光調(diào)制技術(shù)第六章概要

第六章光

調(diào)

制

技術(shù)

何謂光調(diào)制光調(diào)制就是將一個攜帶信息的信號疊加到載波光波上,完成這一過程的器件稱為調(diào)制器。調(diào)制器能使載波光波的參數(shù)隨外加信號變更而變更，這些參數(shù)包括光波的振幅、位相、頻率、偏振、波長等。承載信息的調(diào)制光波在光纖中傳輸，再由光探測器系統(tǒng)解調(diào)，然后檢測出所須要的信息。

§6.1光強度調(diào)制技術(shù)

一、微彎效應光強度調(diào)制技術(shù)1、原理利用光在微彎光纖中強度的衰減原理，將光纖夾在兩塊具周期性水紋的微彎析構(gòu)成的變形器中構(gòu)成調(diào)制器。從波導理論的觀點來看，當光纖發(fā)生彎曲時，傳輸光會有一部分泄漏到包層中去，這種泄漏是光纖內(nèi)發(fā)生模式耦合的結(jié)果，這些耦合模變?yōu)檩椛淠?，造成傳播光能量的損耗。纖芯中的光向包層逸出的緣由從幾何光學來說是由于全反射條件的破壞造成的，從波導理論來說則是光纖的彎曲引起了各種傳導模式的耦合，則形成耦合模式被送入包層中去產(chǎn)生輻射模。

微彎調(diào)制示意圖2、定量分析微彎效應造成的損耗可寫成如下形式

式中為齒距，為齒數(shù)目，為變形幅度，ａ為纖芯半徑，為光纖外半徑，為內(nèi)外層折射率差值。其中任何一個參數(shù)變更都會起到光強調(diào)制的作用。在實際問題里，變形器及光纖參數(shù)全部固定時，則可認為

實際測量框圖利用這種調(diào)制技術(shù)可以干脆測量位移的變更量(變形器上的變形板位移的大小確定光強的衰減程度),而間接測量的量則可包括溫度，壓力，振動，應變等。探測器脫模器脫模器脫模器的作用這里脫模器的作用是在進入探測器之前消退掉進入包層中的光以保證只有纖芯中的光才能傳到變形器和探測器。其方法是在幾厘米長的包層外邊表面上刷上黑漆，這就可以以乎完全吸取掉傳入包層中的光（或者剝?nèi)ネ獍鼘又糜谡凵渎势ヅ涞男『兄校?、其它類型被測物體移動引起光纖變形，曲率半徑隨之變更，引起輻射模。其它類型將光纖繞成多圈螺旋管狀，增加變形長度以提高靈敏度。

微彎型水聽器多模光纖繞于帶有螺紋的鋁管螺紋谷內(nèi)不會發(fā)生變形，而通過縱向槽的那部分光纖將由于外部壓力而變形，假如這種壓來來自于聲波，則可依此原理制成水聽器。脫模器ＬＡＳＥＲ探測器

二、光強度的外調(diào)制技術(shù)

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變更來實現(xiàn)光調(diào)制的。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)并不變更，它只起到傳光的作用。此時的光纖分為兩部分，即輸入光纖和輸出光纖，或發(fā)送光纖和接收光纖，由于接收光強與接收光纖的端面的法向方面有關(guān)，于是接收光纖的端面可以視為接收信號。

1、反射型光強外調(diào)制傳感器

a、原理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入輸出光纖，進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移動方向是與光纖探頭端面垂直的，反射鏡面在其背面距離處形成輸入光纖的虛象，因此，光強調(diào)制作用是與虛光纖和輸出光纖的耦合相聯(lián)系的。設兩光纖皆為階躍折射率光纖，芯徑為，數(shù)值孔徑為，兩光纖垂直距離為ａ，并定義反射型光強外調(diào)制傳感器示意圖2ad2r輸出光纖輸入光纖的鏡像

檢測范圍則當距離時，兩光纖的耦合為零，無反射光進入輸出光纖；當時，兩光纖耦合最強，輸出光強達最大值，此時輸入光纖的像發(fā)出的光維底面積將輸出光纖端面積全部遮蓋，是一個常數(shù)，光維底面積為

因此最大檢測范圍是即檢測位移的范圍在和

之間。

定量計算光耦合系數(shù)假如定量計算光耦合系數(shù)，必需先計算輸入光纖像的發(fā)光維風光 積與輸出光纖端面的交疊面積，假如精確計算，則必需運用gamma方程，特殊困難。輸出光纖a輸入光纖假如作線性近似，即將維體邊緣與輸出光纖芯交界的弧線作為直線處理，則可得到線性解，在線性近似下，可求得交疊面積與光維底面積之比為

r式中為交疊面積的高，由確定：

假定反射鏡面無光吸取，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。上述關(guān)系式給出了反射式位移傳感器的設計依據(jù)，假如芯徑，的階躍光纖，，計算結(jié)果表明最大耦合效率發(fā)生于處。此傳感器的固有辨別率好于。

這些都是簡化處理上面的分析作了很多簡化處理：除了線性假設不分，還假定了①光纖為階躍型光纖；②模譜是勻整一樣的，即功率密度在光維底面上是勻整的；③反射面平行于光纖端面；④反射率為100％等。2、遮光型光強外調(diào)制技術(shù)上面所言為反射式，除此之外還有遮光式，一種方法是將放射光纖和接取光纖對準，光強調(diào)制信號加在移動的遮光板上；另一種方法是干脆移動接收光纖。這兩種方式都是使接收光纖只能收到發(fā)送光纖發(fā)出的部分光，從而實現(xiàn)光調(diào)制。遮光型光強外調(diào)制技術(shù)用這種方法可以測量位移、壓力、溫度等物理量，這些物理量的變更都可使光強減弱由于閘式要使兩光纖距離大一些，因此光損耗較大，但它可固定兩光纖，因而運用牢靠。光閘輸入光纖輸出光纖三、折射率光強度調(diào)制技術(shù)

（反射系數(shù)式光強調(diào)制技術(shù)）

反射系數(shù)與兩介質(zhì)的折射率有關(guān)，利用折射率的變更來變更反射系數(shù)，則可達到調(diào)制光強的目的，下圖給出了一種典型裝置：光源探測器信號處理調(diào)制器

調(diào)制部分細節(jié)全反射面調(diào)制機理由光纖左端入射的光，一部分沿光路返回到探測器。調(diào)制機理是：光纖左端有兩個反射面，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的介質(zhì)接觸，調(diào)整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，則纖芯光入射到斜反射面時能夠部分地透射到的介質(zhì)中去，由費涅爾公式描述：

其中為強度反射系數(shù)，，為入射角?？梢姡艚橘|(zhì)由于壓力或溫度的變更引起微小變更，則會導致反射系數(shù)的變更，從而導致反射光強的變更，利用此原理可設計溫度或壓力傳感器。

§6.2光偏振調(diào)制技術(shù)很多物理效應都會影響或變更光的偏振狀態(tài)，接受這些效應可設計偏振調(diào)制器，下面介紹一種典型效應。法拉弟發(fā)覺，很多物質(zhì)在磁場的作用下可使穿過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磁場時）一、法拉弟效應（磁致旋光效應）Ｈd振動面旋轉(zhuǎn)的角度由閱歷公式給出：

式中為靜磁通量，為光所穿越的媒質(zhì)長度，是比例因子，稱費爾德常數(shù)，一種特定媒質(zhì)的費爾德常數(shù)隨頻率和溫度而變。實際例子對于氣體，約為，固體和液體為的量級。如對于1厘米長的樣品，高斯的磁場，，此時振動面將轉(zhuǎn)動。明顯，法拉弟效應可用來設計光調(diào)制器，欲提高效率必需每單位長度的材料對光的吸取要盡量小，而偏振面旋轉(zhuǎn)的角度要盡量大，為此，人們研制了很多奇異的鐵磁材料，如ＬeCraw利用人工生長的釔鐵石榴石（YIG）磁性晶體，它的費爾德數(shù)可以達到(對波長，溫度范圍)。利用法拉第效應測磁場

實驗裝置圖

調(diào)制電壓恒定磁場起偏器起偏器線偏振光從左面進入晶體，橫向的直流磁場使YIG晶體在此方向上引起磁化飽和，而總的磁化強度矢量（由恒定磁場和線圈磁場所引起）可以變更方向，它對晶體軸的傾斜角度正比于線圈中的調(diào)制電流。因為法拉弟旋轉(zhuǎn)依靠于磁化強度的軸向重量，所以線圈電源限制了角，檢偏器依據(jù)馬呂定律把這一偏振調(diào)制轉(zhuǎn)換為振幅調(diào)制。也就是說，要傳遞的信息作為調(diào)制電壓加在線圈上，則出射的激光束以振幅變更的形式攜帶著信息。應當指出的是，應將法拉弟旋轉(zhuǎn)和旋光性旋轉(zhuǎn)加以區(qū)分，所指旋光性旋轉(zhuǎn)，是指入射線偏振光的電場振動面在旋光材料中連接地旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象的一個特點是旋轉(zhuǎn)方身與傳播方向有關(guān)，當光線正反兩次通過一個旋光性物質(zhì)時，總旋轉(zhuǎn)角度為零，而法拉弟旋轉(zhuǎn)是與光傳播方向無關(guān)的，正反兩次通過法拉弟材料后，總的旋轉(zhuǎn)角度為。法拉弟旋轉(zhuǎn)和旋光性旋轉(zhuǎn)之區(qū)分這樣，為了獲得更大的法拉弟效應，可以將放在磁場中的法拉弟材料做成平行六面體，使通光面對光線方向稍偏離垂直位置，并將兩面鍍層反射膜，只留入口和出口，這樣，若光束在其間反射次后出射，則有效旋光厚度為，則偏振面的旋轉(zhuǎn)角度將提高倍。高反射膜§6.3相位調(diào)制

一、

概述利用光相位調(diào)制來測量某些物理量的開發(fā)應用已有一百多年的歷史，不過一般以空間作為干涉光路的干涉儀體積大，環(huán)境條件要求嚴格，調(diào)整也困難，因此限制了在工業(yè)中的應用。光導纖維的出現(xiàn)為光學干涉儀開拓了廣袤的天地，因為用光纖代替自由空間作為干涉光路有兩個突出的優(yōu)點：一是削減了干涉儀安裝和校準的固有困難，可使儀器小型化，塊體化。二是可以用加長光纖的方法使干涉光路對環(huán)境參數(shù)的響應靈敏度增加。相位調(diào)制是光纖傳感器中最基本的調(diào)制技術(shù)，它的靈敏度極高，據(jù)報導，可探測光程差引起的相位變更（對于光波），這相當于一個原子核直徑的大小。相位調(diào)制常常與干涉測量機并用，構(gòu)成相位調(diào)制的干涉型光纖傳感器。光纖干涉?zhèn)鞲衅鞅徽J為是潛在開發(fā)靈敏度最高的儀表。

概

述

二、調(diào)制原理光纖中傳導的光，其相位變更取決于處界物理量產(chǎn)生的光纖波導的下面三個參數(shù)的變更。①光纖物理長度的變更（軸向應變伸長、熱膨脹引起的伸長、泊松比變更引起長度伸長）②光纖折射系數(shù)及分布的變更（溫度引起、光彈效應）③光纖橫截面幾何尺寸的變更（壓力、熱膨脹）為簡化分析，假定分析折射率沿其截面分布不變更，則光相位調(diào)制則只由光纖長度、折射率大小和橫截面尺寸產(chǎn)生。光纖中傳播光相位變更可以表示為

―軸向長度變更產(chǎn)生的相位移―折射率變更產(chǎn)生的相位移―光纖直徑變更產(chǎn)生的相位移其中

此三個因素中產(chǎn)生的相移表達式比較困難，與有關(guān)，其大小取決于光纖的結(jié)構(gòu)。

（為光纖軸向應變）外施參量與光相位的關(guān)系可由被測量產(chǎn)生的光纖參量變更來求得，下面以溫度來說明。外施溫度對光纖的熱影響是最簡潔的狀況。此時可只考慮溫度對長度和折射率變更而忽視溫度引起的直徑變更。則

對純硅材料，熱脹溫度系數(shù)，折射率溫度系數(shù)，因此每束光纖升溫一開的光相位移為三、相位調(diào)制實用技術(shù)

1、邁克爾遜干涉儀單色光徑分束器分為光強相等的兩束光：一束射向固定反射鏡，然后反射到分束器，被其透射部分，由探測器接收；另一束入射到可移動反射鏡上，然后反射回分束器，經(jīng)分束器反射的部分也傳到探測器；當光程差小于激光器的相干長度時，傳到探測器的兩束光則產(chǎn)生干涉。

邁克爾遜干涉儀示意圖激光器固定反射鏡探測器可移動反射鏡調(diào)制器兩相干光的位相差為

式中為空氣中的光傳播常數(shù)，為兩相干光的光程差?？梢?，可移動反射鏡每移動長度，光探測器的輸出就從最大值變到最小值，再變到最大值，變更一個周期。假如運用激光，它能檢測的位移大致為，即的位移。2.馬赫－澤德干涉儀示意圖固定反射鏡光源探測器可移動反射鏡傳感器與邁克爾遜干涉儀之區(qū)分1.它沒有光返回到激光器，利于激光器削減不穩(wěn)定噪聲；2.從分束器向上也可以獲得兩束光，一為參考光的反射，一為信號光的透射，若須要，可利用這兩束光獲得其次個輸出信號。固定反射鏡光源探測器可移動反射鏡傳感器3.塞格納克干涉儀

光源探測器塞格納克干涉儀的特點

這種干涉儀的特點是，激光束分為干涉和透射兩束沿相反方向傳播，最終匯合到分束器回到探測器。在這種干涉儀中，任何一塊反射鏡在垂直表面的方向上移動，兩束光的光源變更皆相等，因此不會在探測器上探測到光強之變更。但是，當將此裝置置于一個可繞垂直于光束平面軸旋轉(zhuǎn)的平臺上時，由于塞格納克效應，兩束傳播方向相反的光就會有不同的延遲。若平臺以時針方向以速度轉(zhuǎn)動，則在順時針方向傳播的光較反時針方向延遲大，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。這樣，通過檢測光器變更，可知旋轉(zhuǎn)速度，這種技術(shù)是設計導航系統(tǒng)中環(huán)形光纖陀螺的基礎。4.法布里—珀羅干涉儀光源傳感器探測器法布里一珀羅干涉儀的特點

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95％以上。激光入射干涉儀沒在兩個反鏡間做多次來回反射，透射出來的平行光束由探測器接收。它與前三種的主要區(qū)分在于前面都是雙光束干涉，此為多光束干涉，此時在探測器上視察到的干涉光路的變更為

式中為反射率為相鄰光束間的位相差可見，當確定時，干涉光強隨而變，當時，干涉光強有最大值，當時，干涉光強有最小值。透射的干涉光強最大與最小之比為?？梢?，越大，干涉光強變更愈顯著，辨別率愈高，這是此技術(shù)的最大特點，它是最靈敏的位移測量裝置。§6.4波長調(diào)制技術(shù)波長調(diào)制技術(shù)主要是利用傳感探頭的光譜特性隨外界物理量變更的性質(zhì)來實現(xiàn)的。此類傳感器多為非功能型傳感器。在波長（顏色）調(diào)制探頭中，光纖只是簡潔地作為導光用，即把入射光送往測量區(qū)，而將返回的調(diào)制光送往分析器。能夠完全吸取投射其表面的輻射的物體