光傳感--光調(diào)制ppt課件

1、第 十一 章光 調(diào) 制 技 術(shù) 何 謂 光 調(diào) 制n光調(diào)制就是將一個(gè)攜帶信息的信號(hào)疊加到載波光波上,完成這一過(guò)程的器件稱為調(diào)制器。n調(diào)制器能使載波光波的參數(shù)隨外加信號(hào)變化而變化，這些參數(shù)包括光波的振幅、位相、頻率、偏振、波長(zhǎng)等。承載信息的調(diào)制光波在光纖中傳輸，再由光探測(cè)器系統(tǒng)解調(diào)，然后檢測(cè)出所需求的信息。 1 光強(qiáng)度調(diào)制技術(shù)一、微彎效應(yīng)光強(qiáng)度調(diào)制技術(shù)一、微彎效應(yīng)光強(qiáng)度調(diào)制技術(shù) 原 理 利用光在微彎光纖中強(qiáng)度的衰減原理，將光纖夾在兩塊具周期性波紋的微彎析構(gòu)成的變形器中構(gòu)成調(diào)制器。從波導(dǎo)實(shí)際的觀念來(lái)看，當(dāng)光纖發(fā)生彎曲時(shí)，傳輸光會(huì)有一部分走漏到包層中去，這種走漏是光纖內(nèi)發(fā)生方式耦合的結(jié)果，這些耦合模

2、變?yōu)檩椛淠?，呵斥傳播光能量的損耗。纖芯中的光向包層逸出的緣由從幾何光學(xué)來(lái)說(shuō)是由于全反射條件的破壞呵斥的，從波導(dǎo)實(shí)際來(lái)說(shuō)那么是光纖的彎曲引起了各種傳導(dǎo)方式的耦合，那么構(gòu)成耦合方式被送入包層中去產(chǎn)生輻射模。 微 彎 調(diào) 制 示 意 圖 定定 量量 分分 析析微彎效應(yīng)呵斥的損耗微彎效應(yīng)呵斥的損耗 可寫可寫成如下方式成如下方式 式中式中 為齒距，為齒距， 為齒數(shù)目，為齒數(shù)目， 為變形幅度，為變形幅度， 為纖芯半徑，為纖芯半徑， 為光纖外半徑，為光纖外半徑， 為內(nèi)外層折射為內(nèi)外層折射率差值。其中任何一個(gè)參數(shù)改動(dòng)率差值。其中任何一個(gè)參數(shù)改動(dòng)都會(huì)起到光強(qiáng)調(diào)制的作用。在實(shí)都會(huì)起到光強(qiáng)調(diào)制的作用。在實(shí)踐問(wèn)題里，

3、變形器及光纖參數(shù)全踐問(wèn)題里，變形器及光纖參數(shù)全部固定時(shí)，那么可以為部固定時(shí)，那么可以為 ),(baxmf mxb)(xg 實(shí) 際 測(cè) 量 框 圖n利用這種調(diào)制技術(shù)可以直接丈量位移的變化量(變形器上的變形板位移的大小決議光強(qiáng)的衰減程度),而間接丈量的量那么可包括溫度，壓力，振動(dòng)，應(yīng)變等。探測(cè)器脫 模 器脫 模 器 脫 模 器 的 作 用n這里脫模器的作用是在進(jìn)入探測(cè)器之前消除掉進(jìn)入包層中的光以保證只需纖芯中的光才干傳到變形器和探測(cè)器。n其方法是在幾厘米長(zhǎng)的包層外邊外表上刷上黑漆，這就可以幾乎完全吸收掉傳入包層中的光或者剝?nèi)ネ獍鼘又糜谡凵渎势ヅ涞男『兄小?其它類型其它類型n被測(cè)物體挪動(dòng)引起光纖變形

4、，n 曲率半徑隨之改動(dòng)，引起輻n 射模。 其其 它它 類類 型型將光纖繞成多圈螺旋管狀，添加變形長(zhǎng)度以提高靈 敏 度 微 彎 型 水 聽 器n多模光纖繞于帶有螺紋的鋁管螺紋谷內(nèi)不會(huì)發(fā)生變形，而經(jīng)過(guò)縱向槽的那部分光纖將由于外部壓力而變形，假設(shè)這種壓力來(lái)自于聲波，那么可依此原理制成水聽器。脫模器脫模器探測(cè)器探測(cè)器二、二、 光光 強(qiáng)強(qiáng) 度度 的的 外外 調(diào)調(diào) 制制 技技 術(shù)術(shù)n上述微彎調(diào)制技術(shù)屬于內(nèi)調(diào)制，屬于功能性調(diào)制技術(shù)，它是利用光纖本身特性的改動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)光調(diào)制的。n所謂外調(diào)制技術(shù)，是指調(diào)制環(huán)節(jié)發(fā)生在光纖以前的部分，光纖本身的性質(zhì)并不改動(dòng)，它只起到傳光的作用。此時(shí)的光纖分為兩部分，即輸入光纖和輸出光

5、纖，或發(fā)送光纖和接納光纖。n 1、 反射型光強(qiáng)外調(diào)制傳感器na、原理n由輸入光纖出射的光投射到反射面上，其反射光的一部分進(jìn)入輸出光纖，進(jìn)入多少與反射面位置有關(guān)。輸入光纖輸出光纖反射面 b、 定 量 分 析反射鏡面的挪動(dòng)方向是與光纖探頭端面垂直的，反射鏡面在其反面間隔 處構(gòu)成輸入光纖的虛象，因此，光強(qiáng)調(diào)制造用是與虛光纖和輸出光纖的耦合相聯(lián)絡(luò)的。設(shè)兩光纖皆為階躍折射率光纖，芯徑為 ，數(shù)值孔徑為 ，兩光纖垂直間隔為 2 ，并定義dr2AN.).(sin1ANtgT反射型光強(qiáng)外調(diào)制傳感器表示圖反射型光強(qiáng)外調(diào)制傳感器表示圖ad2r輸出光纖輸入光纖的鏡像back 檢 測(cè) 范 圍那么當(dāng)間隔那么當(dāng)間隔 時(shí)，兩

6、光纖的耦合為零，時(shí)，兩光纖的耦合為零，無(wú)反射光進(jìn)入輸出光纖；無(wú)反射光進(jìn)入輸出光纖；當(dāng)當(dāng) 時(shí)，兩光纖耦合最強(qiáng)，輸出光時(shí)，兩光纖耦合最強(qiáng)，輸出光強(qiáng)達(dá)最大值，此時(shí)輸入光纖的像發(fā)出的光錐強(qiáng)達(dá)最大值，此時(shí)輸入光纖的像發(fā)出的光錐底面積底面積 將輸出光纖端面積全部遮蓋，將輸出光纖端面積全部遮蓋，是一個(gè)常數(shù)，光錐底面積為是一個(gè)常數(shù)，光錐底面積為 Tad2Trad222r2)(dT因此最大檢測(cè)范圍是 即檢測(cè)位移的范圍在 和 之間。 Tad2Trad22Trd 定 量 計(jì) 算 光 耦 合 系 數(shù)假設(shè)定量計(jì)算光耦合系數(shù)，必需先計(jì)算輸入光纖像的發(fā)光錐面子積與輸出光纖端面的交疊面積，假設(shè)準(zhǔn)確計(jì)算，那么必需運(yùn)用gamma

7、方程，非常復(fù)雜 。輸出光纖a輸入光纖反射型光強(qiáng)外調(diào)制傳感器表示圖假設(shè)作線性近似，即將錐體邊緣與輸出光纖芯交界的弧線作為直線處置，那么可得到線性解，在線性近似下，可求得交疊面積與光錐底面積之比為 rrr1cossin11cos111r式中 為交疊面積的高，由 決議： 假定反射鏡面無(wú)光吸收，兩光纖的光功率耦合效率 ，即為交疊面積與光維底面積之比， 的最大值發(fā)生在 處。dadT 2F222dTrrFFTad 上述關(guān)系式給出了反射式位移傳感器的設(shè)計(jì)根據(jù)，假設(shè)芯徑 ，的階躍光纖， ，計(jì)算結(jié)果闡明最大耦合效率 發(fā)生于 處。此傳感器的固有分辨率好于 。mr2002 5 . 0.ANma100%2 . 7ma

8、xFmd320nm1 這 些 都 是 簡(jiǎn) 化 處 理 上面的分析作了很多簡(jiǎn)化處置：除了線性假設(shè)不分，還假定了光纖為階躍型光纖；模譜是均勻一致的，即功率密度在光維底面上是均勻的；反射面平行于光纖端面；反射率為100等。 2、遮光型光強(qiáng)外調(diào)制技術(shù)n上面所言為反射式，除此之外還有遮光式，一種方法是將發(fā)射光纖和接取光纖對(duì)準(zhǔn)，光強(qiáng)調(diào)制信號(hào)加在挪動(dòng)的遮光板上；另一種方法是直接挪動(dòng)接納光纖。這兩種方式都是使接納光纖只能收到發(fā)送光纖發(fā)出的部分光，從而實(shí)現(xiàn)光調(diào)制。 遮光型光強(qiáng)外調(diào)制技術(shù)遮光型光強(qiáng)外調(diào)制技術(shù)n用這種方法可以丈量位移、壓力、溫度等物理量，這些物理量的變化都可使光強(qiáng)減弱由于閘式要使兩光纖間隔大一些，因

9、此光損耗較大，但它可固定兩光纖，因此運(yùn)用可靠。 光閘輸入光纖輸出光纖 三、三、 折射率光強(qiáng)度調(diào)制技術(shù)折射率光強(qiáng)度調(diào)制技術(shù) 反射系數(shù)式光強(qiáng)調(diào)制技術(shù)反射系數(shù)式光強(qiáng)調(diào)制技術(shù)n反射系數(shù)與兩介質(zhì)的折射率有關(guān)，利用折射率的變化來(lái)改動(dòng)反射系數(shù)，那么可到達(dá)調(diào)制光強(qiáng)的目的，以下圖給出了一種典型安裝：光源探測(cè)器信號(hào)處置調(diào)制器全反射面1n2n3n調(diào)調(diào) 制制 機(jī)機(jī) 理理n由光纖左端入射的光，一部分沿光路前往到探測(cè)器。調(diào)制機(jī)理是：n光纖左端有兩個(gè)反射面，其中底面的為全反射面鍍膜而成，兩反射面搭接，斜面反射面與折射率為n3的介質(zhì)接觸，調(diào)理斜面反射鏡的角度使纖芯光經(jīng)反射后能垂直入射到全反射面上，那么纖芯光入射到斜反射面時(shí)可

10、以部分地透射到的介質(zhì)中去，由費(fèi)涅爾公式描畫： 其中 為強(qiáng)度反射系數(shù)， ，為入射角?？梢?，假設(shè) 介質(zhì)由于壓力或溫度的變化引起 微小變化，那么會(huì)導(dǎo)致反射系數(shù)的變化，從而導(dǎo)致反射光強(qiáng)的改動(dòng)，利用此原理可設(shè)計(jì)溫度或壓力傳感器。 221222122)sin(cossincosnnRR13nnn 3n3n2 光 偏 振 調(diào) 制 技 術(shù)n許多物理效應(yīng)都會(huì)影響或改動(dòng)光的偏振形狀，采用這些效應(yīng)可設(shè)計(jì)偏振調(diào)制器，下面引見一種典型效應(yīng)。n法拉弟發(fā)現(xiàn)，許多物質(zhì)在磁場(chǎng)的作用下可使穿過(guò)它的平面偏振光的偏振 方 向 旋 轉(zhuǎn)在光的傳播方向上加上強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)一、法拉弟效應(yīng)磁致旋光效應(yīng)一、法拉弟效應(yīng)磁致旋光效應(yīng)d振動(dòng)面旋轉(zhuǎn)的角度 由

11、閱歷公式給出： 式中 為靜磁通量， 為光所穿越的媒質(zhì)長(zhǎng)度， 是比例因子，稱費(fèi)爾德常數(shù)，一種特定媒質(zhì)的費(fèi)爾德常數(shù)隨頻率和溫度而變。rBdBdr實(shí) 際 例 子對(duì)于氣體， 約為 ，固體和液體為 的量級(jí)。 如對(duì)于1厘米長(zhǎng)的 樣品， 高斯的磁場(chǎng)， ，此時(shí) 振動(dòng)面將轉(zhuǎn)動(dòng) 。r2100131. 0r510OH2410CT20112顯然，法拉弟效應(yīng)可用來(lái)設(shè)計(jì)光調(diào)制器，欲提高效率必需每單位長(zhǎng)度的資料對(duì)光的吸收要盡量小，而偏振面旋轉(zhuǎn)的角度要盡量大，為此，人們研制了許多奇特的鐵磁資料，如 eCraw 利用人工生長(zhǎng)的釔鐵石榴石YIG磁性晶體，它的費(fèi)爾德數(shù)可以到達(dá) (對(duì) 波長(zhǎng)， 溫度范圍)。 .CR0 . 9m3 .

12、1C8525 利用法拉第效應(yīng)測(cè)磁場(chǎng) 實(shí) 驗(yàn) 裝 置 圖 調(diào)制電流恒定磁場(chǎng)起偏器檢偏器 線偏振光從左面進(jìn)入晶體，橫向的直流磁場(chǎng)使YIG晶體在此方向上引起磁化飽和，而總的磁化強(qiáng)度矢量由恒定磁場(chǎng)和線圈磁場(chǎng)所引起可以改動(dòng)方向，它對(duì)晶體軸的傾斜角度正比于線圈中的調(diào)制電流。由于法拉弟旋轉(zhuǎn)依賴于磁化強(qiáng)度的軸向分量，所以線圈電源控制了 角，檢偏器把這一偏振調(diào)制轉(zhuǎn)換為振幅調(diào)制。也就是說(shuō)，要傳送的信息作為調(diào)制電壓加在線圈上，那么出射的激光束以振幅變化的方式攜帶著信息。該當(dāng)指出的是，應(yīng)將法拉弟旋轉(zhuǎn)和旋光性旋轉(zhuǎn)加以區(qū)別，所指旋光性旋轉(zhuǎn)，是指入射線偏振光的電場(chǎng)振動(dòng)面在旋光資料中銜接地旋轉(zhuǎn)的景象。這種景象的一個(gè)特點(diǎn)是旋轉(zhuǎn)

13、方身與傳播方向有關(guān)，當(dāng)光線正反兩次經(jīng)過(guò)一個(gè)旋光性物質(zhì)時(shí)，總旋轉(zhuǎn)角度為零，而法拉弟旋轉(zhuǎn)是與光傳播方向無(wú)關(guān)的，正反兩次經(jīng)過(guò)法拉弟資料后，總的旋轉(zhuǎn)角度為 。2法拉弟旋轉(zhuǎn)和旋光性旋轉(zhuǎn)之區(qū)別這樣，為了獲得更大的法拉弟效應(yīng)，可以將放在磁場(chǎng)中的法拉弟資料做成平行六面體，使通光面對(duì)光線方向稍偏離垂直位置，并將兩面鍍成反射膜，只留入口和出口，這樣，假設(shè)光束在其間反射 次后出射，那么有效旋光厚度為 ，那么偏振面的旋轉(zhuǎn)角度將提高 倍。NNdN高反射膜3 相 位 調(diào) 制 一、一、 概概 述述利用光相位調(diào)制來(lái)丈量某些物理量的開發(fā)運(yùn)用已利用光相位調(diào)制來(lái)丈量某些物理量的開發(fā)運(yùn)用已有一百多年的歷史，不過(guò)普通以空間作為干涉光有

14、一百多年的歷史，不過(guò)普通以空間作為干涉光路的干涉儀體積大，環(huán)境條件要求嚴(yán)厲，調(diào)整也路的干涉儀體積大，環(huán)境條件要求嚴(yán)厲，調(diào)整也困難，因此限制了在工業(yè)中的運(yùn)用。困難，因此限制了在工業(yè)中的運(yùn)用。光導(dǎo)纖維的出現(xiàn)為光學(xué)干涉儀開辟了寬廣的天地，光導(dǎo)纖維的出現(xiàn)為光學(xué)干涉儀開辟了寬廣的天地，由于用光纖替代自在空間作為干涉光路有兩個(gè)突由于用光纖替代自在空間作為干涉光路有兩個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)：一是減少了干涉儀安裝和校準(zhǔn)的固有出的優(yōu)點(diǎn)：一是減少了干涉儀安裝和校準(zhǔn)的固有困難，可使儀器小型化，塊體化。二是可以用加困難，可使儀器小型化，塊體化。二是可以用加長(zhǎng)光纖的方法使干涉光路對(duì)環(huán)境參數(shù)的呼應(yīng)靈敏長(zhǎng)光纖的方法使干涉光路對(duì)環(huán)境參

15、數(shù)的呼應(yīng)靈敏度添加。度添加。相位調(diào)制是光纖傳感器中最根本的調(diào)制技術(shù)，它的靈敏度極高，據(jù)報(bào)導(dǎo)，可探 測(cè)光程差引起的相位變化對(duì) 于 光波，這相當(dāng)于一個(gè)原子核直徑的大小。相位調(diào)制經(jīng)常與干涉丈量機(jī)并用，構(gòu)成相位調(diào)制的干涉型光纖傳感器。光纖干涉?zhèn)鞲衅鞅灰詾槭菨撛陂_發(fā)靈敏度最高的儀表。m1410m83.0 概概 述述 二、二、 調(diào)調(diào) 制制 原原 理理n光纖中傳導(dǎo)的光，其相位變化取決于外界物理量產(chǎn)生的光纖波導(dǎo)的下面三個(gè)參數(shù)的變化。n光纖物理長(zhǎng)度的變化n軸向應(yīng)變伸長(zhǎng)、熱膨脹引起的伸長(zhǎng)、泊松比變化引起長(zhǎng)度伸長(zhǎng)n光纖折射系數(shù)及分布的變化溫度引起、光彈效應(yīng)n光纖橫截面幾何尺寸的變化壓力、熱膨脹為簡(jiǎn)化分析，假定分析折

16、射率沿其截面分布不變化，那么光相位調(diào)制那么只由光纖長(zhǎng)度、折射率大小和橫截面尺寸產(chǎn)生。光纖中傳播光相位變化可以表示為 dnL 軸向長(zhǎng)度變化 產(chǎn)生的相位移 折射率變化 產(chǎn)生的相位移 光纖直徑變化 產(chǎn)生的相位移LLnndd其中 此三個(gè)要素中 產(chǎn)生的相移表達(dá)式比較復(fù)雜，與 有關(guān)，其大小取決于光纖的構(gòu)造。 為光纖軸向應(yīng)變122LLL1nLn2dLd 22dd 外施參量與光相位的關(guān)系可由被丈量產(chǎn)生的光纖參量變化來(lái)求得，下面以溫度來(lái)闡明。外施溫度對(duì)光纖的熱影響是最簡(jiǎn)單的情況。此時(shí)可只思索溫度對(duì)長(zhǎng)度和折射率變化而忽略溫度引起的直徑變化。那么TTnL2 對(duì)純硅資料，熱脹溫度系數(shù) ，折射率溫度系數(shù) ，因此每束光纖

17、升溫一開的光相位移為 k/105 . 57kTn/1068. 05rad106三、三、 相相 位位 調(diào)調(diào) 制制 實(shí)實(shí) 用用 技技 術(shù)術(shù) 1、邁克爾遜干涉儀單色光經(jīng)分束器分為光強(qiáng)相等的兩束光：一束射向固定反射鏡，然后反射到分束器，被其透射部分，由探測(cè)器接納；另一束入射到可挪動(dòng)反射鏡上，然后反射回分束器，經(jīng)分束器反射的部分也傳到探測(cè)器；當(dāng)光程差小于激光器的相關(guān)長(zhǎng)度時(shí)，傳到探測(cè)器的兩束光那么產(chǎn)生干涉。 邁克爾遜干涉儀表示圖激光器固定反射鏡探測(cè)器可挪動(dòng)反射鏡調(diào)制器back兩相關(guān)光的位相差為 式中 為空氣中的光傳播常數(shù)， 為兩相關(guān)光的光程差。 02k0k002nk2 可見，可挪動(dòng)反射鏡每挪動(dòng) 長(zhǎng)度，光探

18、測(cè)器的輸出就從最大值變到最小值，再變到最大值，變化一個(gè)周期。假設(shè)運(yùn)用 激光，它能檢測(cè)的位移大致為 ，即 的位移。206328ANeHem710m131063. 0 2.馬赫澤德干涉儀表示圖馬赫澤德干涉儀表示圖固定反射鏡光 源探測(cè)器可挪動(dòng)反射鏡傳感器 與邁克爾遜干涉儀之區(qū)別與邁克爾遜干涉儀之區(qū)別n1. 它沒有光前往到激光器，利于激光 n 器減少不穩(wěn)定噪聲；n2. 從分束器向上也可以獲得兩束光， n 一為參考光的反射，一為信號(hào)光的 n 透射，假設(shè)需求，可利用這兩束光n 獲得第二個(gè)輸出信號(hào)。邁克圖固定反射鏡光 源探測(cè)器可挪動(dòng)反射鏡傳感器 3. 塞格納克干涉儀光源探測(cè)器 塞格納克干涉儀的特點(diǎn)塞格納克干

19、涉儀的特點(diǎn)n這種干涉儀的特點(diǎn)是，激光束分為反射和透射兩束沿相反方向傳播，最后集合到分束器回到探測(cè)器。n在這種干涉儀中，任何一塊反射鏡在垂直外表的方向上挪動(dòng)，兩束光的光源變化皆相等，因此不會(huì)在探測(cè)器上探測(cè)到光強(qiáng)之變化。n但是，當(dāng)將此安裝置于一個(gè)可繞垂直于光束平面軸旋轉(zhuǎn)的平臺(tái)上時(shí)，由于塞格納克效應(yīng)，兩束傳播方向相反的光就會(huì)有不同的延遲。 假設(shè)平臺(tái)順時(shí)針?lè)较蛞运俣?轉(zhuǎn)動(dòng)，那么在順時(shí)針?lè)较騻鞑サ墓廨^反時(shí)針?lè)较蜓舆t大，此相位延遲是可表為 式中 旋轉(zhuǎn)角速度， 光路圍成的面積， 光速， 真空光波長(zhǎng)。這樣，經(jīng)過(guò)檢測(cè)光器變化，可知旋轉(zhuǎn)速度，這種技術(shù)是設(shè)計(jì)導(dǎo)航系統(tǒng)中環(huán)形光纖陀螺的根底。CA08AC0 4. 法布里

20、珀羅 干涉儀光源傳感器探測(cè)器 法布里一珀羅干涉儀的特點(diǎn)它由兩塊半透半反的平行放置的反射鏡組成，通常反射率達(dá)95以上。激光入射干涉儀沒在兩個(gè)反鏡間做多次往返反射，透射出來(lái)的平行光束由探測(cè)器接納。它與前三種的主要區(qū)別在于前面都是雙光束干涉，此為多光束干涉，此時(shí)在探測(cè)器上察看到的干涉光路的變化為 式中 為反射率 為 相鄰光束間的位相差2sin)1(41220RRIIR可見，當(dāng) 一定時(shí)，干涉光強(qiáng)隨 而變，當(dāng) 時(shí)，干涉光強(qiáng)有最大值 ，當(dāng) 時(shí)，干涉光強(qiáng)有最小值 。 透射的干涉光強(qiáng)最大與最小之比為 ?？梢?， 越大，干涉光強(qiáng)變化愈顯著，分辨率愈高，這是此技術(shù)的最大特點(diǎn)，它是最靈敏的位移丈量安裝。Rm2 ,4 ,2 , 00I) 12(5 ,3 ,m0