光纖傳感器基本原理重點(diǎn)

1、第五章第五章 光纖傳感器基本原理光纖傳感器基本原理5.1 引引 言言光光纖傳感技術(shù)是伴隨著光通信技術(shù)的發(fā)展而逐纖傳感技術(shù)是伴隨著光通信技術(shù)的發(fā)展而逐步形成的。步形成的。光光纖傳感器與傳統(tǒng)的各類傳感器相比有一系列纖傳感器與傳統(tǒng)的各類傳感器相比有一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，如獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，如靈敏度高靈敏度高，抗電磁干擾、耐腐抗電磁干擾、耐腐蝕、電絕緣性好，防爆，光路有可撓曲性，便蝕、電絕緣性好，防爆，光路有可撓曲性，便于與計(jì)算機(jī)聯(lián)接，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕，于與計(jì)算機(jī)聯(lián)接，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕，耗電少耗電少等。等。 光纖傳感器按傳感原理可分為光纖傳感器按傳感原理可分為功能型功能型和和非功能型非功能型。

2、功能型光纖傳感器是利用光纖本身的特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，所以也稱性把光纖作為敏感元件，所以也稱傳感傳感型光纖傳感器型光纖傳感器，或，或全光纖傳感器全光纖傳感器。 非功能型光纖傳感器是利用其它敏感元非功能型光纖傳感器是利用其它敏感元件感受被測(cè)量的變化，光纖僅作為傳輸件感受被測(cè)量的變化，光纖僅作為傳輸介質(zhì)，傳輸來(lái)自遠(yuǎn)處或難以接近場(chǎng)所的介質(zhì)，傳輸來(lái)自遠(yuǎn)處或難以接近場(chǎng)所的光信號(hào)所以也稱為光信號(hào)所以也稱為傳光型傳感器傳光型傳感器或或混合型傳感器混合型傳感器。在光纖中傳輸?shù)墓獠捎萌缦滦问降姆匠堂枋觯涸诠饫w中傳輸?shù)墓獠捎萌缦滦问降姆匠堂枋觯?光纖傳感器按被調(diào)制的光波參數(shù)

3、不同可分為光纖傳感器按被調(diào)制的光波參數(shù)不同可分為強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器相位調(diào)制光纖傳感器相位調(diào)制光纖傳感器頻率調(diào)制光纖傳感器頻率調(diào)制光纖傳感器偏振調(diào)制光纖傳感器偏振調(diào)制光纖傳感器波長(zhǎng)波長(zhǎng)(顏色顏色)調(diào)制光纖傳感器調(diào)制光纖傳感器5.2 強(qiáng)度調(diào)制機(jī)理強(qiáng)度調(diào)制機(jī)理 5.2.1 反射式強(qiáng)度調(diào)制反射式強(qiáng)度調(diào)制 這是一種非功能型光纖傳感器，光纖本身只起傳光作用這是一種非功能型光纖傳感器，光纖本身只起傳光作用.輸出光纖端面受光錐照輸出光纖端面受光錐照射的表面所占的百分比射的表面所占的百分比為為被輸出光纖接收的入射光功率百分?jǐn)?shù)為被輸出光纖接收的入射光功率百分?jǐn)?shù)為(F被稱為被稱為耦合效率耦合效率)

4、5.2.2 5.2.2 透射式強(qiáng)度調(diào)制透射式強(qiáng)度調(diào)制動(dòng)光纖式光強(qiáng)調(diào)制模型，用來(lái)測(cè)量位移、壓力、溫度等物理量。這動(dòng)光纖式光強(qiáng)調(diào)制模型，用來(lái)測(cè)量位移、壓力、溫度等物理量。這些物理量的變化使接收光纖的軸線相對(duì)于發(fā)射光纖錯(cuò)開(kāi)一段距離些物理量的變化使接收光纖的軸線相對(duì)于發(fā)射光纖錯(cuò)開(kāi)一段距離, 光強(qiáng)度調(diào)制器的線性度和靈敏度都很好。光強(qiáng)度調(diào)制器的線性度和靈敏度都很好。采用雙透鏡系統(tǒng)使入射采用雙透鏡系統(tǒng)使入射光纖在出射光纖上聚焦，光纖在出射光纖上聚焦，遮光屏在垂直于兩透鏡遮光屏在垂直于兩透鏡之間的光傳播方向上下之間的光傳播方向上下移動(dòng)。這種傳感器光耦移動(dòng)。這種傳感器光耦合計(jì)算方法與反射式傳合計(jì)算方法與反射式傳

5、感器是一樣的。在上述感器是一樣的。在上述的簡(jiǎn)化分析限定范圍內(nèi)，的簡(jiǎn)化分析限定范圍內(nèi)，比值比值/r與可移動(dòng)遮光屏與可移動(dòng)遮光屏及兩透鏡問(wèn)半徑為及兩透鏡問(wèn)半徑為r的光的光柱相交疊面積的百分比柱相交疊面積的百分比。 不用透鏡的兩光不用透鏡的兩光纖直接耦合系統(tǒng)，纖直接耦合系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)雖然簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)雖然簡(jiǎn)單，但也能很好地工但也能很好地工作。只是接收光作。只是接收光纖端面只占發(fā)射纖端面只占發(fā)射光纖發(fā)出的光錐光纖發(fā)出的光錐底面的一部分，底面的一部分，使光耦合系數(shù)減使光耦合系數(shù)減小，靈敏度也降小，靈敏度也降低一個(gè)數(shù)量級(jí)低一個(gè)數(shù)量級(jí) (r/dT)2。利用兩個(gè)周期結(jié)構(gòu)的光柵遮光屏傳感器通過(guò)一對(duì)光柵遮光利用兩個(gè)周期結(jié)

6、構(gòu)的光柵遮光屏傳感器通過(guò)一對(duì)光柵遮光屏的透射率，從屏的透射率，從50(當(dāng)兩個(gè)屏完全重疊時(shí)當(dāng)兩個(gè)屏完全重疊時(shí))變到零變到零(當(dāng)一個(gè)屏當(dāng)一個(gè)屏的不透明條完全覆蓋住另一個(gè)屏的透明部分的不透明條完全覆蓋住另一個(gè)屏的透明部分)。在此周期性結(jié)。在此周期性結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)，光的輸出強(qiáng)度是周期性的。而且它的分辨率在光構(gòu)范圍內(nèi)，光的輸出強(qiáng)度是周期性的。而且它的分辨率在光珊條紋間距的珊條紋間距的10-6數(shù)量級(jí)以內(nèi)。這是能夠構(gòu)成很靈敏、很簡(jiǎn)數(shù)量級(jí)以內(nèi)。這是能夠構(gòu)成很靈敏、很簡(jiǎn)單、高可靠的位移傳感器的基礎(chǔ)。單、高可靠的位移傳感器的基礎(chǔ)。 作業(yè)作業(yè)1、由圖、由圖5-2的幾何關(guān)系推導(dǎo)出下列關(guān)系式的幾何關(guān)系推導(dǎo)出下列關(guān)系式2、由

7、圖、由圖5-2，已知光纖芯直徑為，已知光纖芯直徑為2r200um，數(shù)據(jù)孔徑數(shù)據(jù)孔徑NA=0.5，光纖間距，光纖間距a=100um。若取。若取函數(shù)函數(shù)F(d)的最大斜率處為該系統(tǒng)的靈敏度，的最大斜率處為該系統(tǒng)的靈敏度，則耦合功率則耦合功率F隨隨d變化速率為何值？變化速率為何值？5.2.3 光模式強(qiáng)度調(diào)制光模式強(qiáng)度調(diào)制兩個(gè)模的傳播常數(shù)分別兩個(gè)模的傳播常數(shù)分別為為和和，當(dāng)，當(dāng)= - = 2/相位失配為零，模間精相位失配為零，模間精合達(dá)到最佳。合達(dá)到最佳。當(dāng)光纖之間狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，會(huì)引起光纖中的模式耦合，其當(dāng)光纖之間狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，會(huì)引起光纖中的模式耦合，其中有些導(dǎo)波模變成了輻射模，從而引起損耗，中有

8、些導(dǎo)波模變成了輻射模，從而引起損耗，變形器的位移改變了彎曲處的模振幅，從而產(chǎn)生變形器的位移改變了彎曲處的模振幅，從而產(chǎn)生強(qiáng)度調(diào)制。強(qiáng)度調(diào)制。對(duì)于拋物線對(duì)于拋物線(或平方律或梯度或平方律或梯度)折射率分布的光折射率分布的光纖纖變形器的臨界空間周期為變形器的臨界空間周期為對(duì)于階躍光纖對(duì)于階躍光纖光纖傳播模式的改變，光纖傳播模式的改變，還可以改變光纖模斑斑還可以改變光纖模斑斑圖，依據(jù)模斑圖形的變圖，依據(jù)模斑圖形的變化也可進(jìn)行光模式強(qiáng)度化也可進(jìn)行光模式強(qiáng)度調(diào)制。多模光纖出射的調(diào)制。多模光纖出射的遠(yuǎn)場(chǎng)光斑就像一個(gè)切開(kāi)遠(yuǎn)場(chǎng)光斑就像一個(gè)切開(kāi)的的“西瓜西瓜”，“亮亮”、“黑黑”無(wú)規(guī)則地相間變無(wú)規(guī)則地相間變化。

9、化。5.2.4 折射率強(qiáng)度調(diào)制折射率強(qiáng)度調(diào)制 一、光纖折射率變化型一、光纖折射率變化型 一般光纖的纖芯和包層的折射軍溫度系數(shù)一般光纖的纖芯和包層的折射軍溫度系數(shù)不同。在溫度恒定時(shí)，包層折射率不同。在溫度恒定時(shí)，包層折射率n2與與纖芯折射率纖芯折射率n1之間的差值是恒定的。當(dāng)之間的差值是恒定的。當(dāng)溫度變化時(shí)，溫度變化時(shí)， n2 、 n1之間的差發(fā)生變化，之間的差發(fā)生變化，從而改變傳輸損耗。因此，以某一溫度從而改變傳輸損耗。因此，以某一溫度時(shí)接收到的光強(qiáng)為基準(zhǔn)時(shí)接收到的光強(qiáng)為基準(zhǔn),根據(jù)傳輸功率的根據(jù)傳輸功率的變化可確定溫度的變化。變化可確定溫度的變化。 二、漸逝波耦合型二、漸逝波耦合型通常漸逝波在

10、光疏媒質(zhì)中深人距離有幾通常漸逝波在光疏媒質(zhì)中深人距離有幾個(gè)波長(zhǎng)時(shí)能量就可以忽略不計(jì)了。如個(gè)波長(zhǎng)時(shí)能量就可以忽略不計(jì)了。如果采用一種辦法使慚逝場(chǎng)能以較大的振果采用一種辦法使慚逝場(chǎng)能以較大的振幅穿過(guò)光疏媒質(zhì)，并伸展到附近的折射幅穿過(guò)光疏媒質(zhì)，并伸展到附近的折射 率高的光密媒質(zhì)材料中，能量就能穿過(guò)率高的光密媒質(zhì)材料中，能量就能穿過(guò)間隙，這一過(guò)程稱為受抑全反射。間隙，這一過(guò)程稱為受抑全反射。L表示一對(duì)單模或多模光纖的相互作用長(zhǎng)度，表示一對(duì)單?；蚨嗄９饫w的相互作用長(zhǎng)度，d表示纖芯之間的表示纖芯之間的距離。光纖包層被減薄或完全剝?nèi)ィ阋援a(chǎn)生漸逝場(chǎng)耦合。距離。光纖包層被減薄或完全剝?nèi)?，足以產(chǎn)生漸逝場(chǎng)耦合。d

11、、L或或n2稍有變化，光探測(cè)器的接收光強(qiáng)就有明顯變化、從而稍有變化，光探測(cè)器的接收光強(qiáng)就有明顯變化、從而實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)調(diào)制、這一原理已應(yīng)用于水聽(tīng)器。實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)調(diào)制、這一原理已應(yīng)用于水聽(tīng)器。三、反射系數(shù)型三、反射系數(shù)型由菲涅爾反射公式由菲涅爾反射公式式中，式中，R為平行偏振方向的強(qiáng)度反射系數(shù)，為平行偏振方向的強(qiáng)度反射系數(shù)，R為為垂直偏振方向的強(qiáng)度反射系數(shù)；垂直偏振方向的強(qiáng)度反射系數(shù)；n=n3n1 ，為入射為入射光波在界面上的入射角光波在界面上的入射角。5.2.5 光吸收系數(shù)強(qiáng)度調(diào)制光吸收系數(shù)強(qiáng)度調(diào)制一、利用光纖的吸收特性進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制一、利用光纖的吸收特性進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制x射線、射線、射線等輻射線會(huì)使光纖材料

12、的吸射線等輻射線會(huì)使光纖材料的吸收損耗增加，使光纖的輸出功率降低，收損耗增加，使光纖的輸出功率降低，從而構(gòu)成強(qiáng)度調(diào)制輻射量傳感器。改變從而構(gòu)成強(qiáng)度調(diào)制輻射量傳感器。改變光纖材料成分可對(duì)不同的射線進(jìn)行測(cè)量。光纖材料成分可對(duì)不同的射線進(jìn)行測(cè)量。如選用鉛玻璃制成光纖，它對(duì)如選用鉛玻璃制成光纖，它對(duì)x射線、射線、 射線、中子射線最敏感，用這種方法做射線、中子射線最敏感，用這種方法做成的傳感器既可用于衛(wèi)星外層空間劑量成的傳感器既可用于衛(wèi)星外層空間劑量的監(jiān)測(cè)，也可用于核電站、放射性物質(zhì)的監(jiān)測(cè)，也可用于核電站、放射性物質(zhì)堆放處輻射量的大面積監(jiān)測(cè)。堆放處輻射量的大面積監(jiān)測(cè)。 二、利用半導(dǎo)體的吸收特性進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)

13、制二、利用半導(dǎo)體的吸收特性進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制 大多數(shù)半導(dǎo)體的禁帶寬度大多數(shù)半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg都隨著都隨著溫度溫度T的升高而幾乎線性地減小。它們的的升高而幾乎線性地減小。它們的光吸收邊的波長(zhǎng)將隨著光吸收邊的波長(zhǎng)將隨著T的升高而變化。的升高而變化。5.3 相位調(diào)制機(jī)理相位調(diào)制機(jī)理 利用光相位調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)一些物理量的測(cè)利用光相位調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)一些物理量的測(cè)量可以獲得極高的靈敏度。量可以獲得極高的靈敏度。 相位調(diào)制光纖傳感器的基本傳感原理是：相位調(diào)制光纖傳感器的基本傳感原理是：通過(guò)被測(cè)能量場(chǎng)的作用，使光纖內(nèi)傳播通過(guò)被測(cè)能量場(chǎng)的作用，使光纖內(nèi)傳播的光波相位發(fā)生變化，再用干涉測(cè)量技的光波相位發(fā)生變化，再用干涉測(cè)量技

14、術(shù)把相位變化轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)變化，從而檢術(shù)把相位變化轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)變化，從而檢測(cè)出待測(cè)的物理量。測(cè)出待測(cè)的物理量。 5.3.1 相位調(diào)制相位調(diào)制一、應(yīng)力應(yīng)變效應(yīng)一、應(yīng)力應(yīng)變效應(yīng)當(dāng)光纖受到縱向當(dāng)光纖受到縱向(軸向軸向)的機(jī)械應(yīng)力作用時(shí)，的機(jī)械應(yīng)力作用時(shí)，光纖的長(zhǎng)度、芯徑、纖芯折射率都將發(fā)光纖的長(zhǎng)度、芯徑、纖芯折射率都將發(fā)生變化，這些變化將導(dǎo)致光波的相位變生變化，這些變化將導(dǎo)致光波的相位變化化.式中，式中，a為光纖芯的半徑；為光纖芯的半徑；第一項(xiàng)表示由光纖長(zhǎng)度變化引起的相位延遲第一項(xiàng)表示由光纖長(zhǎng)度變化引起的相位延遲(應(yīng)變效應(yīng)應(yīng)變效應(yīng))；第二項(xiàng)表示感應(yīng)折射率變化引起的相位延遲第二項(xiàng)表示感應(yīng)折射率變化引起的相位

15、延遲(光隙效應(yīng)光隙效應(yīng))；第三項(xiàng)則表示光纖的半徑改變所產(chǎn)生的相位延遲第三項(xiàng)則表示光纖的半徑改變所產(chǎn)生的相位延遲(泊松效泊松效應(yīng)應(yīng))。 1縱向應(yīng)變引起的相位變化縱向應(yīng)變引起的相位變化 2徑向應(yīng)變引起的相位變化徑向應(yīng)變引起的相位變化 不考慮泊松效應(yīng)時(shí)有不考慮泊松效應(yīng)時(shí)有實(shí)現(xiàn)縱向、徑向應(yīng)變最簡(jiǎn)便的方法是，采用一個(gè)實(shí)現(xiàn)縱向、徑向應(yīng)變最簡(jiǎn)便的方法是，采用一個(gè)空心的壓電陶瓷圓柱筒空心的壓電陶瓷圓柱筒(PZT)，在這個(gè)圓柱筒，在這個(gè)圓柱筒上纏繞一圈或多圈光纖，并在其徑向或軸向施上纏繞一圈或多圈光纖，并在其徑向或軸向施加驅(qū)動(dòng)信號(hào)，由于加驅(qū)動(dòng)信號(hào)，由于PZT筒的直徑隨驅(qū)動(dòng)信號(hào)變筒的直徑隨驅(qū)動(dòng)信號(hào)變化，故纏繞在其

16、上的光纖也隨之伸縮。光纖承化，故纏繞在其上的光纖也隨之伸縮。光纖承受到應(yīng)力，光波相位隨之變化。受到應(yīng)力，光波相位隨之變化。二、溫度應(yīng)變效應(yīng)二、溫度應(yīng)變效應(yīng)僅考慮徑向折射率變化時(shí)，其相位隨溫度變化為僅考慮徑向折射率變化時(shí)，其相位隨溫度變化為5.3.2 光纖干涉儀光纖干涉儀光纖相位傳感器要求有相應(yīng)的干涉儀來(lái)完光纖相位傳感器要求有相應(yīng)的干涉儀來(lái)完成相位檢測(cè)過(guò)程。對(duì)于一個(gè)相位調(diào)制干成相位檢測(cè)過(guò)程。對(duì)于一個(gè)相位調(diào)制干涉型光纖傳感器，敏感光纖和干涉儀缺涉型光纖傳感器，敏感光纖和干涉儀缺一不可。敏感光纖完成相位調(diào)制任務(wù)，一不可。敏感光纖完成相位調(diào)制任務(wù)，干涉儀完成相位干涉儀完成相位光強(qiáng)的轉(zhuǎn)換任務(wù)。光強(qiáng)的轉(zhuǎn)換

17、任務(wù)。 在光波的干涉測(cè)量中，傳播的光波可能是兩在光波的干涉測(cè)量中，傳播的光波可能是兩束或多束相干光。束或多束相干光。 例如，設(shè)有光振幅分別為例如，設(shè)有光振幅分別為A1和和A2的兩個(gè)相干的兩個(gè)相干光束。如果其中一束光的相位由于某種因素的光束。如果其中一束光的相位由于某種因素的影響受到調(diào)制，則在干涉域中產(chǎn)生干涉。干涉影響受到調(diào)制，則在干涉域中產(chǎn)生干涉。干涉場(chǎng)中各點(diǎn)的光強(qiáng)可表示為場(chǎng)中各點(diǎn)的光強(qiáng)可表示為一、邁克爾遜一、邁克爾遜(Michlson)光纖干涉儀光纖干涉儀二、馬赫二、馬赫澤德澤德(Machzehnder)光纖干涉光纖干涉儀儀保證全光纖干涉儀的工作點(diǎn)穩(wěn)定是比較困難的。在零差檢保證全光纖干涉儀的

18、工作點(diǎn)穩(wěn)定是比較困難的。在零差檢測(cè)方式中，需要保證兩光纖臂間的正交狀態(tài)。所以系統(tǒng)要測(cè)方式中，需要保證兩光纖臂間的正交狀態(tài)。所以系統(tǒng)要求環(huán)境溫差不能太大。求環(huán)境溫差不能太大?！罢粻顟B(tài)正交狀態(tài)”是指干涉儀的兩臂光波間的相對(duì)相位為是指干涉儀的兩臂光波間的相對(duì)相位為90。正交檢測(cè)方式的優(yōu)點(diǎn)是探測(cè)相位靈敏度最高。正交檢測(cè)方式的優(yōu)點(diǎn)是探測(cè)相位靈敏度最高。三、賽格納克三、賽格納克(Sagnac)光纖干涉儀光纖干涉儀干涉儀裝在一個(gè)可繞垂干涉儀裝在一個(gè)可繞垂直于光束平面軸旋轉(zhuǎn)的直于光束平面軸旋轉(zhuǎn)的平臺(tái)上，且平臺(tái)以角速平臺(tái)上，且平臺(tái)以角速度度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)賽格轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)賽格納克效應(yīng)，兩束傳播方納克效應(yīng)，兩束傳播

19、方向相反的光束到達(dá)光探向相反的光束到達(dá)光探測(cè)器的延遲不同。測(cè)器的延遲不同。若平臺(tái)以順時(shí)針?lè)较蛐羝脚_(tái)以順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，則順時(shí)針?lè)较騻鞑マD(zhuǎn)，則順時(shí)針?lè)较騻鞑サ墓廨^逆時(shí)針?lè)较騻鞑サ墓廨^逆時(shí)針?lè)较騻鞑サ墓庋舆t。的光延遲。相位延遲量可表示為相位延遲量可表示為式中，式中，A是光路圍成是光路圍成 的面積；的面積； 光纖陀螺儀光纖陀螺儀 四、法布里四、法布里珀羅珀羅(Fabry-Perot)光纖干涉儀光纖干涉儀由兩塊部分反射、部分透射、平行放置的反射鏡組成。在兩個(gè)相由兩塊部分反射、部分透射、平行放置的反射鏡組成。在兩個(gè)相對(duì)的反射鏡表面鍍有反射膜，其反射率通常達(dá)對(duì)的反射鏡表面鍍有反射膜，其反射率通常達(dá)95以上

20、。以上。法布里法布里珀羅干涉儀是多光束干涉。根據(jù)珀羅干涉儀是多光束干涉。根據(jù)多光束干涉的原理，探測(cè)器上探測(cè)到的多光束干涉的原理，探測(cè)器上探測(cè)到的干涉光強(qiáng)的變化為干涉光強(qiáng)的變化為透射的干涉光強(qiáng)的最大值與最小值之比透射的干涉光強(qiáng)的最大值與最小值之比它與一般法布里它與一般法布里珀羅干涉儀的區(qū)別在于以光纖珀羅干涉儀的區(qū)別在于以光纖光程代替空氣光程，以光纖特性變化來(lái)調(diào)制相位光程代替空氣光程，以光纖特性變化來(lái)調(diào)制相位代替以傳感器控制反射鏡移動(dòng)實(shí)現(xiàn)調(diào)相。代替以傳感器控制反射鏡移動(dòng)實(shí)現(xiàn)調(diào)相。5.4 頻率調(diào)制機(jī)理頻率調(diào)制機(jī)理 采用頻率調(diào)制技術(shù)可以對(duì)有限的幾個(gè)物采用頻率調(diào)制技術(shù)可以對(duì)有限的幾個(gè)物理量進(jìn)行測(cè)量。它主

21、要是利用運(yùn)動(dòng)物體理量進(jìn)行測(cè)量。它主要是利用運(yùn)動(dòng)物體反射或散射光的反射或散射光的多普勒頻移多普勒頻移效應(yīng)來(lái)檢測(cè)效應(yīng)來(lái)檢測(cè)其運(yùn)動(dòng)速度。其運(yùn)動(dòng)速度。設(shè)光源和觀察者處于同一位置。如果頻率為設(shè)光源和觀察者處于同一位置。如果頻率為f的光照射在相的光照射在相對(duì)光速度為對(duì)光速度為v的運(yùn)動(dòng)物體上，那么觀察者接收的運(yùn)動(dòng)物體反的運(yùn)動(dòng)物體上，那么觀察者接收的運(yùn)動(dòng)物體反射光頻率射光頻率f1為為當(dāng)光源和觀察者處于相對(duì)靜止的二個(gè)位置時(shí)，可當(dāng)光源和觀察者處于相對(duì)靜止的二個(gè)位置時(shí)，可當(dāng)作雙重多普勒效應(yīng)來(lái)考慮。先考慮從光源到當(dāng)作雙重多普勒效應(yīng)來(lái)考慮。先考慮從光源到運(yùn)動(dòng)體，再考慮從運(yùn)動(dòng)體到觀察者。運(yùn)動(dòng)體，再考慮從運(yùn)動(dòng)體到觀察者。)

22、cos(1cos1cos1cos1cos1212121211cvfcvcvfcvffcvff5.4.1 光纖多普勒技術(shù)光纖多普勒技術(shù)根據(jù)多普勒頻移原理，采用激光作為光源根據(jù)多普勒頻移原理，采用激光作為光源的測(cè)量技術(shù)是研究流體流動(dòng)的有效手段。的測(cè)量技術(shù)是研究流體流動(dòng)的有效手段。它的主要持點(diǎn)是空間分辨率高，光束不干它的主要持點(diǎn)是空間分辨率高，光束不干擾流動(dòng)性，并具有跟蹤快速變化的能力。擾流動(dòng)性，并具有跟蹤快速變化的能力。 現(xiàn)在來(lái)討論一下檢測(cè)信號(hào)的光功率計(jì)算方法。流體中現(xiàn)在來(lái)討論一下檢測(cè)信號(hào)的光功率計(jì)算方法。流體中運(yùn)動(dòng)體的返回信號(hào)大小取決于背向散射光強(qiáng)、媒質(zhì)衰運(yùn)動(dòng)體的返回信號(hào)大小取決于背向散射光強(qiáng)、

23、媒質(zhì)衰減和光纖接收面積及數(shù)值孔徑。減和光纖接收面積及數(shù)值孔徑。返回進(jìn)入光纖的總功率返回進(jìn)入光纖的總功率Pr5.5 波長(zhǎng)調(diào)制機(jī)理波長(zhǎng)調(diào)制機(jī)理 波長(zhǎng)調(diào)制光纖傳感器主要是利用傳感探頭的光頻譜特性波長(zhǎng)調(diào)制光纖傳感器主要是利用傳感探頭的光頻譜特性隨外界物理量變化的性質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。此類傳感器多為隨外界物理量變化的性質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。此類傳感器多為非功能型傳感器。非功能型傳感器。5.5.1 光纖光纖pH探測(cè)技術(shù)探測(cè)技術(shù)這種技術(shù)利用化學(xué)指示劑對(duì)被測(cè)溶液的顏色反應(yīng)這種技術(shù)利用化學(xué)指示劑對(duì)被測(cè)溶液的顏色反應(yīng)來(lái)測(cè)量溶液的來(lái)測(cè)量溶液的pH值值. 采用雙波長(zhǎng)工作方式的目的是為了消除測(cè)量采用雙波長(zhǎng)工作方式的目的是為了消除測(cè)量中多

24、種因素所造成的誤差。取綠光中多種因素所造成的誤差。取綠光(558nm)作作為調(diào)制檢測(cè)光，紅光為調(diào)制檢測(cè)光，紅光(630 nm)作參考光，探測(cè)作參考光，探測(cè)器接收到的綠光與紅光強(qiáng)度的吸收比值為器接收到的綠光與紅光強(qiáng)度的吸收比值為R, pH值與值與R的關(guān)系為的關(guān)系為式中式中c、k為常數(shù)；為常數(shù)；L為試劑長(zhǎng)度為試劑長(zhǎng)度, pHpK，其中，其中pH是酸堿度是酸堿度, pK是酸堿平衡常數(shù)。是酸堿平衡常數(shù)。5.2 光纖磷光探測(cè)技術(shù)光纖磷光探測(cè)技術(shù)兩個(gè)光電二極管的敏感兩個(gè)光電二極管的敏感波長(zhǎng)不同，一個(gè)對(duì)波長(zhǎng)不同，一個(gè)對(duì)540 nm的光敏感，另一個(gè)的光敏感，另一個(gè)對(duì)對(duì)630 nm的光敏感。經(jīng)的光敏感。經(jīng)光電二

25、極管轉(zhuǎn)換成電信光電二極管轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)電子電路進(jìn)號(hào)，再經(jīng)過(guò)電子電路進(jìn)行信號(hào)處理，得到相對(duì)行信號(hào)處理，得到相對(duì)光強(qiáng)與溫度變化的特性光強(qiáng)與溫度變化的特性曲線。經(jīng)校正可以得到曲線。經(jīng)校正可以得到輸出相對(duì)光強(qiáng)與溫度呈輸出相對(duì)光強(qiáng)與溫度呈線性關(guān)系。線性關(guān)系。5.5.3 光纖黑體探測(cè)技術(shù)光纖黑體探測(cè)技術(shù)通過(guò)測(cè)量物體的熱輻射能量確定物體表面溫度是通過(guò)測(cè)量物體的熱輻射能量確定物體表面溫度是非接觸式測(cè)溫技術(shù)。物體的熱輻射能量隨溫度非接觸式測(cè)溫技術(shù)。物體的熱輻射能量隨溫度提高而增加。對(duì)于理想提高而增加。對(duì)于理想“黑體黑體”輻射源發(fā)射的輻射源發(fā)射的光譜能量可用熱輻射的基本定律之一普朗克光譜能量可用熱輻射的基本

26、定律之一普朗克(Plank)公式表述公式表述.所謂所謂“黑體黑體”、就是能夠完全吸收入射輻射，并、就是能夠完全吸收入射輻射，并具有最大發(fā)射率的物體。具有最大發(fā)射率的物體。1/310) 1(),(2TceCTE光纖黑體探測(cè)技術(shù)。就是以黑體做探頭，利用光光纖黑體探測(cè)技術(shù)。就是以黑體做探頭，利用光纖傳輸熱輻射波，不怕電磁場(chǎng)干擾，質(zhì)量輕纖傳輸熱輻射波，不怕電磁場(chǎng)干擾，質(zhì)量輕靈敏度高，體積小，探頭可以做到靈敏度高，體積小，探頭可以做到0.1mm。 5.5.4 光纖法布里光纖法布里泊羅濾光技術(shù)泊羅濾光技術(shù) 式中，式中，d是法布里是法布里泊羅標(biāo)泊羅標(biāo)準(zhǔn)具厚度；準(zhǔn)具厚度；n是標(biāo)準(zhǔn)具平行是標(biāo)準(zhǔn)具平行板內(nèi)的介質(zhì)折

27、射率；板內(nèi)的介質(zhì)折射率；是反是反射光的相位躍變。射光的相位躍變。5.6 偏振調(diào)制機(jī)理偏振調(diào)制機(jī)理 光波是一種橫波，它的光波是一種橫波，它的光矢量是與傳播方向垂光矢量是與傳播方向垂直直的。如果光波的光矢量方向始終不變，只是的。如果光波的光矢量方向始終不變，只是它的大小隨位相改變，這樣的光稱它的大小隨位相改變，這樣的光稱線偏振光線偏振光。光矢量與光的傳播方向組成的平面為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的振動(dòng)面振動(dòng)面。如果光矢量的大小保持不變，而它。如果光矢量的大小保持不變，而它的方向繞傳播方向均勻地轉(zhuǎn)動(dòng)，光矢量末端的的方向繞傳播方向均勻地轉(zhuǎn)動(dòng)，光矢量末端的軌跡是一個(gè)圓，這樣的光稱

28、圓偏振光。如果光軌跡是一個(gè)圓，這樣的光稱圓偏振光。如果光矢量的大小和方向都在有規(guī)律地變化，且光矢矢量的大小和方向都在有規(guī)律地變化，且光矢量的末端沿著一個(gè)橢圓轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣的光稱量的末端沿著一個(gè)橢圓轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣的光稱橢圓橢圓偏振光偏振光。kEH偏振光的表示法圓偏振光圓偏振光線偏光線偏光橢橢圓圓偏偏振振光光馬呂斯定律馬呂斯定律強(qiáng)度為強(qiáng)度為I0的偏振光，通過(guò)檢偏的偏振光，通過(guò)檢偏器后，透射光的強(qiáng)度為：器后，透射光的強(qiáng)度為： I=I0 cos2其中其中為檢偏器的偏振化方為檢偏器的偏振化方向與入射偏振光的偏振化方向與入射偏振光的偏振化方向之間的夾角。向之間的夾角。AII0為線偏振光的振動(dòng)方向?yàn)榫€偏振光的振動(dòng)方

29、向OM與檢偏器透振方向與檢偏器透振方向ON間的夾角。間的夾角。0AOMN cos0AA 22020cos AAII 0I20IMo一束光強(qiáng)為一束光強(qiáng)為I0的自然光透過(guò)檢偏器，透射光強(qiáng)為的自然光透過(guò)檢偏器，透射光強(qiáng)為I0 /2解釋解釋I=I0 cos2天然的方解石晶體天然的方解石晶體是雙折射晶體是雙折射晶體AB光的雙折射現(xiàn)象光的雙折射現(xiàn)象一束自然光射向石英、一束自然光射向石英、方解石等各向異性介方解石等各向異性介質(zhì)時(shí)，其折射光有兩質(zhì)時(shí)，其折射光有兩束，這種現(xiàn)象稱為束，這種現(xiàn)象稱為雙雙折射現(xiàn)象折射現(xiàn)象。5.6.1 普普克耳克耳效應(yīng)效應(yīng) 各向異性晶體中的普克耳效應(yīng)是一種重要各向異性晶體中的普克耳效應(yīng)

30、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，稱為線折射正比于所加電場(chǎng)的一次方，稱為線性電光效應(yīng)，或普克耳效應(yīng)。性電光效應(yīng)，或普克耳效應(yīng)。 折射率橢球方程折射率橢球方程1232222212nznynx對(duì)于雙抽晶體，主折射率對(duì)于雙抽晶體，主折射率 ；對(duì)于單抽晶體，主折射率對(duì)于單抽晶體，主折射率 為尋常光折射率，為尋常光折射率， 為非常光折射率。為非常光折射率。321nnnonnn21enn 3若若沿光軸方向入射，沿光軸方向入射，o光光和和e光具有相同的折射率光具有相同的

31、折射率和相同的波速，因而無(wú)和相同的波速，因而無(wú)雙折射現(xiàn)象。雙折射現(xiàn)象。尋常光（尋常光（o光）和非常光（光）和非常光（e光）光）尋常光尋常光：對(duì)于晶體一切方向都具有：對(duì)于晶體一切方向都具有相同的折射率，且在入射面內(nèi)傳播，相同的折射率，且在入射面內(nèi)傳播，簡(jiǎn)稱它為簡(jiǎn)稱它為o光。光。非常光非常光：它的折射率（即波速）隨：它的折射率（即波速）隨方向而變化，并且不一定在入射面內(nèi)方向而變化，并且不一定在入射面內(nèi)傳播，簡(jiǎn)稱為傳播，簡(jiǎn)稱為 e 光。光。 o光振動(dòng)方向垂直于該光線（在晶體中）與光軸組成的平面。光振動(dòng)方向垂直于該光線（在晶體中）與光軸組成的平面。e 光振動(dòng)方向平行于該光線（在晶體中）與光軸組成的平面

32、。光振動(dòng)方向平行于該光線（在晶體中）與光軸組成的平面。若光軸在入射面內(nèi)，若光軸在入射面內(nèi)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：o光、光、 e光光均在入射面內(nèi)傳播，均在入射面內(nèi)傳播，且振動(dòng)方向相互垂直且振動(dòng)方向相互垂直。oeAB光軸光軸某些晶體內(nèi)有一個(gè)確定的方向，在這個(gè)方向上，某些晶體內(nèi)有一個(gè)確定的方向，在這個(gè)方向上，o光和光和e光的傳播速度相同，這個(gè)方向稱為晶體的光的傳播速度相同，這個(gè)方向稱為晶體的光軸光軸。MMNN說(shuō)明：說(shuō)明：沿光軸方向入射的光束，通過(guò)晶體不分為兩沿光軸方向入射的光束，通過(guò)晶體不分為兩束光，仍沿入射方向行進(jìn)。它是一個(gè)特征方向。束光，仍沿入射方向行進(jìn)。它是一個(gè)特征方向。具有一個(gè)光軸的晶體，稱為

33、單軸晶體。具有一個(gè)光軸的晶體，稱為單軸晶體。例如：方解石、石英等。例如：方解石、石英等。具有兩個(gè)光軸的晶體，稱為雙軸晶體。具有兩個(gè)光軸的晶體，稱為雙軸晶體。例如：云母、硫黃等。例如：云母、硫黃等。光軸光軸光軸光軸 晶體的兩端設(shè)有電極，并在兩極間加一個(gè)電晶體的兩端設(shè)有電極，并在兩極間加一個(gè)電場(chǎng)。外加電場(chǎng)平行于通光方向，這種運(yùn)用稱為場(chǎng)。外加電場(chǎng)平行于通光方向，這種運(yùn)用稱為縱向運(yùn)用縱向運(yùn)用，或稱為，或稱為縱向調(diào)制縱向調(diào)制。 對(duì)于對(duì)于KDP類晶體，晶體折射率的變化類晶體，晶體折射率的變化n與電與電場(chǎng)場(chǎng)E的關(guān)系由下式給定的關(guān)系由下式給定光程差為光程差為半波電壓半波電壓1BGO調(diào)制器晶體；調(diào)制器晶體；21

34、/4 波長(zhǎng)片波長(zhǎng)片3檢偏器；檢偏器；4電壓傳感器測(cè)頭；電壓傳感器測(cè)頭；5多模光導(dǎo)纖維；多模光導(dǎo)纖維；6一光檢測(cè)器；一光檢測(cè)器；7運(yùn)算器；運(yùn)算器；8一輸出信號(hào)；一輸出信號(hào)；9一光源；一光源；10光耦合器；光耦合器；11起偏器起偏器 當(dāng)晶體的通光方向垂直于外加電場(chǎng)時(shí)稱為橫向當(dāng)晶體的通光方向垂直于外加電場(chǎng)時(shí)稱為橫向運(yùn)用，這時(shí)產(chǎn)生的電光效應(yīng)稱為橫向電光效應(yīng)。運(yùn)用，這時(shí)產(chǎn)生的電光效應(yīng)稱為橫向電光效應(yīng)。 晶體中兩正交的平面偏振光由于電光效應(yīng)產(chǎn)生晶體中兩正交的平面偏振光由于電光效應(yīng)產(chǎn)生的相位差為的相位差為晶體的半波電壓由下式給定晶體的半波電壓由下式給定5.6.2 克爾效應(yīng)克爾效應(yīng)克爾效應(yīng)也稱為克爾效應(yīng)也稱為

35、平方電光效應(yīng)平方電光效應(yīng)它發(fā)生在它發(fā)生在一切物質(zhì)中。當(dāng)外加電場(chǎng)作用在一切物質(zhì)中。當(dāng)外加電場(chǎng)作用在各向同各向同性性的透明物質(zhì)上時(shí)，各向同性物質(zhì)的光的透明物質(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)象的各向異性特性，并且與單軸晶體的情的各向異性特性，并且與單軸晶體的情況相同。況相同。 克爾效應(yīng)克爾效應(yīng)當(dāng)外電場(chǎng)撤消當(dāng)外電場(chǎng)撤消時(shí)，這種性質(zhì)時(shí)，這種性質(zhì)立即消失，因立即消失，因此，也稱為此，也稱為電電致雙折射現(xiàn)象致雙折射現(xiàn)象。光軸沿電場(chǎng)強(qiáng)度的方向光軸沿電場(chǎng)強(qiáng)度的方向M M0I20IN+ -cc2)(klEnnloe兩光通過(guò)厚度為兩光通過(guò)厚度為l 的液體時(shí)，

36、的液體時(shí)，光程差為：光程差為：若去掉盒內(nèi)電場(chǎng)，則沒(méi)有光從若去掉盒內(nèi)電場(chǎng)，則沒(méi)有光從N透出。整個(gè)系統(tǒng)起透出。整個(gè)系統(tǒng)起“光開(kāi)關(guān)光開(kāi)關(guān)”的作用。的作用。通過(guò)控制外加電壓，可調(diào)節(jié)輸出的光脈通過(guò)控制外加電壓，可調(diào)節(jié)輸出的光脈沖的長(zhǎng)短和頻率，把電訊號(hào)轉(zhuǎn)變成光訊沖的長(zhǎng)短和頻率，把電訊號(hào)轉(zhuǎn)變成光訊號(hào)。號(hào)。由于光電效應(yīng)幾乎沒(méi)有慣性，電訊由于光電效應(yīng)幾乎沒(méi)有慣性，電訊號(hào)的控制速度可達(dá)號(hào)的控制速度可達(dá)10-9 m/s。“光開(kāi)光開(kāi)關(guān)關(guān)”,“光調(diào)制器光調(diào)制器”、“光斷續(xù)器光斷續(xù)器”有極有極快的速度啟閉光路或調(diào)制光強(qiáng)，目前廣快的速度啟閉光路或調(diào)制光強(qiáng)，目前廣泛應(yīng)用于高速攝影、電影、電視和激光泛應(yīng)用于高速攝影、電影、電視

37、和激光通訊等許多領(lǐng)域。通訊等許多領(lǐng)域。k是克爾常數(shù)。是克爾常數(shù)。 在大多數(shù)情況下在大多數(shù)情況下 (k為正值為正值)，即介質(zhì)具有正單軸晶體的性質(zhì)。，即介質(zhì)具有正單軸晶體的性質(zhì)。0oenn兩偏振光波的光程差為兩偏振光波的光程差為兩光波間的相位差兩光波間的相位差5.6.3 法拉第效應(yīng)法拉第效應(yīng) 許多物質(zhì)在磁場(chǎng)的作用下可以使穿過(guò)它的平面偏許多物質(zhì)在磁場(chǎng)的作用下可以使穿過(guò)它的平面偏振光的偏振方向旋轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象稱為振光的偏振方向旋轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象稱為磁致旋光磁致旋光效應(yīng)效應(yīng)或或法拉第效應(yīng)法拉第效應(yīng)。旋光現(xiàn)象旋光現(xiàn)象A 旋光現(xiàn)象旋光現(xiàn)象偏振光通過(guò)某些透明物質(zhì)后，其振動(dòng)面方將以光的傳播方向偏振光通過(guò)某些透明物質(zhì)后

38、，其振動(dòng)面方將以光的傳播方向?yàn)檩S線轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度為軸線轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度，這種現(xiàn)象稱為，這種現(xiàn)象稱為旋光現(xiàn)象。旋光現(xiàn)象。能夠產(chǎn)生旋光現(xiàn)象的物質(zhì)稱為能夠產(chǎn)生旋光現(xiàn)象的物質(zhì)稱為旋光物質(zhì)旋光物質(zhì)。如石英、糖、酒。如石英、糖、酒石酸鉀鈉等。石酸鉀鈉等。右旋物質(zhì)：右旋物質(zhì)：迎著光的傳播方向觀看，使振動(dòng)面按順時(shí)迎著光的傳播方向觀看，使振動(dòng)面按順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)的物質(zhì)，如葡萄糖、石英等。針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)的物質(zhì)，如葡萄糖、石英等。左旋物質(zhì)：左旋物質(zhì)：迎著光的傳播方向觀看，使振動(dòng)面按逆時(shí)迎著光的傳播方向觀看，使振動(dòng)面按逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)的物質(zhì)，如果糖等。針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)的物質(zhì)，如果糖等。不同的氨基酸和不同的氨基酸和DNA等也有左右旋的

39、不同，這些是目前生物等也有左右旋的不同，這些是目前生物學(xué)研究的課題。學(xué)研究的課題。B 旋光物質(zhì)旋光物質(zhì)MNFC是旋光物質(zhì)；是旋光物質(zhì)；F為濾色片；為濾色片；M為起偏器；旋光物體放在兩為起偏器；旋光物體放在兩個(gè)偏振片個(gè)偏振片M與與N之間，之間，把檢偏器把檢偏器 N 旋轉(zhuǎn)一定角度，可得到亮旋轉(zhuǎn)一定角度，可得到亮視野和暗視野。視野和暗視野。CC 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)證明：振動(dòng)面旋轉(zhuǎn)的角度實(shí)驗(yàn)證明：振動(dòng)面旋轉(zhuǎn)的角度與材料的厚度與材料的厚度d、濃度濃度C 以及入射光的波長(zhǎng)以及入射光的波長(zhǎng) 有關(guān)。有關(guān)。l 對(duì)于固體：對(duì)于固體：定義定義 為旋光系數(shù)，它是入射光波長(zhǎng)的函數(shù)為旋光系數(shù)，它是入射光波長(zhǎng)的函數(shù)lC

40、對(duì)于液體：對(duì)于液體：式中式中C為溶液的濃度。為溶液的濃度。應(yīng)用：應(yīng)用：制糖工業(yè)，測(cè)定糖液濃度的糖量計(jì)制糖工業(yè)，測(cè)定糖液濃度的糖量計(jì) 在法拉第效應(yīng)中偏振面的旋轉(zhuǎn)方向與外加磁在法拉第效應(yīng)中偏振面的旋轉(zhuǎn)方向與外加磁場(chǎng)的方向有關(guān)，即費(fèi)爾德常數(shù)有正負(fù)值之分。場(chǎng)的方向有關(guān)，即費(fèi)爾德常數(shù)有正負(fù)值之分。一般約定，正的費(fèi)爾德常數(shù)系指光的傳播方向一般約定，正的費(fèi)爾德常數(shù)系指光的傳播方向平行于平行于所加所加H場(chǎng)方向，法拉第效應(yīng)是場(chǎng)方向，法拉第效應(yīng)是左旋的左旋的；反平行于反平行于H場(chǎng)場(chǎng)方向時(shí)是方向時(shí)是右旋的右旋的。 立方晶體或各向同性材料的法拉第效應(yīng)立方晶體或各向同性材料的法拉第效應(yīng)可以解釋為，由于磁化強(qiáng)度取決于沿磁可以解釋為，由于磁化強(qiáng)度取決于沿磁場(chǎng)方向傳播的場(chǎng)方向傳播的右旋圓偏振光右旋圓偏振光和和左旋圓偏左旋圓偏振光振光的折射率差，平面偏振光可以表示的折射率差，平面偏振光可以表示成左右旋圓偏振光之和。成左右旋圓偏振光之和。tiaytiaxyExEEyx22011000expexp12aa12tiaEtiaEyx2211expexp2211expexpiaEiaEyx2211expexpiaiaEEEyx2221aaIiaaaaiaiaaaaiaEEEyxexp1expexp1exp122221111212222111式中：式中：aaa1212令iaaaaEexp12221