现代传感技术.pptx

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1、光纤传感技术光纤传感技术 5.1 5.1 光纤的基础知识光纤的基础知识 5.2 5.2 强度调制型光纤传感器强度调制型光纤传感器 5.3 5.3 相位调制型光纤传感器相位调制型光纤传感器 5.4 5.4 波长调制型光纤传感器波长调制型光纤传感器 5.5 5.5 偏振调制型光纤传感器偏振调制型光纤传感器 5.6 5.6 频率调制型光纤传感器频率调制型光纤传感器 5.7 5.7 光子晶体光纤传感器光子晶体光纤传感器 5.8 5.8 分布式光纤传感器分布式光纤传感器第1页/共65页光纤的基础知识光纤的基础知识 光纤传感器工作的实质是通过光调制器，将一个携带着待测信息（被测对象）的信号叠加到载波光波上

2、，光纤传感器工作的实质是通过光调制器，将一个携带着待测信息（被测对象）的信号叠加到载波光波上，经光纤传输后由光探测系统解调、经信号处理系统处理后检测出所需要的待测信号。经光纤传输后由光探测系统解调、经信号处理系统处理后检测出所需要的待测信号。而光调制器能使光纤的传输参数或载波光波参数随待测信号的变化而改变。这些参数包括：光纤的折射率、而光调制器能使光纤的传输参数或载波光波参数随待测信号的变化而改变。这些参数包括：光纤的折射率、传播常数、光波的强度（振幅）、位相、频率、偏振以及波长等。传播常数、光波的强度（振幅）、位相、频率、偏振以及波长等。第2页/共65页光纤的基础知识光纤的基础知识 1.1.

3、光纤波导的原理光纤波导的原理图图 5 1 当光线从较高折射当光线从较高折射率介质向较低折射率介质率介质向较低折射率介质传播时，在界面处的折射传播时，在界面处的折射和反射和反射图图 5 2 具有包层的纤维具有包层的纤维第3页/共65页光纤的基础知识光纤的基础知识 2.2.光纤的分类光纤的分类 根据光纤能传输的模式数目根据光纤能传输的模式数目 单模光纤单模光纤 多模光纤多模光纤 根据纤芯径向折射率分布不同根据纤芯径向折射率分布不同 阶跃折射率光纤阶跃折射率光纤 渐变折射率光纤渐变折射率光纤第4页/共65页光纤的基础知识光纤的基础知识 3.3.光纤的特性光纤的特性 光纤的特性主要包括传输特性、物理特

4、性、化学特性和几何特性等。光纤的特性主要包括传输特性、物理特性、化学特性和几何特性等。传输特性传输特性 衰减衰减 衰减是描述光纤使光能在传输过程中沿着波导逐渐减小或消失的特性。衰减是描述光纤使光能在传输过程中沿着波导逐渐减小或消失的特性。在给定信号和工作条件下，光纤的衰减决定信号无失真传输通路的最大距离。在给定信号和工作条件下，光纤的衰减决定信号无失真传输通路的最大距离。色散色散 色散限制了光纤传输频响的上限。色散限制了光纤传输频响的上限。色散引起的脉冲展宽限制了脉冲调制或数据传输系统中给定长度光纤的最高脉冲或数据传输色散引起的脉冲展宽限制了脉冲调制或数据传输系统中给定长度光纤的最高脉冲或数据

5、传输速度。速度。第5页/共65页光纤的基础知识光纤的基础知识 3.3.光纤的特性光纤的特性 光纤的特性主要包括传输特性、物理特性、化学特性和几何特性等。光纤的特性主要包括传输特性、物理特性、化学特性和几何特性等。物理特性物理特性（1 1）弯曲性）弯曲性 光纤的弯曲性与光纤的机械强度有关。光纤的弯曲性与光纤的机械强度有关。（2 2）抗拉强度）抗拉强度 （3 3）硬度）硬度 （4 4）耐热性）耐热性 （5 5）热膨胀系数）热膨胀系数 （6 6）电绝缘性能）电绝缘性能 第6页/共65页光纤的基础知识光纤的基础知识 3.3.光纤的特性光纤的特性 光纤的特性主要包括传输特性、物理特性、化学特性和几何特性

6、等。光纤的特性主要包括传输特性、物理特性、化学特性和几何特性等。化学特性化学特性（1 1）耐水性）耐水性 （2 2）耐酸性）耐酸性 几何特性几何特性 标准规定光纤为圆对称结构，因此表征光纤几何特性的参数是标准规定光纤为圆对称结构，因此表征光纤几何特性的参数是 纤芯直径纤芯直径 包层直径包层直径 纤芯的圆度纤芯的圆度 包层的圆度包层的圆度 纤芯与包层的同心度误差纤芯与包层的同心度误差第7页/共65页强度调制型光纤传感器强度调制型光纤传感器 强度调制型光纤传感器的基本原理可以概括为：通过检测被测对象所引起的光强变化，来实现对被测对象强度调制型光纤传感器的基本原理可以概括为：通过检测被测对象所引起的

7、光强变化，来实现对被测对象的监测和控制。的监测和控制。其基本结构主要由光源、调制区、光探测器三大部分组成。其基本结构主要由光源、调制区、光探测器三大部分组成。强度调制型光纤传感器的特点是：技术上比较容易实现，所采用光纤多为光通信用多模光纤，而相关的光强度调制型光纤传感器的特点是：技术上比较容易实现，所采用光纤多为光通信用多模光纤，而相关的光纤接头和耦合器等部件，国内已有产品供应。纤接头和耦合器等部件，国内已有产品供应。强度调制分为强度调制分为 非功能型光强调制非功能型光强调制 功能型光强调制功能型光强调制第8页/共65页非功能型光强调制非功能型光强调制 非功能型光强调制的基本原理是根据光束位移

8、、遮挡、耦合及其他物理效应，通过一定的方式使进入接收非功能型光强调制的基本原理是根据光束位移、遮挡、耦合及其他物理效应，通过一定的方式使进入接收光纤的光强随外界信号变化而改变。光纤的光强随外界信号变化而改变。基本调制方式大致可分为基本调制方式大致可分为4 4种类型：种类型：光束切割型光束切割型 光闸型光闸型 松耦合型松耦合型 物理效应型物理效应型第9页/共65页非功能型光强调制非功能型光强调制 光束切割型光强调制光束切割型光强调制图图 5 4 光束切割型光纤位移传感器简图光束切割型光纤位移传感器简图第10页/共65页非功能型光强调制非功能型光强调制 遮光型光强调制遮光型光强调制图图 5 6 移

9、动光栅式光纤压力传感器移动光栅式光纤压力传感器第11页/共65页非功能型光强调制非功能型光强调制 松耦合型光强调制松耦合型光强调制图图 5 8 松耦合型光强调制原理示意图松耦合型光强调制原理示意图第12页/共65页非功能型光强调制非功能型光强调制 物理效应型光强调制物理效应型光强调制图图 5 11 半导体光半导体光吸收型光纤温度传吸收型光纤温度传感器示意图感器示意图第13页/共65页功能型光强调制功能型光强调制 功能型光强调制是指光纤本身作为传感元件，被测量通过改变传感光纤的外形、纤芯与包层折射率比、吸功能型光强调制是指光纤本身作为传感元件，被测量通过改变传感光纤的外形、纤芯与包层折射率比、吸

10、收特性及模耦合特性等方法对光纤传输的光波强度进行调制。收特性及模耦合特性等方法对光纤传输的光波强度进行调制。微弯损耗与光纤微弯光强调制微弯损耗与光纤微弯光强调制 变折射率型光强调制变折射率型光强调制第14页/共65页功能型光强调制功能型光强调制 微弯损耗与光纤微弯光强调制微弯损耗与光纤微弯光强调制图图 5 12 微弯损耗强度调制传感器原理图微弯损耗强度调制传感器原理图第15页/共65页功能型光强调制功能型光强调制 变折射率型光强调制变折射率型光强调制图图 5 14 液体芯光纤液体芯光纤传感器探头示意图传感器探头示意图图图 5 15 液体光纤温度液体光纤温度传感器结构示意图传感器结构示意图第16

11、页/共65页相位调制型光纤传感器相位调制型光纤传感器 相位调制是光纤传感中最重要的传感技术，其基本的传感机理是，外界信号（被测量）按照一定的规律使相位调制是光纤传感中最重要的传感技术，其基本的传感机理是，外界信号（被测量）按照一定的规律使光纤中传播的光波相位发生相应的变化，光相位的变化量即反映被测的外界量。光纤中传播的光波相位发生相应的变化，光相位的变化量即反映被测的外界量。光纤传感技术中使用的光相位调制大体有三种类型。光纤传感技术中使用的光相位调制大体有三种类型。功能型调制功能型调制 这类相位调制型传感器主要应用了光纤材料的晶体特性和物理效应这类相位调制型传感器主要应用了光纤材料的晶体特性和

12、物理效应 晶体的电光效应晶体的电光效应 晶体的弹光效应晶体的弹光效应 晶体的热光效应晶体的热光效应 晶体的磁光效应晶体的磁光效应 萨格奈克（萨格奈克（SagnacSagnac）效应调制）效应调制 非功能型调制非功能型调制 第17页/共65页晶体的电光效应晶体的电光效应 晶体在外加电场晶体在外加电场E E作用下，除了固有的自然双折射外，还会产生附加的双折射，使立方晶体具有单轴晶作用下，除了固有的自然双折射外，还会产生附加的双折射，使立方晶体具有单轴晶体的性质，变成了光学各向异性。这样，有些单轴晶体则变为具有双轴晶体的性质，这种现象称为电体的性质，变成了光学各向异性。这样，有些单轴晶体则变为具有双

13、轴晶体的性质，这种现象称为电光效应。光效应。电光效应实际上是一种在外加电场作用下产生的非线性极化过程。电光效应实际上是一种在外加电场作用下产生的非线性极化过程。电光效应主要有电光效应主要有 线性电光效应（线性电光效应（PockelsPockels效应）效应）二次电光效应（二次电光效应（KerrKerr效应）效应）第18页/共65页晶体的弹（声）光效应晶体的弹（声）光效应 各向同性材料或立方晶体，在机械应力作用下，其性质可以变为光学各向异性的现象称为弹光效应。各向同性材料或立方晶体，在机械应力作用下，其性质可以变为光学各向异性的现象称为弹光效应。弹光效应可以有两种写法弹光效应可以有两种写法其中其

14、中其中其中P PP P 和和和和P P分别为压光系数张量和弹光系数张量，它们都是分别为压光系数张量和弹光系数张量，它们都是分别为压光系数张量和弹光系数张量，它们都是分别为压光系数张量和弹光系数张量，它们都是4 4阶张量，阶张量，阶张量，阶张量，T T 和和和和S S 分别为应力和应变。分别为应力和应变。分别为应力和应变。分别为应力和应变。第19页/共65页晶体的热光效应晶体的热光效应 当温度变化时，晶体的折射率发生变化的现象称为热光效应。当温度变化时，晶体的折射率发生变化的现象称为热光效应。由于晶体的各向异性，热光效应的表现是多种多样，假定晶体温度变化为由于晶体的各向异性，热光效应的表现是多种

15、多样，假定晶体温度变化为 T T，则，则 其中其中b b为热光系数。为热光系数。第20页/共65页晶体的磁光效应晶体的磁光效应 在磁场作用下，一些非旋光晶体可以变成具有旋光特性，这种现象称为磁光效应，其中最主要的是法拉第在磁场作用下，一些非旋光晶体可以变成具有旋光特性，这种现象称为磁光效应，其中最主要的是法拉第效应。效应。当光在晶体中传播距离为当光在晶体中传播距离为L L时，出射光的偏振态由两个新的左右旋圆偏振模合成，由此引起的线偏振方时，出射光的偏振态由两个新的左右旋圆偏振模合成，由此引起的线偏振方向旋转角度为向旋转角度为 其中其中V V为范尔德（为范尔德（VerdetVerdet）常数）常

16、数 .利用磁光效应可以实现磁光调制器、磁光传感器、光隔离器以及光环形器等。前两者是利用磁光晶体调制利用磁光效应可以实现磁光调制器、磁光传感器、光隔离器以及光环形器等。前两者是利用磁光晶体调制特性的线性区域，而后两者是利用该特性的饱和区域。特性的线性区域，而后两者是利用该特性的饱和区域。第21页/共65页相位调制型光纤传感器的特点相位调制型光纤传感器的特点（1 1）灵敏度高）灵敏度高 光学中的干涉法是目前最灵敏的探测技术之一。在光纤干涉仪中，由于以光纤代替空气光程，光光学中的干涉法是目前最灵敏的探测技术之一。在光纤干涉仪中，由于以光纤代替空气光程，光纤的长度可达数米且不受机械限制，比普通的光学干

17、涉仪更加灵敏。纤的长度可达数米且不受机械限制，比普通的光学干涉仪更加灵敏。（2 2）几何形状灵活多样）几何形状灵活多样 由于传感器的敏感部分由光纤本身构成，而光纤又十分柔软，可绕性能好，所以敏感部分的几何由于传感器的敏感部分由光纤本身构成，而光纤又十分柔软，可绕性能好，所以敏感部分的几何形状可根据使用要求设计成不同形式的传感元件，如平面式、线列阵式、梯度式等。形状可根据使用要求设计成不同形式的传感元件，如平面式、线列阵式、梯度式等。（3 3）工作对象广泛）工作对象广泛 任何物理量，只要对干涉仪中的光程产生影响，即可用相位调制型光纤传感器探侧。任何物理量，只要对干涉仪中的光程产生影响，即可用相位

18、调制型光纤传感器探侧。（4 4）需要特殊类型的光纤）需要特殊类型的光纤 在光纤干涉仪中，为获得最佳干涉效应，应使同一模式的光叠加，且两相干光的振动方向必须一在光纤干涉仪中，为获得最佳干涉效应，应使同一模式的光叠加，且两相干光的振动方向必须一致，因此希望采用高双折射的单模光纤。致，因此希望采用高双折射的单模光纤。第22页/共65页波长调制型光纤传感器波长调制型光纤传感器 外界信号通过选频、滤波等方式改变光纤中传输光的波长，测量波长变化即可检测到被测量，这类调制方外界信号通过选频、滤波等方式改变光纤中传输光的波长，测量波长变化即可检测到被测量，这类调制方式称为光波长调制。式称为光波长调制。目前用于

19、光波长调制的方法主要是光学选频和滤波。目前用于光波长调制的方法主要是光学选频和滤波。F-PF-P干涉式滤光干涉式滤光 里奥特偏振双折射滤光里奥特偏振双折射滤光 各种位移式光谱选择等外调制技术各种位移式光谱选择等外调制技术 光纤光栅滤光技术光纤光栅滤光技术第23页/共65页光纤光栅滤光技术光纤光栅滤光技术 光纤光栅调制原理光纤光栅调制原理 光纤光栅的分类光纤光栅的分类 光纤光栅传感器光纤光栅传感器 布拉格光纤光栅布拉格光纤光栅 长周期光纤光栅长周期光纤光栅 LPFGLPFG传感器传感器第24页/共65页光纤光栅调制原理光纤光栅调制原理 光纤光栅是利用掺杂（如锗、磷等）光纤材料的光敏性。光纤光栅是

20、利用掺杂（如锗、磷等）光纤材料的光敏性。光纤的光敏性是指激光通过掺杂光纤时，光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应变化的特性，它光纤的光敏性是指激光通过掺杂光纤时，光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应变化的特性，它是光纤光栅周期性折射率变化的根本原因。是光纤光栅周期性折射率变化的根本原因。外界入射光子和纤芯相互作用而引起后者折射率的永久性变化。外界入射光子和纤芯相互作用而引起后者折射率的永久性变化。在单模光纤的纤芯内形成的空间相位光栅，其实质是在纤芯内形成一个窄带的滤光器或反射镜。在单模光纤的纤芯内形成的空间相位光栅，其实质是在纤芯内形成一个窄带的滤光器或反射镜。第25页/共65页光纤光栅的

21、分类光纤光栅的分类 1.1.依据光栅周期分类依据光栅周期分类 短周期光纤光栅短周期光纤光栅 长周期光纤光栅长周期光纤光栅 2.2.依据波导结构分类依据波导结构分类 均匀光纤光栅均匀光纤光栅 啁啾光纤光栅啁啾光纤光栅 高斯变迹光纤光栅高斯变迹光纤光栅 升余弦变迹光纤光栅升余弦变迹光纤光栅 相移光纤光栅相移光纤光栅 超结构光纤光栅超结构光纤光栅 倾斜光纤光栅倾斜光纤光栅 特殊折射率调制的光纤光栅特殊折射率调制的光纤光栅第26页/共65页光纤光栅的分类光纤光栅的分类 3.3.依据形成机理分类依据形成机理分类 利用光敏性形成的光纤光栅利用光敏性形成的光纤光栅 利用弹光效应形成的光纤光栅利用弹光效应形成

22、的光纤光栅 4.4.依据材料分类依据材料分类 石英玻璃光纤光栅石英玻璃光纤光栅 聚合物光纤光栅聚合物光纤光栅 光子晶体光纤光栅光子晶体光纤光栅第27页/共65页布拉格光纤光栅布拉格光纤光栅 布拉格光纤光栅（布拉格光纤光栅（Fiber Bragg Grating,FBGFiber Bragg Grating,FBG）周期约为几百纳米。周期约为几百纳米。主要特性是将某一频段的光反射回去，形成以谐振波长为中心的窄带光学滤波器。主要特性是将某一频段的光反射回去，形成以谐振波长为中心的窄带光学滤波器。FBGFBG光纤光栅属于反射光纤光栅属于反射型工作器件，当光源发型工作器件，当光源发出的连续宽带光通过传

23、出的连续宽带光通过传输光纤射入时，它与光输光纤射入时，它与光场发生耦合作用，对该场发生耦合作用，对该宽带光有选择地反射回宽带光有选择地反射回相应的一个窄带光，并相应的一个窄带光，并沿原传输光纤返回；其沿原传输光纤返回；其余宽带光则直接透射过余宽带光则直接透射过去。去。图图 5 18 BRAGG（布拉格）光纤光栅（布拉格）光纤光栅第28页/共65页布拉格光纤光栅布拉格光纤光栅 1.FBG1.FBG的传感原理的传感原理 FBGFBG是纤芯折射率沿轴向呈周期化变化，使前向传输的能量耦合到反向导模中，形成反射波长周期变是纤芯折射率沿轴向呈周期化变化，使前向传输的能量耦合到反向导模中，形成反射波长周期变

24、化的尖锐的反射峰的光波导器件。化的尖锐的反射峰的光波导器件。FBGFBG传感器测量的是传感器测量的是FBGFBG反射波长的漂移量，当环境因素发生变化反射波长的漂移量，当环境因素发生变化时，光纤光栅的反射波长发生漂移，通过检测波长漂移量就可以获得被测温度、应力等物理量。时，光纤光栅的反射波长发生漂移，通过检测波长漂移量就可以获得被测温度、应力等物理量。第29页/共65页布拉格光纤光栅布拉格光纤光栅 2.FBG2.FBG的特点的特点（1 1）多个不同类型的传感器可以在一条光纤上串接复用，构成传感器阵列，实现多参量的）多个不同类型的传感器可以在一条光纤上串接复用，构成传感器阵列，实现多参量的准分布式

25、实时测量。准分布式实时测量。（2 2）施工方便，潜在故障点大大低于传统技术，可维护性强。）施工方便，潜在故障点大大低于传统技术，可维护性强。（3 3）全光测量，在监测现场无电气设备，不受电磁及核辐射干扰。）全光测量，在监测现场无电气设备，不受电磁及核辐射干扰。（4 4）以反射光的中心波长表征被测量，不受光源功率波动、光纤微弯效应及耦合损耗等因）以反射光的中心波长表征被测量，不受光源功率波动、光纤微弯效应及耦合损耗等因素的影响。素的影响。（5 5）绝对量测量，系统安装及长期使用过程中无需定标。）绝对量测量，系统安装及长期使用过程中无需定标。（6 6）使用寿命长。）使用寿命长。（7 7）光纤传输线

26、路具有自愈功能，可靠性高。）光纤传输线路具有自愈功能，可靠性高。但但FBGFBG在传感应用中也存在一定的局限性，如灵敏度不高，对单位应力或温度的改变所引起在传感应用中也存在一定的局限性，如灵敏度不高，对单位应力或温度的改变所引起的波长漂移较小。此外由于的波长漂移较小。此外由于FBGFBG是反射型光栅，以致是反射型光栅，以致FBGFBG传感系统通常需要隔离器来抑制反传感系统通常需要隔离器来抑制反射光对测量系统的干扰。射光对测量系统的干扰。第30页/共65页长周期光纤光栅长周期光纤光栅 长周期光纤光栅（长周期光纤光栅（Long Period Fiber Grating,LPFG)Long Peri

27、od Fiber Grating,LPFG)周期通常为几十到几百微米。周期通常为几十到几百微米。主要特性是将导波中某频段的光耦合到光纤包层中损耗掉，是一种透射型光纤器件。主要特性是将导波中某频段的光耦合到光纤包层中损耗掉，是一种透射型光纤器件。LPFGLPFG是一种透射型光纤光栅，无后向反射，在传感测量系统中不需要隔离器，测量精度较高。是一种透射型光纤光栅，无后向反射，在传感测量系统中不需要隔离器，测量精度较高。与与FBGFBG不同，不同，LPFGLPFG的周期相对较长，满足相位匹配条件的是同向传输的纤芯基模和包层模，这一特点的周期相对较长，满足相位匹配条件的是同向传输的纤芯基模和包层模，这一

28、特点导致了导致了LPFGLPFG的谐振波长和幅值对外界环境的变化非常敏感，对于温度、应力、外界折射率等参数的变的谐振波长和幅值对外界环境的变化非常敏感，对于温度、应力、外界折射率等参数的变化都有很高的响应灵敏度。化都有很高的响应灵敏度。第31页/共65页长周期光纤光栅长周期光纤光栅图图 5 19 LPFG模式耦合原理图模式耦合原理图第32页/共65页LPFGLPFG传感器传感器 应用光纤光栅进行传感是近年来传感领域的一大热点，基于光纤光栅的传感器在整个光纤传感领域中的比应用光纤光栅进行传感是近年来传感领域的一大热点，基于光纤光栅的传感器在整个光纤传感领域中的比重超过了重超过了40%40%。由于

29、。由于LPFGLPFG传感器不仅具有传统布拉格光纤光栅传感器的绝大多数优点，而且还具有插入损传感器不仅具有传统布拉格光纤光栅传感器的绝大多数优点，而且还具有插入损耗小、制造成本低、灵敏度高等优于耗小、制造成本低、灵敏度高等优于FBGFBG传感器的优点。因此，传感器的优点。因此，LPFGLPFG在传感器领域里有着更好的应用发展在传感器领域里有着更好的应用发展潜力。潜力。第33页/共65页LPFGLPFG传感器传感器 1.1.温度传感温度传感 LPFGLPFG传感器的温度灵敏度不仅会受到传感器的温度灵敏度不仅会受到LPFGLPFG的周期的影响，还会受到发生耦合的包层模的阶数及光纤的周期的影响，还会

30、受到发生耦合的包层模的阶数及光纤的成分等因素的影响。通过调节各种参数可以制造出不同温度灵敏度的长周期光纤光栅。的成分等因素的影响。通过调节各种参数可以制造出不同温度灵敏度的长周期光纤光栅。2.2.应力传感应力传感 LPFGLPFG的应力灵敏度同样会受到很多因素的影响，通过适当地选择参数也可以制作出各种具有不同灵敏的应力灵敏度同样会受到很多因素的影响，通过适当地选择参数也可以制作出各种具有不同灵敏度的度的LPFGLPFG。3.3.折射率传感折射率传感 当外界介质的折射率改变时，包层模的有效折射率也将发生变化，从而引起当外界介质的折射率改变时，包层模的有效折射率也将发生变化，从而引起LPFGLPF

31、G谐振波长的改变。谐振波长的改变。4.4.弯曲量及扭曲量传感弯曲量及扭曲量传感 当光栅弯曲时，光栅的透射谱会发生相应的变化，当光栅弯曲时，光栅的透射谱会发生相应的变化，LPFGLPFG的弯曲灵敏度可以通过谐振波长的偏移和谐振的弯曲灵敏度可以通过谐振波长的偏移和谐振峰的分裂两种方法表现出来。其中波长分离之间的间距将随着曲率的增加而增加。峰的分裂两种方法表现出来。其中波长分离之间的间距将随着曲率的增加而增加。第34页/共65页LPFGLPFG传感器传感器图图 5 21 刻槽刻槽LPFG简图以及实验装置简图以及实验装置第35页/共65页偏振调制型光纤传感器偏振调制型光纤传感器 在许多光学系统中，尤其

32、是包含有单模光纤的系统中，光波的偏振特性起着重要作用。在许多光学系统中，尤其是包含有单模光纤的系统中，光波的偏振特性起着重要作用。理解光纤系统中的偏振现象是讨论光纤偏振元件和传感器的中心问题。理解光纤系统中的偏振现象是讨论光纤偏振元件和传感器的中心问题。许多物理效应都会影响或改变光的偏振状态。许多物理效应都会影响或改变光的偏振状态。光纤传感器中的偏振调制器普遍采用的物理效应有旋光效应、磁光效应、普克尔效应、克尔效应及光光纤传感器中的偏振调制器普遍采用的物理效应有旋光效应、磁光效应、普克尔效应、克尔效应及光弹效应等。弹效应等。第36页/共65页偏振调制型光纤传感器偏振调制型光纤传感器 1.1.基

33、于旋光效应的偏振调制基于旋光效应的偏振调制 图图 5 22 石英晶体的旋光性实验系统石英晶体的旋光性实验系统 第37页/共65页偏振调制型光纤传感器偏振调制型光纤传感器 2.2.基于磁光效应的偏振调制基于磁光效应的偏振调制 在光学各向同性的透明介质上，外加磁场在光学各向同性的透明介质上，外加磁场HH，可以使穿过它的平面偏振光的，可以使穿过它的平面偏振光的偏振方向发生旋转，这种现象称为磁致旋光效应或法拉第效应。偏振方向发生旋转，这种现象称为磁致旋光效应或法拉第效应。处于磁场中的光纤会使在光纤中传播的偏振光发生偏振面的旋转，其旋转角处于磁场中的光纤会使在光纤中传播的偏振光发生偏振面的旋转，其旋转角

34、度度与磁场强度与磁场强度HH、磁场中光纤的长度、磁场中光纤的长度L L成正比：成正比：第38页/共65页偏振调制型光纤传感器偏振调制型光纤传感器 2.2.基于磁光效应的偏振调制基于磁光效应的偏振调制图图 5 24 光纤电流传感器实验装置光纤电流传感器实验装置 1 激光器激光器 2 起偏器起偏器 3 显微物镜显微物镜 4 压载流导线压载流导线 5 光纤光纤6 渥拉斯顿棱镜渥拉斯顿棱镜 7 光探测器光探测器 8 信号处理系统信号处理系统 9 记录仪记录仪第39页/共65页偏振调制型光纤传感器偏振调制型光纤传感器 3.3.基于普克尔效应的偏振调制基于普克尔效应的偏振调制 各向异性晶体中的普克尔效应是

35、一种很有用的电光效应，当电场施加到光正在其中传播的各向异性晶各向异性晶体中的普克尔效应是一种很有用的电光效应，当电场施加到光正在其中传播的各向异性晶体时，所引起的感应双折射正比于所加电场的一次方，故普克尔效应又称为线性电光效应。体时，所引起的感应双折射正比于所加电场的一次方，故普克尔效应又称为线性电光效应。如果在晶体两端接上电极，两极间加一个电场，通光方向平行于外加电场时，称为纵向运用，也叫纵如果在晶体两端接上电极，两极间加一个电场，通光方向平行于外加电场时，称为纵向运用，也叫纵向调制。对于向调制。对于KDPKDP类晶体，这种情况下晶体折射率的变化类晶体，这种情况下晶体折射率的变化 n n与电

36、场与电场E E的关系为的关系为折射率变化引起的相位差为折射率变化引起的相位差为 同理，横向运用时产生的电光效应称横向电光效应，这时，晶体中两正交的平面偏振光由于电光效应同理，横向运用时产生的电光效应称横向电光效应，这时，晶体中两正交的平面偏振光由于电光效应而产生的相位差为而产生的相位差为 第40页/共65页偏振调制型光纤传感器偏振调制型光纤传感器 3.3.基于普克尔效应的偏振调制基于普克尔效应的偏振调制图图 5 25 偏振调制型光纤电压传感器偏振调制型光纤电压传感器第41页/共65页偏振调制型光纤传感器偏振调制型光纤传感器 4.4.基于克尔效应的偏振调制基于克尔效应的偏振调制 克尔效应又称平方

37、电光效应，是一种分子对称性的微观畸变，是在施加电场的作用下，电子云产生轻克尔效应又称平方电光效应，是一种分子对称性的微观畸变，是在施加电场的作用下，电子云产生轻度的排列取向的结果，发生在一切物质中。度的排列取向的结果，发生在一切物质中。由感应双折射引起的寻常光折射率由感应双折射引起的寻常光折射率n no o和异常光折射率和异常光折射率n ne e与外加电场与外加电场E E之间的关系为之间的关系为 两光波间的相位差为两光波间的相位差为 第42页/共65页偏振调制型光纤传感器偏振调制型光纤传感器 4.4.基于克尔效应的偏振调制基于克尔效应的偏振调制 图图 5 26 光克尔调制器结构示意图光克尔调制

38、器结构示意图 第43页/共65页偏振调制型光纤传感器偏振调制型光纤传感器 5.5.基于光弹效应的偏振调制基于光弹效应的偏振调制 设单轴晶体的主折射率设单轴晶体的主折射率n ne e对应于对应于MNMN方向上振动光的折射率；主折射率方向上振动光的折射率；主折射率n no o对应于垂直于对应于垂直于MNMN方向上的振方向上的振动光的折射率，则由光弹效应产生的相位差与压强动光的折射率，则由光弹效应产生的相位差与压强 p p 的关系为的关系为式中，式中，k k 为为 物质的常数；物质的常数；n no on ne e为表征光弹效应的强弱；为表征光弹效应的强弱；l l 为光波通过材料的长度。为光波通过材料

39、的长度。第44页/共65页偏振调制型光纤传感器偏振调制型光纤传感器 5.5.基于光弹效应的偏振调制基于光弹效应的偏振调制图图 5 27 形变应力双折射实验装置形变应力双折射实验装置 第45页/共65页偏振调制型光纤传感器偏振调制型光纤传感器图图 5 28 偏振调制传感探头偏振调制传感探头 5.5.基于光弹效应的偏振调制基于光弹效应的偏振调制 在实用的光纤压力传感器中，为了加大光束在光弹材料中的光路长度，往往把光纤卷绕在一个小的圆在实用的光纤压力传感器中，为了加大光束在光弹材料中的光路长度，往往把光纤卷绕在一个小的圆柱体上，以在光纤中产生大的双折射而获得较大的线圈张力。双折射产生两个独立传播的线

40、偏振本征柱体上，以在光纤中产生大的双折射而获得较大的线圈张力。双折射产生两个独立传播的线偏振本征模。采用适当的分析仪，检测光纤中传播光的偏振面旋转与强度变化相关。模。采用适当的分析仪，检测光纤中传播光的偏振面旋转与强度变化相关。第46页/共65页频率调制型光纤传感器频率调制型光纤传感器 光频率调制，是指用被测量对光纤中传输的光波频率进行调制，频率偏移即反映被测量的变化。光频率调制，是指用被测量对光纤中传输的光波频率进行调制，频率偏移即反映被测量的变化。目前使用的调制方法为多普勒（目前使用的调制方法为多普勒（DopplerDoppler）法，即外界信号通过多普勒效应对接收光纤中的光波频率进行）法

41、，即外界信号通过多普勒效应对接收光纤中的光波频率进行调制，调制，它是一种非功能型调制，即光纤只起传光作用。它是一种非功能型调制，即光纤只起传光作用。第47页/共65页频率调制型光纤传感器频率调制型光纤传感器 光学多普勒概念光学多普勒概念 多普勒频移是最有代表性的一种光频率调制。多普勒频移是最有代表性的一种光频率调制。当频率为当频率为 f f 的光入射到相对于观察者速度为的光入射到相对于观察者速度为u u 的运动物体上时，从运动物体反射到观察者的光的频率的运动物体上时，从运动物体反射到观察者的光的频率变成变成 f f1 1，f f1 1与与 f f 之间有如下关系：之间有如下关系：式中，式中，c

42、 c为真空中的光速；为真空中的光速；q q 为光源至观察者方向与运动方向的夹角。为光源至观察者方向与运动方向的夹角。多普勒频移为多普勒频移为第48页/共65页频率调制型光纤传感器频率调制型光纤传感器 光纤多普勒系统光纤多普勒系统 图图 5 30 激光多普勒光纤测速系统激光多普勒光纤测速系统 第49页/共65页光子晶体光纤传感器光子晶体光纤传感器 光子晶体光纤（光子晶体光纤（Photonic Crystal FiberPhotonic Crystal Fiber，PCFPCF）是一种新型光纤，其概念最早由）是一种新型光纤，其概念最早由RussellRussell等人在等人在19921992年提出

43、，在它的包层区域有许多平行于光纤轴向的微孔，是一种带有线缺陷的二维光子晶体。年提出，在它的包层区域有许多平行于光纤轴向的微孔，是一种带有线缺陷的二维光子晶体。光子晶体光子晶体 光子晶体光纤的结构与制备光子晶体光纤的结构与制备 光子晶体光纤的特性光子晶体光纤的特性 光子晶体光纤传感器光子晶体光纤传感器第50页/共65页光子晶体光子晶体 光子晶体的概念光子晶体的概念 “光子晶体光子晶体”是一个新的物理概念，是与电子晶体相比较而提出的，可看作是电子晶体在光学领域的是一个新的物理概念，是与电子晶体相比较而提出的，可看作是电子晶体在光学领域的对应概态。对应概态。自然晶体（如半导体）中的电子由于受到晶格的

44、周期性势场散射，部分波段会因破坏性干涉而形成带自然晶体（如半导体）中的电子由于受到晶格的周期性势场散射，部分波段会因破坏性干涉而形成带隙，导致电子的能量呈带状分布，从而形成电子能带（隙，导致电子的能量呈带状分布，从而形成电子能带（Electronic BandElectronic Band）。如果将具有不同折射率）。如果将具有不同折射率（介电系数）的介质材料按照自然晶体的周期结构排布，类似的现象也存在于光子系统中。（介电系数）的介质材料按照自然晶体的周期结构排布，类似的现象也存在于光子系统中。第51页/共65页光子晶体光子晶体图图 5 32 钻有许多圆柱形空气孔的玻璃的截面图钻有许多圆柱形空气

45、孔的玻璃的截面图 光子晶体的概念光子晶体的概念第52页/共65页光子晶体光子晶体 光子晶体的特征光子晶体的特征 光子晶体最根本特征是频率处于禁带范围内的光子都不能在光子晶体中传播。光子晶体最根本特征是频率处于禁带范围内的光子都不能在光子晶体中传播。光子晶体的另一个主要特征是光子局域态，即光子晶体引入杂质或缺陷（主要分为线缺陷和点缺陷）光子晶体的另一个主要特征是光子局域态，即光子晶体引入杂质或缺陷（主要分为线缺陷和点缺陷）时，与缺陷态频率符合的光子会被局限在缺陷位置，一旦偏离缺陷位置能量将迅速衰减。时，与缺陷态频率符合的光子会被局限在缺陷位置，一旦偏离缺陷位置能量将迅速衰减。光子晶体还具有负折射

46、效应。光子晶体还具有负折射效应。第53页/共65页光子晶体光子晶体图图 5 33 一维、二维、三维光子晶体光子带隙示意图一维、二维、三维光子晶体光子带隙示意图 图图 5 34 光子晶体结构电镜图光子晶体结构电镜图 第54页/共65页光子晶体光纤的结构与制备光子晶体光纤的结构与制备图图 5 35 全内反射光子晶体光纤结构示意图全内反射光子晶体光纤结构示意图 第55页/共65页光子晶体光纤的结构与制备光子晶体光纤的结构与制备 1.1.蜂窝蜂窝(Honeycomb)(Honeycomb)状状PBGPBG光纤光纤 图图 5 37 蜂窝型蜂窝型PBG光纤光纤 第56页/共65页光子晶体光纤的结构与制备光

47、子晶体光纤的结构与制备 2.2.空心空心(Hollow-core)PBG(Hollow-core)PBG光纤光纤 图图 5 38 空心空心(Hollow-core)PBG光纤结构示意图光纤结构示意图 第57页/共65页光子晶体光纤的结构与制备光子晶体光纤的结构与制备 3.3.高折射率棒高折射率棒(High-Index Rods)PBG(High-Index Rods)PBG光纤光纤 4.4.全导向全导向(Omniguide)PBG(Omniguide)PBG光纤光纤 图图 5 39 全导向全导向PBG光纤光纤 第58页/共65页光子晶体光纤的特性光子晶体光纤的特性 1.1.永无休止的单模传输特

48、性永无休止的单模传输特性 对光子晶体光纤来说，只要满足空气孔直径足够小，且空气孔径与孔间距之比（简称孔比率）对光子晶体光纤来说，只要满足空气孔直径足够小，且空气孔径与孔间距之比（简称孔比率）小于，便具备永无休止的单模传输特性。小于，便具备永无休止的单模传输特性。光子晶体光纤不存在截止波长。光子晶体光纤不存在截止波长。2.2.奇异的色散特性奇异的色散特性 纤芯和包层间的折射率差不会因为材料的不相容而受到限制，从而可以在非常宽的波长范围纤芯和包层间的折射率差不会因为材料的不相容而受到限制，从而可以在非常宽的波长范围内获得较大的色散。内获得较大的色散。零色散点可调，只要改变光子晶体光纤的空气孔几何尺

49、寸，便可在几百纳米带宽范围内得到零色散点可调，只要改变光子晶体光纤的空气孔几何尺寸，便可在几百纳米带宽范围内得到零色散光纤。零色散光纤。3.3.高的双折射特性高的双折射特性 与普通保偏光纤相似，通过改变光子晶体光纤的包层结构参数可以制作出具有高双折射效应与普通保偏光纤相似，通过改变光子晶体光纤的包层结构参数可以制作出具有高双折射效应的光子晶体光纤，这是传统保偏光纤所不及的。只要破坏光子晶体光纤截面的圆对称性使其的光子晶体光纤，这是传统保偏光纤所不及的。只要破坏光子晶体光纤截面的圆对称性使其成为二维结构即可。成为二维结构即可。第59页/共65页光子晶体光纤传感器光子晶体光纤传感器 1.1.光子晶

50、体光纤气体传感器光子晶体光纤气体传感器 2.2.光子晶体光纤填充型传感器光子晶体光纤填充型传感器 3.3.高双折射光子晶体光纤传感器高双折射光子晶体光纤传感器 4.4.双模光子晶体光纤传感器双模光子晶体光纤传感器 第60页/共65页分布式光纤传感器分布式光纤传感器 当人们所关心的被测物不是一个点，而是一个空间分布的场时（如温度场、应力场、磁场等），要获得这当人们所关心的被测物不是一个点，而是一个空间分布的场时（如温度场、应力场、磁场等），要获得这些场的完整信息，就需要采用分布调制的光纤传感系统。些场的完整信息，就需要采用分布调制的光纤传感系统。所谓分布调制，就是指被测场以一定的空间分布方式对光