 6.1.2 Pockels效應(yīng) 各向異性晶體中的Pockels效應(yīng)是一種重要的電光效應(yīng)。 當(dāng)強(qiáng)電場(chǎng)施加于光正在穿行的各向異性晶體時(shí)所引起的感生雙折射正比于所加電場(chǎng)的一次方， 這稱(chēng)為線性電光效應(yīng)， 或稱(chēng)Pockels效應(yīng)。 Pockels效應(yīng)使晶體的雙折射性質(zhì)發(fā)生改變， 這種變化理論上可由描述晶體雙折射性質(zhì)的折射率橢球(或光率球體)的變化來(lái)表示， 以主折射率表示的折射率橢球方程為 6.1.3 Kerr效應(yīng) Kerr效應(yīng)也稱(chēng)為二次（或平方）電光效應(yīng)， 它發(fā)生在一切物質(zhì)中。 當(dāng)外加電場(chǎng)作用在各向同性的透明物質(zhì)上時(shí)， 各向同性物質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化， 變成具有雙折射現(xiàn)象的各向異性， 并且與單軸晶體的情況相同。 設(shè)no、 ne分別為介質(zhì)在外加電場(chǎng)下的尋常光折射率和非常光折射率。 當(dāng)外加電場(chǎng)方向與光的傳播方向垂直時(shí)， 由感應(yīng)雙折射引起的尋常光折射率和非常光折射率與外加電場(chǎng)E的關(guān)系為 ne－no=λ0kE2 (6.1-8) 式中， k是克爾常數(shù)。 在大多數(shù)情況下， ne－no>0(k為正值)， 即介質(zhì)具有正單軸晶體的性質(zhì)。 表6-2列出了一些液體的克爾常數(shù)。 克爾效應(yīng)最重要的特征是感應(yīng)雙折射幾乎與外加電場(chǎng)同步， 有極快的響應(yīng)速度， 響應(yīng)頻率可達(dá)10 MHz。 因此， 它可以制成高速的克爾調(diào)制器或克爾光閘。 圖6-1是克爾調(diào)制器裝置圖。 它由玻璃盒中安裝的一對(duì)平板電極和電極間充滿的極性液體構(gòu)成， 也稱(chēng)為克爾盒。 將調(diào)制器放置在正交的偏振鏡之間， 即讓偏振鏡的透光軸M、 N互相垂直， 并且M、 N與電場(chǎng)方向分別成±45°， 通光方向與電場(chǎng)方向垂直。 當(dāng)電極上不加外電場(chǎng)時(shí)， 沒(méi)有光通過(guò)檢偏鏡， 克爾盒呈關(guān)閉狀態(tài)。 當(dāng)電極上加外電場(chǎng)時(shí)， 有光通過(guò)檢偏鏡， 克爾盒呈開(kāi)啟狀態(tài)。 若在兩極上加電壓U， 則由感應(yīng)雙折射引起的兩偏振光波的光程差為 圖6-1 克爾調(diào)制器裝置圖 兩光波間的相位差則為 式中， 半波電壓Uλ/2可表示為 6.1.4 Faraday效應(yīng) 物質(zhì)在磁場(chǎng)的作用下使通過(guò)的平面偏振光的偏振方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)， 這種現(xiàn)象稱(chēng)為磁致旋光效應(yīng)或法拉第(Faraday)效應(yīng)。 法拉第效應(yīng)的典型裝置如圖6-2所示。 當(dāng)從起偏器出來(lái)的平面偏振光沿磁場(chǎng)方向(平行或反平行)通過(guò)法拉第裝置時(shí)， 光矢量旋轉(zhuǎn)的角度φ由下式確定: 式中， V是物質(zhì)的費(fèi)爾德常數(shù)， l 是物質(zhì)中的光程， H是磁場(chǎng)強(qiáng)度。 圖
偏振調(diào)制光纖傳感器：常見(jiàn)的光纖傳感器有哪些
描述
光纖最早的出現(xiàn)的目的是用于傳輸光，在20世紀(jì)70年代初生產(chǎn)出低損耗光纖后，光纖用于長(zhǎng)距離傳遞信息，是光纖通信的基石，也可以豪不夸張的說(shuō)光纖也是現(xiàn)代信息社會(huì)的基石。由于光纖不僅可以作為光波的傳輸媒質(zhì)，而且光波在光纖中傳播的特征參量（振幅、相位、偏振態(tài)、波長(zhǎng)等）會(huì)因外界因素（如溫度、壓力、應(yīng)變、振動(dòng)、聲音、磁場(chǎng)、折射率、扭曲、等）的作用而間接或直接地發(fā)生變化，分析這些變化就可以得到外界作用的某些性質(zhì)，從而可將光纖用作傳感器元件來(lái)探測(cè)各種物理量、化學(xué)量和生物量，這就是光纖傳感器的基本原理。
光纖傳感器的基本結(jié)構(gòu)由光源、傳輸光纖和光檢測(cè)部分組成?？紤]到光纖傳輸已經(jīng)很簡(jiǎn)單，通常一套完整的光纖傳感器主要由傳感器和解調(diào)儀構(gòu)成。光源發(fā)出的光耦合進(jìn)光纖，經(jīng)光纖進(jìn)入調(diào)制區(qū)；在調(diào)制區(qū)內(nèi)外界被測(cè)參數(shù)作用于進(jìn)入調(diào)制區(qū)內(nèi)的光信號(hào)，使其光學(xué)性質(zhì)如光的強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、相位、偏振態(tài)等發(fā)生變化成為被調(diào)制的信號(hào)光：再經(jīng)過(guò)光纖送入光檢測(cè)器，光檢測(cè)器對(duì)進(jìn)來(lái)的光信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，輸出電信號(hào)；最后對(duì)電信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理而得到可用信號(hào)，從而獲得被測(cè)參數(shù)。
光纖傳感器的組成結(jié)構(gòu)
光纖傳感器網(wǎng)的三種基本構(gòu)成
光纖傳感器網(wǎng)有三種基本構(gòu)成，其中一個(gè)叫單點(diǎn)式傳感器。一根光纖在這里僅僅起到傳輸?shù)淖饔?，另外一種叫多點(diǎn)式傳感器，在這里一根光纖把很多傳感器串起來(lái)，這樣很多傳感器可以共用光源實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性監(jiān)測(cè)。再有就是智能光纖傳感器。
多點(diǎn)式光纖傳感器，從外表看就是一節(jié)光柵，通過(guò)紫外線照射發(fā)現(xiàn)有周期性的間隔。當(dāng)有光纖入射的時(shí)候，如果光纖的波長(zhǎng)正好等于間隔的兩倍，那么這個(gè)光波將會(huì)受到強(qiáng)烈的反射，而如果光纖受到溫度變化或者應(yīng)變等等，這個(gè)反射波長(zhǎng)將會(huì)發(fā)生變化，這種傳感器在一根光纖上可以做很多個(gè)，把它連接起來(lái)就可以用于各種各樣的傳感應(yīng)用。
因?yàn)楣饫w是軟的，它可以兩維、三維，所以橫軸是空間的位置，縱軸是測(cè)量對(duì)象。這樣一個(gè)傳感網(wǎng)解決了什么問(wèn)題呢？它解決了在什么位置上發(fā)生了什么事情，那個(gè)事情有多少個(gè)強(qiáng)度的問(wèn)題，也就是提供了兩維的信息。這就是智能光纖傳感器所需要解決的問(wèn)題，它有非常突出的特點(diǎn)要求，包括體積小、強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好，可植入材料中?？闺姶鸥蓴_、耐環(huán)境。
光纖傳感器已經(jīng)成功應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)。我們看到A-380和波音787，它們的特點(diǎn)是超過(guò)一半數(shù)量是碳纖維，比如說(shuō)碳纖維符合樹(shù)脂有幾種缺失，一個(gè)是層與層之間的剝離，由于這種材料比較強(qiáng)，所以很難像鋁合金材料那樣實(shí)行碳酸檢測(cè)，所以研究人員現(xiàn)在開(kāi)始研究把光纖傳感器埋到復(fù)合材料當(dāng)中去，由于這種材料一層大概125微米的厚度，所以這種光纖傳感器必須是特別細(xì)小的光纖傳感器，大概直徑在50個(gè)微米左右。
我們說(shuō)光纖傳感器網(wǎng)可以成為安全安心社會(huì)的神經(jīng)網(wǎng)。光纖傳感器網(wǎng)可以用語(yǔ)光纖通訊網(wǎng)的診斷技術(shù)。光纖傳感器網(wǎng)在安防方面已經(jīng)有很多的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)有很多企業(yè)在這方面開(kāi)展了卓有成效的工作。
光纖傳感器有哪些_常見(jiàn)的光纖傳感器
1、強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器
基本原理是待測(cè)物理量引起光纖中傳輸光光強(qiáng)的變化，通過(guò)檢測(cè)光強(qiáng)的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)量的測(cè)量。一恒定光源發(fā)出的強(qiáng)度為的光注入傳感頭，在傳感頭內(nèi)，光在被測(cè)信號(hào)的作用下其強(qiáng)度發(fā)生了變化，即受到了外場(chǎng)的調(diào)制，使得輸出光強(qiáng)的包絡(luò)線與被測(cè)信號(hào)的形狀一樣，光電探測(cè)器測(cè)出的輸出電流也作同樣的調(diào)制，信號(hào)處理電路再檢測(cè)出調(diào)制信號(hào)，就得到了被測(cè)信號(hào)。
這類(lèi)傳感器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、容易實(shí)現(xiàn)，因此開(kāi)發(fā)應(yīng)用的比較早，現(xiàn)在已經(jīng)成功的應(yīng)用在位移、壓力、表面粗糙度、加速度、間隙、力、液位、振動(dòng)、輻射等的測(cè)量。強(qiáng)度調(diào)制的方式很多，大致可分為反射式強(qiáng)度調(diào)制、透射式強(qiáng)度調(diào)制、光模式強(qiáng)度調(diào)制以及折射率和吸收系數(shù)強(qiáng)度調(diào)制等等。
2、相位調(diào)制型光纖傳感器
基本原理是：在被測(cè)能量場(chǎng)的作用下，光纖內(nèi)的光波的相位發(fā)生變化，再用干涉測(cè)量技術(shù)將相位的變化轉(zhuǎn)換成光強(qiáng)的變化，從而檢測(cè)到待測(cè)的物理量。相位調(diào)制型光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)是具有極高的靈敏度，動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍大，同時(shí)響應(yīng)速度也快，其缺點(diǎn)是對(duì)光源要求比較高同時(shí)對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的精密度要求也比較高，因此成本相應(yīng)較高。
3、頻率調(diào)制型光纖傳感器
基本原理是利用運(yùn)動(dòng)物體反射或散射光的多普勒頻移效應(yīng)來(lái)檢測(cè)其運(yùn)動(dòng)速度，即光頻率與光接收器和光源間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。當(dāng)它們相對(duì)靜止時(shí)，接收到光的振蕩頻率;當(dāng)它們之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收到的光頻率與其振蕩頻率發(fā)生頻移，頻移大小與相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度大小和方向有關(guān)。
4、波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器
傳統(tǒng)的波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器是利用傳感探頭的光譜特性隨外界物理量變化的性質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
此類(lèi)傳感器多為非功能型傳感器。在波長(zhǎng)調(diào)制的光纖探頭中，光纖只是簡(jiǎn)單的作為導(dǎo)光用，即把入射光送往測(cè)量區(qū)，而將返回的調(diào)制光送往分析器。光纖波長(zhǎng)探測(cè)技術(shù)的關(guān)鍵是光源和頻譜分析器的良好性能，這對(duì)于傳感系統(tǒng)的穩(wěn)定性和分辨率起著決定性的影響。
5、分布式光纖傳感器
分布式光纖傳感器是采用獨(dú)特的分布式光纖探測(cè)技術(shù)，對(duì)沿光纖傳輸路徑上的空間分布和隨時(shí)間變化信息進(jìn)行測(cè)量或監(jiān)控的傳感器。利用光波在光纖中傳輸?shù)奶匦?，可沿光纖長(zhǎng)度方向連續(xù)的傳感被測(cè)量（如溫度、壓力、應(yīng)力和應(yīng)變等），光纖既是傳感介質(zhì)，又是被測(cè)量的傳輸介質(zhì)。它將傳感光纖沿場(chǎng)排布，可以同時(shí)獲得被測(cè)場(chǎng)的空間分布和隨時(shí)間的變化信息
6、偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器
基本原理是利用光的偏振態(tài)的變化來(lái)傳遞被測(cè)對(duì)象信息。
光波是一種橫波，它的光矢量是與傳播方向垂直的。如果光波的光矢量方向始終不變，只是它的大小隨相位改變，這樣的光稱(chēng)為是線偏振光。光矢量與光的傳播方向組成的平面為線偏振光的振動(dòng)面。
如果光矢量的大小保持不變，而它的方向繞傳播方向均勻的轉(zhuǎn)動(dòng)，光矢量末端的軌跡是一個(gè)圓，這樣的光稱(chēng)為圓偏振光。如果光矢量的大小和方向都在有規(guī)律的變化，且光矢量的末端沿一個(gè)橢圓轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣的光稱(chēng)為橢圓偏振光。
利用光波的偏振性質(zhì)，可以制成偏振調(diào)制光纖傳感器。在許多光纖系統(tǒng)中，尤其是包含單模光纖的那些系統(tǒng)，偏振起著重要的作用。許多物理效應(yīng)都會(huì)影響或改變光的偏振狀態(tài)，有些效應(yīng)可引起雙折射現(xiàn)象。所謂雙折射現(xiàn)象就是對(duì)于光學(xué)性質(zhì)隨方向而異的一些晶體，一束入射光常分解為兩束折射光的現(xiàn)象。光通過(guò)雙折射媒質(zhì)的相位延遲是輸入光偏振狀態(tài)的函數(shù)。
偏振態(tài)調(diào)制光纖傳感器檢測(cè)靈敏度高，可避免光源強(qiáng)度變化的影響，而且相對(duì)相位調(diào)制光纖傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、且調(diào)整方便。其主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)椋豪梅ɡ谛?yīng)的電流、磁場(chǎng)傳感器;利用泡爾效應(yīng)的電場(chǎng)、電壓傳感器;利用光彈效應(yīng)的壓力、振動(dòng)或聲傳感器;利用雙折射性的溫度、壓力、振動(dòng)傳感器。
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偏振調(diào)制光纖傳感器：波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器的基礎(chǔ)信息
光波是一種橫波，它的光矢量是與傳播方向垂直的。如果光波的光矢量方向始終不變，只是它的大小隨相位改變，這樣的光稱(chēng)為是線偏振光。光矢量與光的傳播方向組成的平面為線偏振光的振動(dòng)面。 如果光矢量的大小保持不變，而它的方向繞傳播方向均勻的轉(zhuǎn)動(dòng)，光矢量末端的軌跡是一個(gè)圓，這樣的光稱(chēng)為圓偏振光。如果光矢量的大小和方向都在有規(guī)律的變化，且光矢量的末端沿一個(gè)橢圓轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣的光稱(chēng)為橢圓偏振光。 利用光波的偏振性質(zhì)，可以制成偏振調(diào)制光纖傳感器。在許多光纖系統(tǒng)中，尤其是包含單模光纖的那些系統(tǒng)，偏振起著重要的作用。許多物理效應(yīng)都會(huì)影響或改變光的偏振狀態(tài)，有些效應(yīng)可引起雙折射現(xiàn)象。所謂雙折射現(xiàn)象就是對(duì)于光學(xué)性質(zhì)隨方向而異的一些晶體，一束入射光常分解為兩束折射光的現(xiàn)象。光通過(guò)雙折射媒質(zhì)的相位延遲是輸入光偏振狀態(tài)的函數(shù)。 偏振態(tài)調(diào)制光纖傳感器檢測(cè)靈敏度高，可避免光源強(qiáng)度變化的影響，而且相對(duì)相位調(diào)制光纖傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、且調(diào)整方便。其主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)椋豪梅ɡ谛?yīng)的電流、磁場(chǎng)傳感器；利用泡爾效應(yīng)的電場(chǎng)、電壓傳感器；利用光彈效應(yīng)的壓力、振動(dòng)或聲傳感器；利用雙折射性的溫度、壓力、振動(dòng)傳感器。目前最主要的還是用于監(jiān)測(cè)強(qiáng)電流。 波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器 傳統(tǒng)的波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器是利用傳感探頭的光譜特性隨外界物理量變化的性質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 此類(lèi)傳感器多為非功能型傳感器。在波長(zhǎng)調(diào)制的光纖探頭中，光纖只是簡(jiǎn)單的作為導(dǎo)光用，即把入射光送往測(cè)量區(qū)，而將返回的調(diào)制光送往分析器。光纖波長(zhǎng)探測(cè)技術(shù)的關(guān)鍵是光源和頻譜分析器的良好性能，這對(duì)于傳感系統(tǒng)的穩(wěn)定性和分辨率起著決定性的影響。 光纖波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù)主要應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、化學(xué)等領(lǐng)域。例如，對(duì)人體血?dú)獾姆治觥H值檢測(cè)、指示劑溶液濃度的化學(xué)分析、磷光和熒光現(xiàn)象分析、黑體輻射分析和法布里一珀羅濾光器等。而目前所稱(chēng)的波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器主要是指光纖布拉格光柵傳感器（FBG）。
