光纖傳感中的光學(xué)原理及效應(yīng)

1、第1章：光纖傳感中的光學(xué)原理及效應(yīng)1.1光學(xué)反射原理分為鏡面反射和漫反射/鏡面反射和漫反射情況基于反射原理的光纖傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、成本低廉。主要應(yīng)用于位移測(cè)量，振動(dòng) 測(cè)量，壓力測(cè)量，濃度測(cè)量和液位測(cè)量。Sensing arm<SL2Reference arm1.3光學(xué)吸收原理選擇吸收：介質(zhì)對(duì)某些波長(zhǎng)的光的吸收特別顯著郎伯比爾(Lambert-Beer)定律：Lambert-Beer定律是吸收光度法的基本定律，表示物質(zhì)對(duì)某一單色光吸收的強(qiáng)弱與吸光物 質(zhì)濃度和厚度間的關(guān)系。當(dāng)氣體濃度、光程均很小的時(shí)候，可以近似為：It*1.4光學(xué)多普勒效應(yīng)匹cos雷達(dá)測(cè)速儀檢查機(jī)動(dòng)車(chē)速度的雷達(dá)測(cè)速儀

2、也是利用這種多普勒效應(yīng)。交通警向行進(jìn)中 的車(chē)輛發(fā)射頻率已知的電磁波，通常是紅外線(xiàn)，同時(shí)測(cè)量反射波的頻率，根據(jù) 反射波頻率變化的多少就能知道車(chē)輛的速度裝有多普勒測(cè)速儀的警車(chē)有時(shí)就 停在公路旁，在測(cè)速的同時(shí)把車(chē)輛牌號(hào)拍攝下來(lái)，并把測(cè)得的速度自動(dòng)打印在 照片上。1.5聲光效應(yīng)超聲波通過(guò)介質(zhì)時(shí)會(huì)造成介質(zhì)的局部壓縮和伸長(zhǎng)而產(chǎn)生彈性應(yīng)變，該應(yīng)變隨時(shí)間和空間作周期性變化，使介質(zhì)出現(xiàn)疏密相間的現(xiàn)象，如同一個(gè)相位光柵。當(dāng)光通過(guò)這一受到超聲波擾動(dòng)的介質(zhì)時(shí)就會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱(chēng)之為聲光效應(yīng)。利用聲光衍射效應(yīng)制成的器件，稱(chēng)為聲光器件。聲光器件能快速有效地控制激光束的強(qiáng) 度、方向和頻率，還可把電信號(hào)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換 為光

3、信號(hào)。此外，聲光衍射還是探測(cè)材料聲學(xué)性 質(zhì)的主要手段。主要用途有：制作聲光調(diào)制器件，制作聲光偏轉(zhuǎn)器件，聲光調(diào)Q開(kāi)關(guān)，可調(diào)諧濾光器,在光信號(hào)處理和集成光通訊方面的應(yīng)用。布喇格聲光盒聲光頻譜分析器1.6磁光效應(yīng)具有固有磁矩的物質(zhì)在外磁場(chǎng)的作用下，電磁特性發(fā)生變化，因而使得光波在其部傳輸特性也發(fā)生變化的現(xiàn)象。A、法拉第效應(yīng)：當(dāng)線(xiàn)偏振光沿磁場(chǎng)方向通過(guò)置于磁場(chǎng)中的磁光介質(zhì)時(shí)，其偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，對(duì)于給定的介質(zhì)，偏振面旋轉(zhuǎn)角度=介質(zhì)長(zhǎng)度X磁場(chǎng)強(qiáng)度X維厄德系數(shù)B、磁光克爾效應(yīng)： 指一束線(xiàn)偏振光在磁化了的介質(zhì)表面反射時(shí)，反射光將是橢圓偏振光， 而且以橢圓的長(zhǎng)軸為標(biāo)志的“偏振面”相對(duì)于入射偏振光的偏振面旋轉(zhuǎn)

4、了一定的角度。分類(lèi)： 極化克爾效應(yīng)，即磁化強(qiáng)度 M與介質(zhì)表面垂直時(shí)的克爾效應(yīng)，應(yīng)用于磁光存儲(chǔ)技術(shù)中 橫向克爾效應(yīng)：M既平行于介質(zhì)表面，但垂直于光的入射面 縱向克爾效應(yīng)：M既平行于介質(zhì)表面，又平行于光的入射面C、 磁致線(xiàn)雙折射效應(yīng)：某些由各向異性分子組成的介質(zhì)，在不加磁場(chǎng)時(shí)表現(xiàn)為各向同性，加上足夠強(qiáng)的外磁場(chǎng)時(shí)，分子磁矩受到了力的作用，各分子對(duì)外磁場(chǎng)有了一定的取向，使介質(zhì)宏觀上呈現(xiàn)各向異性，當(dāng)光以不同于磁場(chǎng)方向通過(guò)這樣的介質(zhì)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)雙折射現(xiàn)象。1.7電光效應(yīng)電光效應(yīng)：指某些晶體的折射率因外加電場(chǎng)而發(fā)生變化的一種效應(yīng)，當(dāng)光波通過(guò)此介質(zhì)時(shí)，其傳輸特性就受到影響而改變。2n n0 aE bE(6-3

5、)在上式中，aE是一次項(xiàng)，由該項(xiàng)引起的折射率變化，稱(chēng)為線(xiàn)性電光效應(yīng)或泡克耳斯(Pockels )效應(yīng)；bE是二次項(xiàng)，由該項(xiàng)引起的折射率變化，稱(chēng)為二次電光效應(yīng)或克爾(Kerr )效應(yīng)。對(duì)于大多數(shù)晶體，一次電光效應(yīng)要比二次效應(yīng)顯著，可略去二次項(xiàng)。但是在具有對(duì)稱(chēng)中心的晶體中，不存在一次電光產(chǎn)效應(yīng)。電光效應(yīng)已被廣泛用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)光波的控制，并做成光調(diào)制器、光偏轉(zhuǎn)器和電光濾波器件等。1.8彈光效應(yīng)由機(jī)械應(yīng)力引起的材料折射率變化的現(xiàn)象稱(chēng)為彈光效應(yīng)(Elasto-Optical Effect )。由于沿應(yīng)力方向發(fā)生折射率變化，原來(lái)同性材料也可變成各向異性，即折射率橢球發(fā)生變化， 而呈現(xiàn)雙折射。因此，對(duì)彈光物質(zhì)通

6、光和施加應(yīng)力時(shí)，由于應(yīng)力和與應(yīng)力垂直的方向上產(chǎn)生位相差，故可以利用這種效應(yīng)制作位移、振動(dòng)和壓力等光學(xué)傳感器。1.9光聲效應(yīng)激光光束照射到固體表面或氣體和液體中，會(huì)與被照射物質(zhì)相互作用產(chǎn)生一定強(qiáng)度和頻率的聲波，這就是光聲效應(yīng)。光聲效應(yīng)作為固體物質(zhì)表面檢測(cè)和物質(zhì)成分含量分析的有效手 段，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于物理、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、海洋、環(huán)境和材料等研究領(lǐng)域，有著廣闊的發(fā)展前 景。同樣，光聲效應(yīng)也可以應(yīng)用于氣體和液體的成分含量的檢測(cè)。第2章：光纖傳感原理及應(yīng)用技術(shù)2.1相位調(diào)制型光纖傳感器技術(shù)相位調(diào)制型光纖傳感器的基本傳感機(jī)理是：通過(guò)被測(cè)能量場(chǎng)的作用，使光纖傳播的光波相位發(fā)生變化，再利用干涉測(cè)量技術(shù)把相位變化轉(zhuǎn)

7、換為光強(qiáng)變化，從而檢測(cè)出待測(cè)的物理量。光纖中光波的相位，一方面由光纖的物理長(zhǎng)度、 折射率及其分布、波導(dǎo)橫向幾何尺寸所決定。 一般來(lái)說(shuō)，應(yīng)力、應(yīng)變、溫度等外界物理量能直接改變上述三個(gè)波導(dǎo)參數(shù)，從而產(chǎn)生相位變 化，實(shí)現(xiàn)光波的相位調(diào)制。另一方面也可以由Sag nac效應(yīng)產(chǎn)生。光相干條件兩列光波疊加在一起能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，但并非任意兩列光波相遇都能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。必要條件：頻率相同的兩光波在相遇點(diǎn)有相同的振動(dòng)方向和固定的相位差。補(bǔ)充條件：A-兩光波在相遇點(diǎn)所產(chǎn)生的振動(dòng)的振幅相差不懸殊。B-兩束光波在相遇點(diǎn)的光程差不能太大。四種常見(jiàn)的光纖干涉儀到達(dá)探測(cè)器的兩束光的光場(chǎng)分別為：eL tEl exp j Lt其

8、中,es tEsexpj st總光場(chǎng)為：EEs exp j stsEl exp jLtL總光強(qiáng)為：IEs exp jstsElexp jLt2LEs exp jstsElexp jLtLEs exp j stsEl exp j LtIs Il2 IS lL cosLStLLS根據(jù)相干條件，L S，則有I Is Il 2 IsIl COS如果不IS lLI 2IS 1 cosT&馬赫曾德光纖干涉儀與普通的光學(xué)干涉儀相比，優(yōu)點(diǎn)在于：(1) 容易準(zhǔn)直；(2) 可以通過(guò)增加光纖長(zhǎng)度來(lái)增加光程，以提高干涉儀的靈敏度;(3) 封閉式的光路，不受外界干擾;(4) 測(cè)量的動(dòng)態(tài)圍大。薩格納克(Sagna

9、c)光纖干涉儀光在運(yùn)動(dòng)介質(zhì)中的速度c 彳 1v 12 Vn n上式中，V是介質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度。CW 和 CCW信號(hào)同此時(shí)若光從A點(diǎn)進(jìn)入，分成 CW和CCW兩路光信號(hào)，當(dāng)光纖環(huán)靜止時(shí), 時(shí)到達(dá)A點(diǎn)，當(dāng)光纖環(huán)按圖中方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，兩路光信號(hào)在B點(diǎn)相遇。tew2 r r tewtccw2 r r tccw由上兩式得到2 rtcwc rnn22 rtccwc r所以順時(shí)針和逆時(shí)針的時(shí)間差為t tcwtccw2 r 2r222 rn2 2 2由于c2r 2 ，所以 t 2nc位相差為：4 r28 S2cc對(duì)于N匝光纖，則相位差為8N Sc第三部分：光纖光柵傳感技術(shù)自從加拿大通信研究中心的Hill等人在1978年首

10、次利用駐波法在摻鍺光纖中研制出世界上第一支永久性的實(shí)現(xiàn)反向模式間耦合的光纖光柵一一光纖布喇格光柵以來(lái)，對(duì)其研究與應(yīng)用得到了很大的發(fā)展。1993年，Hill等人提出了用紫外光垂直照射相位掩模形成的衍射條紋曝光氫載光纖寫(xiě)入 光纖布喇格光柵的相位掩模法，使得光纖光柵真正走向?qū)嵱没彤a(chǎn)品化。1998年，美國(guó)東哈特福德聯(lián)合技術(shù)研究中心的Meltz等人提出了用兩束相干的紫外光形成的干涉條紋側(cè)面曝光氫載光纖寫(xiě)入光纖布喇格光柵的橫向全息成柵技術(shù)，相對(duì)于部寫(xiě)入法，該方法又稱(chēng)為外側(cè)寫(xiě)入法。光纖光柵的分類(lèi)光纖光柵主要可以從光纖光柵的周期、相位和寫(xiě)入方法等幾個(gè)方面對(duì)光纖光柵進(jìn)行分 類(lèi)。1 按光纖光柵的周期分類(lèi)通常把周

11、期小于1卩m的光纖光柵稱(chēng)為短周期光纖光柵，而把周期為幾十至幾百微米的光纖光柵稱(chēng)為長(zhǎng)周期光纖光柵。前者的反射譜和后者的透射譜分別為如5-1 (a)和5-1 (b)所示。2.按波導(dǎo)結(jié)構(gòu)(a)均勻光纖光柵(b)啁啾光纖光柵(c)高斯變跡光纖光柵(d)升余弦變跡光纖光柵nef neff(e)相移光纖光柵光纖布拉格光柵的反射譜。(f)超結(jié)構(gòu)光纖光柵折射率分布為:neff 2neff m v cos zdadz其中,u2 dz，2 n 丄Beff為失調(diào)參數(shù)。耦合模方程da (z)dzi 石(z) ik*a (z)i 方(z) ika (z)k,分別為互耦合和自耦合系數(shù)，對(duì)于單模式布拉格光柵光纖，有2m n

12、 eff (z)，k k* mv n eff (z)。利用耦合模方程，可求得布拉格光柵的反射譜，進(jìn)而求得其它特性，但不幸 的是，只有均勻光柵可求得精確解，對(duì)于非均勻光纖光柵，因?yàn)轳詈夏Ｏ禂?shù)與 z 有關(guān)，不再是常量，得不到精確解，而只能采用一些數(shù)學(xué)方法來(lái)近似求數(shù)值解，盡管如此，均勻光纖光柵對(duì)了解非均勻光纖光柵的特性仍然是有很大的幫助。對(duì)于均勻光柵， 帀(Z)與z無(wú)關(guān)，是常數(shù)，因此，由耦合模方程和邊界條件a ( L 2)1，a (L 2)0,可求得反射系數(shù)，L是光纖光柵的長(zhǎng)度。反射效率sinh2( . k2?2L) ?2cosh2( k2?2L)弋k2在？ 0時(shí)，有最大反射功率，此時(shí)2Rmaxta

13、nh (kL)對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)值為:max1 meffneffB 2neff是設(shè)計(jì)的布拉格波長(zhǎng)。主瓣兩零點(diǎn)之間的波長(zhǎng)間隔為:0neff L N光纖光柵傳感原理B2 neffB 2nP11R2dn丘T n2n2P122P11R21熱膨脹系數(shù)T"eff熱光系數(shù)TBragg波長(zhǎng)的變化與溫度之間的變化有良好的線(xiàn)性關(guān)系，光柵的溫度靈敏度為Ktb/ T () b一般 a=5.5 >10-7K-1;宇7.00 >10-6K-1,如果光纖光柵的 Bragg 波長(zhǎng)為 I550nm，計(jì) 算光纖光柵的溫度靈敏度？光纖光柵的溫度靈敏度為0.0117nm/C, 般取0.01 nm/C。n = 1.46r

14、 v 0.16j Z>11 = 0.12, P- 0.27B 0.78B光纖光柵的應(yīng)變靈敏度為|：L£過(guò)陀、小沁下面分析用MZI作光纖光柵傳感解調(diào)的靈敏度。21S 1 cosdi2I s sinddi2ISs in芻 Lddi時(shí)，最靈敏。此時(shí),22Is2t LdI 2Is。dl2Is設(shè)系統(tǒng)的信噪比為 60dB,則最小可探測(cè)器強(qiáng)度變化為-2Is0.001SNRL 1mm ,1550nm , d 10 pm （對(duì)應(yīng)裸光柵溫度測(cè)量精度1度），dl2Is，可以檢測(cè)到。若溫度測(cè)量精度提高到0.1度，則dl2Is，仍然可以檢測(cè)。0 $ Ld2如果 0,則I 4IS，當(dāng)d 10 pm時(shí)，d牙

15、Ld-J I此時(shí) I 2IS 1.99965803727299,所以-。因?yàn)樾盘?hào)能4Is量提高了 2倍，這樣信噪比提高3dB ,因此有最小探測(cè)強(qiáng)度變化為：dI1。能檢測(cè)否？41sSNR設(shè)光纖光柵反射帶寬 -：；：，則相干長(zhǎng)度等于12cm.非平衡MZI最大的缺點(diǎn)是因?yàn)閮蓚€(gè)臂長(zhǎng)度不相等，所以?xún)蓚€(gè)臂受到外部環(huán)境因素的影響不 相同，從而導(dǎo)致性能不穩(wěn)定。慢光效應(yīng)對(duì)M-Z干涉儀的影響設(shè)信號(hào)從端口1輸入，nn從端口4輸出。則兩個(gè)臂的位相差為:nn LL2cdLdnnn所以，dcdLngncdddL2 cngn2dddc慢光效應(yīng)能增大群折射率ng，因此，慢光效應(yīng)將極大增加干涉儀的靈敏度。如果采用慢光效應(yīng)更大的材料，干涉儀的靈敏度將增大更多第四部分：光纖氣體傳感技術(shù)在氣體傳感中，所氣體吸收的郎伯比爾(Lambe