1、.第七講第七講 偏振調制機理與檢測技術偏振調制機理與檢測技術 光纖偏振調制技術可用于溫度、壓力、振動、機械形變、電流和電場等檢測主要應用是監測強電流主要應用是監測強電流 .偏振調制中常用的物理效應 l一普克耳效應一普克耳效應l二克爾效應二克爾效應l三法拉第效應三法拉第效應l四光彈效應四光彈效應.一普克耳效應一普克耳效應l當強電場施加于光正在穿行的各向異性晶體時，所引起的感生雙折射正比于所加電場的一次方，稱為線性電光效應，或普克耳效應。 .調制機理l普克耳效應使晶體的雙折射性質發生改變，普克耳效應使晶體的雙折射性質發生改變，這種變化理論上可由描述晶體雙折射性質這種變化理論上可由描述晶體雙折射性質

2、的折射率橢球的變化來表示。的折射率橢球的變化來表示。 1232322222121nxnxnx.l晶體的兩端加一個電場。外加電場平行于晶體的兩端加一個電場。外加電場平行于通光方向，這種運用稱為縱向運用，或稱通光方向，這種運用稱為縱向運用，或稱為縱向調制。對于為縱向調制。對于KDP類晶體，晶體折射類晶體，晶體折射率率 的變化與電場的變化與電場E的關系由下式給定：的關系由下式給定：nEnn633063是KDP晶體的縱向運用的電光系數 .l兩正交的平面偏振光穿過厚度為l的晶體后，光程差為：l式中， 是加在晶體上的縱向電壓。l當折射率變化所引起的相位變化為 時，則稱此電壓為半波電壓 ，并有 ElU 2U

3、UnlEnlnL633063306330022nU.l圖251是利用普克耳效應的光纖電壓傳感器示意圖。 .普克耳效應的光纖電壓傳感器工作原理l傳感器工作過程是，從激光器射出的光由起偏器傳感器工作過程是，從激光器射出的光由起偏器11變為平面偏振光，再入射到調制器械電光晶體變為平面偏振光，再入射到調制器械電光晶體1上。上。由于電光效應的作用，從電光晶體射出的光變為橢由于電光效應的作用，從電光晶體射出的光變為橢圓偏振光，經圓偏振光，經1/4波片波片2獲得一光學偏置，最后經檢獲得一光學偏置，最后經檢偏器偏器3輸出，這樣就由相位的變化轉換成強度的變化。輸出，這樣就由相位的變化轉換成強度的變化。輸出的光強

4、為輸出的光強為)42(sin20 II縱向運用時04130/2Un橫向運用時dlUnc030.二克爾效應二克爾效應l克爾效應也稱為平方電光效應，它發生在一切物質中。當外加電場作用在各向同性的透明物質上時，各向同性物質的光學性質發生變化，變成具有雙折射現象的各向異性特性，并且與單軸晶體的情況相同。l外加電場與光傳播方向垂直時,感應雙折射同電場關系20kEnnoe.利用克爾效應可以構成電場、電壓傳感器利用克爾效應可以構成電場、電壓傳感器 .光克爾效應調制光克爾效應調制 原理原理l如圖，通光方向與電場方向垂直。當電極上不加外如圖，通光方向與電場方向垂直。當電極上不加外電場時，沒有光通過檢偏鏡，克爾盒

5、呈關閉狀態。電場時，沒有光通過檢偏鏡，克爾盒呈關閉狀態。ldUklnne200)()(l當電極加上外電場時，有光通過檢偏鏡，克爾盒當電極加上外電場時，有光通過檢偏鏡，克爾盒開啟狀態。若在兩極上加電壓開啟狀態。若在兩極上加電壓U，則由感應雙折射，則由感應雙折射引起引起的兩偏振光波的光程差為的兩偏振光波的光程差為兩光波間的相位差則為兩光波間的相位差則為2)(2dUkl.l檢偏鏡的透射光強度檢偏鏡的透射光強度I與入射光光強與入射光光強I0之間的關之間的關系可由下式表示。系可由下式表示。)(2sin22/20UUII kldU22l特征特征: 感應雙折射幾乎與外加電場同步感應雙折射幾乎與外加電場同步,

6、有較快有較快的響應速度的響應速度,響應頻率可達響應頻率可達1010Hz。可以制成高。可以制成高速的克爾調制器或克爾光閘速的克爾調制器或克爾光閘.三法拉第效應三法拉第效應ldHVl0可做成電流傳感器.四光彈效應四光彈效應l在力學形變時材料會變成各向異性。在力學形變時材料會變成各向異性。l壓縮時材料具有負單軸晶體的性質，伸長壓縮時材料具有負單軸晶體的性質，伸長時材料具有正單軸晶體的性質。時材料具有正單軸晶體的性質。l物質的等效光軸在應力的方向，感生雙折物質的等效光軸在應力的方向，感生雙折射的大小正比于應力。射的大小正比于應力。l這種應力感生的雙折射現象稱為光彈效應。這種應力感生的雙折射現象稱為光彈效應。 .kpnne0.小結l強度調制：檢測接收到的光強變化獲得被測信號；l相位調制：兩束相干光存在相位差在光電探測器中發生干涉并轉換成強度變化實