第5章-偏振調(diào)制型傳感器.ppt

偏振調(diào)制型光纖傳感器 Lecture8 9 內(nèi)容提要 偏振 雙折射與波片偏振調(diào)制和偏振干涉Pockles電光效應(yīng)旋光效應(yīng) 法拉第磁光效應(yīng) Kerr效應(yīng)偏振光的干涉與光纖偏振干涉儀光彈效應(yīng) OCT OVT 壓力 水聲 偏振與偏振調(diào)制 概念 線偏振光振動(dòng)面 E K 偏振面 包含k 垂直于振動(dòng)面圓偏振光 橢圓偏振光部分偏振光 全偏振光偏振調(diào)制傳感器常用 電光 磁光 光彈等物理效應(yīng)進(jìn)行調(diào)制 注 光的振動(dòng)方向通常是指電場(chǎng)矢量E的方向 起偏器 檢偏器 自然光 線偏振光 偏振光通過(guò)旋轉(zhuǎn)的檢偏器 光強(qiáng)發(fā)生變化 偏振光通過(guò)旋轉(zhuǎn)的檢偏器 光強(qiáng)發(fā)生變化 起偏器 檢偏器 自然光 線偏振光 偏振光通過(guò)旋轉(zhuǎn)的檢偏器 光強(qiáng)發(fā)生變化 起偏器 檢偏器 自然光 線偏振光 偏振光通過(guò)旋轉(zhuǎn)的檢偏器 光強(qiáng)發(fā)生變化 起偏器 檢偏器 自然光 線偏振光 兩偏振片的偏振化方向相互垂直光強(qiáng)為零 偏振光通過(guò)旋轉(zhuǎn)的檢偏器 光強(qiáng)發(fā)生變化 起偏器 檢偏器 自然光 線偏振光 檢偏器 自然光通過(guò)旋轉(zhuǎn)的檢偏器 光強(qiáng)不變 自然光 自然光 自然光通過(guò)旋轉(zhuǎn)的檢偏器 光強(qiáng)不變 檢偏器 自然光 自然光通過(guò)旋轉(zhuǎn)的檢偏器 光強(qiáng)不變 檢偏器 自然光 自然光通過(guò)旋轉(zhuǎn)的檢偏器 光強(qiáng)不變 檢偏器 自然光 自然光通過(guò)旋轉(zhuǎn)的檢偏器 光強(qiáng)不變 檢偏器 自然光 自然光通過(guò)旋轉(zhuǎn)的檢偏器 光強(qiáng)不變 檢偏器 自然光 自然光通過(guò)旋轉(zhuǎn)的檢偏器 光強(qiáng)不變 檢偏器 雙折射 各向異性介質(zhì)中 一束入射光常有被分解為兩束的現(xiàn)象注意 這種現(xiàn)象不是因?yàn)椴煌l率的光在介質(zhì)中的折射率不同而產(chǎn)生的 o光 尋常光 對(duì)于任意的入射角 其入射角的正弦與折射角的正弦值比為一常數(shù) 即通常所說(shuō)的折射率 e光 非尋常光 若其入射角的正弦與折射角的正弦值比隨入射角而變化 下圖是不同的相位差對(duì)應(yīng)的偏振態(tài) Pockels效應(yīng) 一次電光效應(yīng) 線性電光效應(yīng)晶體中 兩正交的偏振光的相位變化為 單晶電光材料磷酸二氫鉀 KH2PO4 簡(jiǎn)稱KDP no 1 51 546nm時(shí) 半波電壓比克爾盒要求的電壓低得多磷酸二氫胺 NH4H2PO4 ADP 開(kāi)關(guān)響應(yīng)時(shí)間也極短 10 9s 可用作超高速開(kāi)關(guān) 激光調(diào)Q 顯示技術(shù) 數(shù)據(jù)處理 Pockels效應(yīng) 旋光效應(yīng) 磁致旋光效應(yīng) 磁致旋光 magneticopticity 人工方法產(chǎn)生旋光性法拉第旋轉(zhuǎn) Faradayrotation 1846年 法拉第發(fā)現(xiàn)應(yīng)用隔離器 非互易性 即只允許光從一個(gè)方向通過(guò) 而不能從反方向通過(guò)的光閥門 在激光的多級(jí)放大裝置中磁光材料水 二硫化碳 食鹽 乙醇等都是磁致旋光物質(zhì) 對(duì)自然旋光物質(zhì) 光順磁場(chǎng)與逆磁場(chǎng)方向傳播 其振動(dòng)面旋向相反 磁旋光物質(zhì) 光順磁場(chǎng)與逆磁場(chǎng)方向傳播 其振動(dòng)面旋向相同 隔離器應(yīng)用很廣泛 研究物質(zhì)結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)不同 其碳?xì)浠衔锏姆ɡ谛D(zhuǎn)效應(yīng)也不同測(cè)電流和磁場(chǎng) 在電工測(cè)量中 用來(lái)測(cè)電流和磁場(chǎng) 特別可制造用于測(cè)量超高壓電網(wǎng)電流的光纖電流傳感器磁光調(diào)制 光通信技術(shù)中 應(yīng)用磁致旋光效應(yīng) 使信號(hào)電流產(chǎn)生的光振動(dòng)面旋轉(zhuǎn) 轉(zhuǎn)化為光的強(qiáng)度變化 這就是磁光調(diào)制 法拉第效應(yīng)的應(yīng)用 應(yīng)用 光纖電流傳感器 強(qiáng)度H的磁場(chǎng)中 光纖電流傳感器 振動(dòng)面偏轉(zhuǎn)角僅與電流I有關(guān)設(shè) 載流導(dǎo)線中的電流I 0時(shí) 線偏振光振動(dòng)方向在檢偏器處的與y軸平行 檢偏器P 普通檢偏器 的方位為 I 0時(shí)的方位為 在P上的投影 即光探測(cè)器的輸出信號(hào)強(qiáng)度 為J 則在 0 45 時(shí) 檢測(cè)靈敏度最高 NxtPhase OVT進(jìn)行 18 的測(cè)試 BSO晶體光纖電場(chǎng)傳感器 BSO晶體同時(shí)具有電光Pockels效應(yīng)和磁光Faraday效應(yīng) 且其溫度系數(shù)較小 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 電子式光纖電流互感器 Kerr二次電光效應(yīng) 克爾效應(yīng) Kerreffect 1875年 克爾盒內(nèi)充某種液體 如硝基本 C6H5NO2 不加電場(chǎng) 液體各向同性 P2不透光加外電場(chǎng) 液體呈單軸晶體性質(zhì) 光軸平行透光 時(shí) 克爾盒相當(dāng)于半波片 P2透光最強(qiáng)硝基苯 設(shè)l 3cm d 0 8cm 則 600nm 優(yōu)點(diǎn) 響應(yīng)時(shí)間 10 9s 用于光開(kāi)關(guān) 高速攝影 激光通訊 光速測(cè)距 脈沖激光系統(tǒng) 作為Q開(kāi)關(guān) 缺點(diǎn) 如硝基苯有毒 易爆炸 需極高純度和高電壓 故現(xiàn)在很少用 Kerr盒 光纖電壓傳感器 a b 旋光效應(yīng) 晶體和溶液的旋光性單軸晶體 如方解石 光線沿光軸傳播時(shí)不發(fā)生雙折射 o光和e的傳播方向和波速都一樣 垂直于光軸切割出一塊平行平面晶片 從偏振片I透出來(lái)的線偏振光經(jīng)過(guò)此晶片時(shí)偏振狀態(tài)沒(méi)有改變 在偏振片II之后仍然消光 用石英晶體實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn) 要使偏振片II之后消光 必須將偏振片II的透振方向向左或向右旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度 3 7 旋光效應(yīng) 旋光現(xiàn)象 旋光性 opticalactivity 與旋光物質(zhì)晶體 振動(dòng)面旋轉(zhuǎn)角度 與晶片厚度d成正比溶液 還與溶液的濃度C成正比 即應(yīng)用 在制糖 制藥和化工等方面 例 糖度分析儀 糖量計(jì) saccharimeter 測(cè)定糖溶液濃度根據(jù)糖溶液的旋光性而設(shè)計(jì)的一種儀器在一定的溫度和波長(zhǎng)下 事先測(cè)得比旋長(zhǎng)率 然后再測(cè)出未知濃度溶液使振動(dòng)面偏轉(zhuǎn)的角度 旋光效應(yīng)的解釋 平行偏振光的干涉匯聚偏振光的干涉 偏振光的干涉 光纖偏振干涉儀 原理 單根高雙折射單模光纖 兩正交偏振模式 相移差比較 高雙折射光纖 拍長(zhǎng) 3 2mm 測(cè)溫 靈敏度2 5rad m MZ的 100rad m 儀器裝置簡(jiǎn)單 壓力靈敏度為M Z干涉儀的1 7300 因此有較強(qiáng)的壓力去敏作用 在垂直于k方向上施加應(yīng)力 內(nèi)應(yīng)力或外來(lái)的機(jī)械應(yīng)力 雙折射片狀 插在兩偏振片之間 不同地點(diǎn)因 no ne 不同會(huì)引起o光和e間不同的相位差 干涉圖樣 應(yīng)力越集中地方 各向異性越強(qiáng) 干涉條紋越細(xì)密 在白光照射下 則顯示出彩色的干涉圖樣 可構(gòu)成壓力 振動(dòng) 位移等光纖傳感器 光彈效應(yīng) 壓力與水聲傳感器 折射系數(shù)與聲強(qiáng)的關(guān)系材料的光彈性聲強(qiáng)檢測(cè)靈敏度Pyrex玻璃材料最小可測(cè)壓差 9 5Pa 理論值為1 4Pa 在0 500kPa 有良好的線性 測(cè)量范圍可擴(kuò)展至2MPa 動(dòng)態(tài)范圍達(dá)86dB