新型傳感器第四章

新型傳感器第四章第1頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期六一、概述一定規(guī)格的玻璃纖維可以作為光波導(dǎo)體而用于通信

1966年美籍華裔科學(xué)家高焜博士第一個(gè)提出：第2頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期六第3頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期六第4頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期六第5頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期六◆光纖結(jié)構(gòu)：主體是二氧化硅，摻雜的作用是提高材料的光折射率。纖芯直徑約5～75m。一般用純二氧化硅，也有的摻雜是降低材料的光折射率，總直徑在100～200m上下。保護(hù)光纖不受外來(lái)的損害，增加光纖的機(jī)械強(qiáng)度。纖芯包層涂敷層尼龍外層纖芯包層涂敷層和外層第6頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期六◆傳光原理（一）Sinφ1/sinφ2=n2/n1n2n1φ1＜φcφ1＝φcφ1＞φcφ2sinφc=n2/n1全反射第7頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期六傳光原理（二）θ0φ1θ1dn2n1n0第8頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期六二、光纖的種類(lèi)單模光纖1、按材料性質(zhì)：玻璃光纖耐溫度較高,導(dǎo)光效率佳塑料光纖損耗小，體積小，廣泛應(yīng)用于短距離傳輸，醫(yī)療器械，光纖傳感，汽車(chē)，光纖照明等領(lǐng)域2、按折射率分布：階躍折射率光纖梯度折射率光纖3、按光纖的傳輸模式：多模光纖第9頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期六三、什么是光纖傳感技術(shù)？是現(xiàn)代通信的產(chǎn)物，是隨著光纖及通信技術(shù)的發(fā)展而逐步發(fā)展起來(lái)的一門(mén)嶄新技術(shù)。由于光纖不僅可以作為光波的傳輸媒質(zhì)，而且光波在光纖中的傳播時(shí)表征光波的特征參量（振幅、相位、偏振態(tài)、波長(zhǎng)等）因外界因素（如溫度、壓力、磁場(chǎng)、電場(chǎng)、位移等）的作用而間接或直接地發(fā)生變化，從而可將光纖用作傳感器元件來(lái)探測(cè)各種待測(cè)量（物理量、化學(xué)量和生物量），這就是光纖傳感器的基本原理。光纖傳感技術(shù)------利用光纖研制光纖傳感器始于1977年第10頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期六光纖傳感器的特點(diǎn)7、綜合性?xún)r(jià)比高。6、便于復(fù)用，便于成網(wǎng)。5、對(duì)被測(cè)介質(zhì)影響小，可用于航空航天的復(fù)合材料中。4、測(cè)量對(duì)象廣泛。3、重量輕、體積小、可撓曲。2、靈敏度高。1、抗電磁干擾、電絕緣、耐腐蝕、本質(zhì)安全。第11頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期六第一節(jié)光纖傳感器原理一、傳感原理及分類(lèi)傳光型光纖傳感器：非功能型光纖傳感器——NoneFunctionFilter—NFF（非本征型）

原理：利用其它敏感元件測(cè)得特征量，由光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

調(diào)制器入射光纖出射光纖光敏器件信號(hào)特點(diǎn)：是充分利用現(xiàn)有的傳感器，便于推廣應(yīng)用。第12頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

原理：指利用外界因素改變光纖中光的特征參量，從而對(duì)外界因素進(jìn)行計(jì)量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，傳感型光纖傳感器（功能型光纖傳感器——FunctionFilter—FF）（本征型）入射光纖信號(hào)出射光纖光敏器件特點(diǎn)：傳感合一，信息的獲取和傳輸都在光纖之中。第13頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期六這兩類(lèi)光纖傳感器都可再分成光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)和波長(zhǎng)等幾種調(diào)制形式.小結(jié)：光纖傳感器的基本組成：光源、入射光纖、出射光纖、調(diào)制器、光電探測(cè)器第14頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期六二、傳感器的調(diào)制技術(shù)沿某一方向傳播的光波可以用平面波的波動(dòng)方程表示：E=Asin(kx-t+)

其中，空間頻率k=2/。

光具有以下基本特性參量：初始相位：初始相位反映了光波的光程。幅值A(chǔ)：振幅A決定了光的強(qiáng)度，光強(qiáng)度的極大值就是A2。振動(dòng)方向：振幅A是一個(gè)矢量，有偏振方向。頻率：為光的角頻率，外部特征表現(xiàn)為顏色。波長(zhǎng)：同樣的光波，在不同折射率的介質(zhì)中光的波長(zhǎng)是不相等的。原理：第15頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期六定義：利用外界物理量改變光纖中光的強(qiáng)度，通過(guò)測(cè)量光強(qiáng)變化來(lái)測(cè)量外界物理量變化。通常入射光纖不動(dòng)，出射光纖平移或轉(zhuǎn)動(dòng)；光纖間距大約2～3m，端面為平面；1、透射式強(qiáng)度調(diào)制（一）、強(qiáng)度調(diào)制橫向轉(zhuǎn)動(dòng)縱向差動(dòng)SSDDDDDSS第16頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期六為了得到高的靈敏度和好的線(xiàn)性度，偏置點(diǎn)應(yīng)當(dāng)選擇在A點(diǎn)。設(shè)輸入、輸出光纖均為同一種單模光纖，則：徑向位移x與功率耦合系數(shù)T之間近似高斯型曲線(xiàn)的關(guān)系：T=exp(x2/s20)式中，s0為光纖中的光斑尺寸位移測(cè)量范圍在10m以?xún)?nèi)。第17頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期六２、開(kāi)關(guān)式強(qiáng)度調(diào)制入射和出射光纖相對(duì)位置固定不動(dòng)，外界物體運(yùn)動(dòng)使光強(qiáng)發(fā)生變化，外界物體如薄膜或管式壓力計(jì)、熱膨脹元件、液位等。入射光：被透鏡準(zhǔn)直成半徑為r平行光束；出射光強(qiáng)變化與擋板位移δ的關(guān)系：與（δ/r）成比例。

DrPδ彈性薄膜第18頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期六假設(shè)光柵距5m、柵寬5m；輸出光強(qiáng)隨位移發(fā)生周期性變化。減柵寬可提高靈敏度，但降低了測(cè)量范圍。結(jié)構(gòu)：光柵有兩個(gè)：一個(gè)固定，一個(gè)隨被測(cè)量而移動(dòng)；原理：當(dāng)光柵運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩光柵的投射光強(qiáng)發(fā)生變化。SDrPδ彈性薄膜第19頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期六3、反射式強(qiáng)度調(diào)制可測(cè)量距離、對(duì)象表面反射率、角度等為提高光強(qiáng)的耦合效率，可采用大數(shù)值孔徑光纖非接觸、探頭小、頻響高、線(xiàn)性度好等，其測(cè)量范圍在100m以?xún)?nèi)。特點(diǎn)：第20頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期六4、折射率調(diào)制法可以做成溫度傳感器。油改變纖芯表面折射率；可以測(cè)量液體的溫度、折射率、液面等。液體折射率nt隨溫度變化；纖芯折射率n1不變；測(cè)量水中的含油量。第21頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期六定義：利用外界物理量改變光的偏振特性，通過(guò)檢測(cè)光的偏振態(tài)的變化來(lái)檢測(cè)物理量。1、法拉第效應(yīng)(二)、偏振態(tài)調(diào)制法通入電流，產(chǎn)生磁場(chǎng)，光矢量的方向旋轉(zhuǎn)了一個(gè)角度，P2有光出射。式中，I為導(dǎo)線(xiàn)中通過(guò)的電流。利用=VdLB，可計(jì)算出磁感應(yīng)強(qiáng)度B。P1+-旋光物質(zhì)P2P1、P2偏振片S光源這種結(jié)構(gòu)可以制成電流傳感器。又：第22頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期六起偏器：對(duì)于一束自然光，其光矢量的振動(dòng)方向是360的，為了獲得只有一個(gè)振動(dòng)方向的光（偏振光），就需要借助于起偏器。起偏器一般是用具有二相色性的介質(zhì)制作而成的，這種介質(zhì)只讓某一個(gè)振動(dòng)方向的光矢量透過(guò)，這個(gè)方向叫做“透光軸”，而垂直與透光軸方向的光矢量或光矢量的分量被吸收。第23頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期六克爾盒1）光矢量沿著電場(chǎng)方向，為O光矢量，折射率為no

；２、克爾電光效應(yīng)2）光矢量與電場(chǎng)垂直，為E光矢量，折射率為ne

；線(xiàn)偏振光沿著與電場(chǎng)垂直的方向通過(guò)克爾盒時(shí)，分解為兩束線(xiàn)偏振光：+-S起偏器檢偏器第24頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期六２、克爾電光效應(yīng)（續(xù)1）設(shè)O光和E光折射率為no、ne，折射率變化n與電場(chǎng)之間的關(guān)系為：K為克爾常數(shù)、E為電場(chǎng)強(qiáng)度、為真空中光波長(zhǎng)?？藸柡?-S起偏器檢偏器-----此為克爾電光效應(yīng)兩束線(xiàn)偏振光通過(guò)克爾盒后產(chǎn)生的光程差△為：U為外加電壓、L為光在克爾盒中的空間長(zhǎng)度、d為電極間距其中其中應(yīng)用第25頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期六利用克爾效應(yīng)可以構(gòu)成光纖電壓傳感器。對(duì)應(yīng)的相位差為：若檢偏器與起偏器正交，而且與電場(chǎng)方向成45，則出射光波的光強(qiáng)為：I=I0sin2(△φ/2)=I0sin2〔πkL(U/d)2〕２、克爾電光效應(yīng)（續(xù)2）克爾盒+-S起偏器檢偏器第26頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期六3、光壓效應(yīng)光壓效應(yīng)又稱(chēng)作應(yīng)力雙折射。壓力或張力MN方向的折射率和其它方向不同。設(shè)MN方向上的折射率為ne、垂直MN方向的折射率為no。折射率的變化與外加壓強(qiáng)P的關(guān)系：K為物質(zhì)的壓強(qiáng)光學(xué)系數(shù)。MN壓力光源起偏器補(bǔ)償片檢偏器none其中-----此為光壓效應(yīng)第27頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

相應(yīng)的出射光強(qiáng)I

為3、光壓效應(yīng)（續(xù)1）可以構(gòu)成壓力、聲、振動(dòng)、位移等光纖傳感器。若光波通過(guò)的物質(zhì)厚度為l，則產(chǎn)生的光程差等于：由此引起的相位差為：MN壓力光源起偏器補(bǔ)償片檢偏器none應(yīng)用第28頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期六(三)、相位調(diào)制法定義：外界物理量改變光纖中光波的相位，通過(guò)檢測(cè)相位變化來(lái)測(cè)量物理量的原理。借助于光纖干涉儀可以將相位變化轉(zhuǎn)變?yōu)楣鈴?qiáng)變化，從而最終轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。光纖中光波的相位由光纖的物理長(zhǎng)度、折射率及其分布、橫向幾何尺寸決定，壓力、張力、溫度等能直接改變上述參數(shù)，產(chǎn)生相位變化，實(shí)現(xiàn)光纖的相位調(diào)制。第29頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期六1、應(yīng)力應(yīng)變效應(yīng)受縱向應(yīng)力作用，纖芯的長(zhǎng)度、直徑、折射率都將變化，導(dǎo)致光纖中光波相位變化。通過(guò)L長(zhǎng)的光纖后，出射光波的相位延遲為：為光纖中光波的傳播系數(shù)。纖芯半徑為r的光纖長(zhǎng)度L或傳播系數(shù)變化時(shí)，引起光波相位變化：

1為光纖長(zhǎng)度變化引起的相位延遲(應(yīng)變效應(yīng)或縱向應(yīng)變)；

2為折射率變化(光彈效應(yīng))引起的相位延遲；與1、2、3有關(guān)。3為光纖芯的直徑變化(泊松效應(yīng)或橫向應(yīng)變)引起的相位延遲。

其中：第30頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期六相對(duì)于1、2而言，3要小得多，可以忽略不計(jì)，因此有：其中：式中，k0=2/；P12、P12為光纖的光彈系數(shù)，第一項(xiàng)為徑向應(yīng)變的相位調(diào)制項(xiàng)、第二項(xiàng)為橫向應(yīng)變的相位調(diào)制項(xiàng)、第三項(xiàng)為光彈效應(yīng)的相位調(diào)制項(xiàng)。第31頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2、溫度應(yīng)變效應(yīng)式中，應(yīng)變1、3與光纖材料性質(zhì)有關(guān)。在光纖中光是沿橫向偏振的，可以?xún)H考慮徑向折射率變化，則：若用溫度變化T和相位變化（光纖的溫度靈敏度）來(lái)描述，則有：由F引起光纖中光波相位延遲為：將溫度變化等效為作用力F對(duì)光纖的應(yīng)變作用，那么，作用力F將同時(shí)影響光纖折射率n和長(zhǎng)度L的變化。第32頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期六需用保偏光纖才能獲得好的干涉效果，具有很高的相位調(diào)制靈敏度。探頭形式靈活多樣，適用于不同的測(cè)試環(huán)境；相位調(diào)制法具有一下特點(diǎn)：vvv保偏光纖vvv偏振保持光纖傳輸線(xiàn)偏振光，廣泛用于航天、航空、航海、工業(yè)制造技術(shù)及通信等國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。在以光學(xué)相干檢測(cè)為基礎(chǔ)的干涉型光纖傳感器中，使用保偏光纖能夠保證線(xiàn)偏振光偏振方向不變，提高相干信噪比，以實(shí)現(xiàn)對(duì)物理量的高精度測(cè)量。第33頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期六領(lǐng)結(jié)型保偏光纖橢圓型保偏光纖保偏光纖第34頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期六(四)、頻率調(diào)制法通過(guò)測(cè)量多普勒頻移量=s-0實(shí)現(xiàn)流體速度的測(cè)量由于余弦函數(shù)為偶函數(shù)，對(duì)于的正負(fù)不易斷定，因此零差測(cè)量法只能測(cè)量運(yùn)動(dòng)大小，不能測(cè)量物體運(yùn)動(dòng)方向。1、零差法干涉光的光強(qiáng)I(t)為：利用頻譜分析儀測(cè)量光敏器件電信號(hào)，即可測(cè)出頻移。第35頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期六通過(guò)調(diào)節(jié)聲光調(diào)制器的調(diào)制頻率1，就可以檢測(cè)出測(cè)量光的多普勒光頻移量s的大小與頻移方向。2、外差法干涉光的光強(qiáng)I(t)為：式中，=s-1為兩束光干涉而形成的光強(qiáng)變化的拍頻。當(dāng)=s-1=0時(shí)，s=1。第36頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期六第二節(jié)常見(jiàn)光纖傳感器一、偏振式光纖溫度傳感器第37頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期六光線(xiàn)透過(guò)1/4波片之前，光矢量與其快軸的夾角為（β-）。光線(xiàn)穿過(guò)波片后再被反射鏡反射回來(lái)，往返兩次通過(guò)1/4波片后，光矢量以1/4波片的快軸對(duì)稱(chēng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)（β-）角。光線(xiàn)第一次穿過(guò)石英晶體，被石英晶體左旋，即順時(shí)針旋轉(zhuǎn)了角。迎著光的入射方向觀察，y軸是平行于紙面的方向，F(xiàn)為1/4波片的快軸方向，它與y軸夾角為β。設(shè)石英晶體為左旋晶體。第38頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期六光線(xiàn)第二次經(jīng)過(guò)石英晶體，再次被左旋角。注意光線(xiàn)的方向。測(cè)溫范圍18～180℃，分辨率為2℃。 當(dāng)2(β-)=45時(shí)，輸出光強(qiáng)與之間的線(xiàn)性度最好。當(dāng)測(cè)溫的范圍確定后，可以通過(guò)調(diào)整1/4波片快軸來(lái)滿(mǎn)足要求。設(shè)透過(guò)棱鏡的偏振光強(qiáng)度為I0，返回的光矢量被旋轉(zhuǎn)了α角，按照馬呂斯定律，返回光線(xiàn)透過(guò)偏振棱鏡后的光強(qiáng)度I與原來(lái)的光強(qiáng)I0之間的關(guān)系為：I=I0cos[2(β-)]+2(β-)-=2(β-)光線(xiàn)兩次通過(guò)石英晶體后，光矢量總的轉(zhuǎn)角為：第39頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2、反射式光纖位移傳感器當(dāng)b(d+2a)/2tg(sin-1N)時(shí)，即輸出光纖位于光錐之內(nèi)，兩光纖的耦合最強(qiáng)，接收光強(qiáng)達(dá)到最大值。1、基本原理被測(cè)表面2adb探測(cè)器光源輸出光纖接收光強(qiáng)等效于輸入光纖像發(fā)出的光強(qiáng)，有：bb2ad由于=sin-1N，所以：當(dāng)b＜[d／2tg(sin-1N)]時(shí)，輸出光纖位于光纖像的光錐之外，兩光纖的耦合為零，無(wú)反射光進(jìn)入輸出光纖；最大檢測(cè)范圍bmax為a/tg(sin-1N)。第40頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期六由于輸出光纖芯徑很小，常常把光錐邊緣與輸出光纖芯交界弧線(xiàn)看成直線(xiàn)。 2、耦合效率投影光斑與輸出光纖端面有一交疊面，交疊面積的大小決定了輸出光纖接收到的光強(qiáng)大小。假定反射面無(wú)光吸收，兩光纖的光功率耦合效率為：式中，弧矢高度=2btg(sin-1N)-d。交疊面積與光纖端面積之比M為：第41頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期六3、標(biāo)準(zhǔn)光纖結(jié)構(gòu)影響光纖位移傳感器的測(cè)量范圍和靈敏度的主要因素是輸入光纖和輸出光纖端部的光纖分布形態(tài)。標(biāo)準(zhǔn)的光纖位移傳感器由600根直徑φ0.762ｍｍ的光導(dǎo)纖維組成，纖芯是折射率為1.62的火石玻璃，包層為折射率為1.52的玻璃。光纖采用Ｙ型結(jié)構(gòu)。光纖分布形態(tài)一般有四種第42頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期六三、光纖加速度傳感器1、干涉型光纖加速度傳感器質(zhì)量上，質(zhì)量塊m遠(yuǎn)大于順變體mc，結(jié)構(gòu)上可簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)單的二階質(zhì)量—彈簧系統(tǒng)。以加速度a運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量塊對(duì)順變體施加一個(gè)軸向力F，并且：在力F的作用下，順變柱體產(chǎn)生軸向應(yīng)變?chǔ)舏：式中，E為順變柱體材料的彈性模量，d為順變柱體的直徑。順變柱體的徑向應(yīng)變?chǔ)艦椋浩渲?，μ為順變柱體材料的泊松比。引起光纖長(zhǎng)度變化δl/l（=ε）。設(shè)光纖匝數(shù)為N，則：光纖長(zhǎng)度的變化可用干涉儀測(cè)量，光束的位相變化為：Δφ=βl[1-0.5n(1-μf)p12-μfp11]

式中，n為纖芯的折射率；p11，p12為光彈系數(shù)；μf為纖芯的泊宋比；β=2nπ/λ。若定義加速度傳感器的靈敏度為Δφ/a，則：第43頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2、強(qiáng)度型光纖加速度傳感器質(zhì)量塊受力F作用時(shí)，板簧的變形可表示為：

式中：E為板彈簧材料的楊氏模量；J為板彈簧的慣性矩；L為板彈簧長(zhǎng)度。對(duì)δ(x)關(guān)于x微分，得質(zhì)量塊傾角θ(x)：當(dāng)x=L時(shí)

質(zhì)量塊所受作用力由加速度引起，根據(jù)牛頓第二定律：式中，K為板彈簧的彈性系數(shù)。第44頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期六由于反射鏡的傾斜，光斑偏向某一個(gè)輸出光纖。當(dāng)全部光線(xiàn)只照射在某一個(gè)光纖上時(shí)，反射鏡的偏轉(zhuǎn)角為最大值θmax。由最大傾斜角可以確定本傳感器所能測(cè)量的最大加速度：系統(tǒng)的固有頻率ωr為：式中，W為寬度、H為厚度。一般設(shè)計(jì)要求，質(zhì)量塊承受最大加速度amax時(shí)，反射光偏轉(zhuǎn)θmax，并全部落在一個(gè)輸出光纖上。若光纖的直徑為d，則這時(shí)光斑相對(duì)于a=0時(shí)的移動(dòng)距離為d/2。設(shè)自聚焦透鏡長(zhǎng)度為z，透鏡材料的折射率n0。假定反射鏡與透鏡之間只有最小氣隙，則：加速度傳感器可測(cè)量的最大加速度實(shí)際為：這種結(jié)構(gòu)的加速度傳感器靈敏度高，動(dòng)態(tài)范圍大，而且不易受沖擊振動(dòng)和電源波動(dòng)的影響，最小可可測(cè)加速度值小于10-5m/s2，而且整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小。第45頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期六法拉第效應(yīng)定義：當(dāng)偏振光通過(guò)某種透明介質(zhì)時(shí)，偏振光的偏振態(tài)將以光的傳播方向?yàn)檩S線(xiàn)旋轉(zhuǎn)一定的角度，這種現(xiàn)象稱(chēng)為旋光現(xiàn)象。例如石英玻璃。在磁場(chǎng)作用下的旋光效應(yīng)稱(chēng)作法拉第效應(yīng)或磁致旋光效應(yīng)。例如稀土玻璃。特性：當(dāng)線(xiàn)偏振光通過(guò)處于磁場(chǎng)下的透明介質(zhì)時(shí)，光線(xiàn)的偏振面（光矢量振動(dòng)方向）的偏轉(zhuǎn)角θ與磁場(chǎng)強(qiáng)度B以及介質(zhì)的長(zhǎng)度L為：θ=KBL 式中，K為維爾德（Verdet）常數(shù)，數(shù)值與光波波長(zhǎng)及溫度有關(guān)。例如：已知稀土玻璃的維爾德常數(shù)是0.13~0.27’/Gs.cm。0.1T(103Gs)磁場(chǎng)下長(zhǎng)10cm的稀土玻璃棒可使偏振光的光矢量偏轉(zhuǎn)22~45°。第46頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期六當(dāng)一束單色光入射到各向異性介質(zhì)表面時(shí)，一般產(chǎn)生兩束折射光，這種現(xiàn)象稱(chēng)為雙折射。兩束光中，一束光遵守折射定律，稱(chēng)為尋常光，或O光。另一束光不遵守折射定律，稱(chēng)為非常光，或E光。O光和E光都是線(xiàn)偏振光，O光、E光的折射率分別表示為no，nE，

產(chǎn)生雙折射有兩種途徑，一是利用具有雙折射特性的天然材料如石英晶體、方解石晶體等；另一種方法是人為產(chǎn)生。光的雙折射第47頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期六光纖干涉儀馬赫-澤德光纖干涉儀激光器發(fā)出的相干光通過(guò)蝕刻或搭接的3dB耦合器分成兩個(gè)相等的光束，一束為信號(hào)臂，另一束為參考臂。外界信號(hào)S(t)作用于信號(hào)臂。第二個(gè)3dB耦合器把兩束光再耦合，再分成兩束經(jīng)光纖傳送到光探測(cè)器。兩個(gè)光探測(cè)器接收到的光強(qiáng)分別為： I1=0.5I0(1+coss) I2=0.5I0(1-coss)式中，I0為激光源發(fā)出的光強(qiáng)a；為耦合系數(shù)；s為外界信號(hào)S(t)引起的相位移。可見(jiàn)，馬赫-澤德干涉儀將信號(hào)S(t)引起的相位移變換為光強(qiáng)的變化。經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)男盘?hào)處理系統(tǒng)能將信號(hào)S(t)從光強(qiáng)中解調(diào)檢測(cè)出來(lái)。邁克爾遜干涉儀光束被3dB耦合器分成兩路入射到光纖，光從末端反射回來(lái)并經(jīng)耦合器輸出到探測(cè)器。如果外界信號(hào)S(t)作用于信號(hào)臂，則在兩臂之間產(chǎn)生光程差，并通過(guò)測(cè)量干涉光強(qiáng)的大小知道光程差大小，從而確定S(t)。邁克爾遜干涉儀兩臂的光程彼此獨(dú)立，因而可分別對(duì)兩臂的光采用相位和偏振態(tài)的補(bǔ)償方法。第48頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期六應(yīng)變長(zhǎng)度為l的彈性材料，受外力作用引起幾何形變l，定義材料應(yīng)變=l/l。材料沿受力方向發(fā)生的應(yīng)變稱(chēng)作縱向應(yīng)變，可用x表示。垂直于受力方向發(fā)生的應(yīng)變稱(chēng)作橫向應(yīng)變，可用y表示，并且y=·x。光纖受外力作用產(chǎn)生的應(yīng)變分縱向應(yīng)變3與橫向應(yīng)變1、2。對(duì)于各向同性光纖材料，1=2。折射率變化(光彈效應(yīng))引起的相位延遲，與光纖的橫向應(yīng)變1、2、3有關(guān)。應(yīng)變光纖的應(yīng)變第49頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期六當(dāng)光接收元件與光源之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，光敏器件所接收到的光頻率fs與光源本身的光頻率f不相同，這種現(xiàn)象成作光的“多普勒效應(yīng)”。設(shè)光敏器件相對(duì)于光源的運(yùn)動(dòng)速度為v，則光敏器件所接收到的光頻率fs可以簡(jiǎn)單地表示為：

fs=f/(1-v/c)

(1+v/c)f 式中：c為光速。光的多普勒頻移第50頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期六偏振分光棱鏡把入射光線(xiàn)的光矢量分解為平行于入射面的分量（P分量）和垂直于入射面的分量（S分量）兩個(gè)部分。一般情況下，經(jīng)光學(xué)界面折射和反射的光線(xiàn)中，既包含S分量又包含P分量。所包含的兩個(gè)分量的光強(qiáng)比例可以由菲涅耳公式推導(dǎo)。按照菲涅耳公式推導(dǎo)，存在這樣一個(gè)十分獨(dú)特的入射角B，當(dāng)光線(xiàn)沿著這個(gè)角度入射時(shí)，入射光線(xiàn)將被分解為兩個(gè)純粹的偏振光，這個(gè)角度稱(chēng)作布儒斯特（Brewster）角。并且：) 線(xiàn)偏振光入射至偏振分光棱鏡，如果入射光的光矢量與紙面平行，則只有透射光而無(wú)反射光；如果入射光的光矢量與紙面垂直，則只有反射光而無(wú)透射光。如果入射光的光矢量既不平行也不垂直于紙面，則反射與透射光都有，各自的光強(qiáng)大小AAA取決于入射光的光矢量在垂直和平行于紙面方向的分量。B=tg-1(n2/n1第51頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期六石英晶體波長(zhǎng)為λ的光