光電檢測技術第一章

光電檢測技術第一章第一頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日1.1光和光的傳播特性光的波粒二象性：

波動性：光的干涉、光的衍射粒子性：光的發(fā)射、吸收，光電效應等平面波

平面波單色平面波光偏振態(tài)

橢圓偏振光線偏振光圓偏振光第二頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日光的基本性質牛頓——微粒說根據(jù)光直線傳播現(xiàn)象，對反射和折射做了解釋不能解釋較為復雜的光現(xiàn)象：干涉、衍射和偏振波動理論惠更斯、楊氏和費涅耳等解釋光的干涉和衍射現(xiàn)象麥克斯韋電磁理論：光是一種電磁波第三頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日光的基本性質光量子說1900年普朗克在研究黑體輻射時，提出輻射的量子論1905年，愛因斯坦在解釋光電發(fā)射現(xiàn)象時提出光量子的概念光子的能量與光的頻率成正比光具有波粒二象性第四頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日光在光纖介質中的傳播光纖全反射原理光纖的結構光纖的應用第五頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日光纖的結構

第六頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日光在光纖中的全反射

第七頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日光纜的外形及光纖的拉制

第八頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日光纖的類型階躍型：光纖纖芯的折射率分布各點均勻一致，稱為多模光纖。第九頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日梯度型：

梯度型光纖的的折射率呈聚焦型，即在軸線上折射率最大，離開軸線則逐步降低，至纖芯區(qū)的邊沿時，降低到與包層區(qū)一樣。

第十頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日單孔型光纖單孔型光纖的纖芯直徑較?。〝?shù)微米）接近于被傳輸光波的波長，光以電磁場“?！钡脑碓诶w芯中傳導，能量損失很小，適宜于遠距離傳輸。

第十一頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日斯乃爾定理

當光由光密物質出射至光疏物質時，發(fā)生折射（a）折射角大于入射角：（b）臨界狀態(tài)：（c）全反射：第十二頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日光纖導光

第十三頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日n0為入射光線AB所在空間的折射率，一般皆為空氣，故n0≈1第十四頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日當θr=90°的臨界狀態(tài)時，Sinθi定義為“數(shù)值孔徑”NA（NumericalAperture）相對折射率差arcsinNA是一個臨界角，θi>arcsinNA，光線進入光纖后都不能傳播而在包層消失；θi<arcsinNA，光線才可以進入光纖被全反射傳播。第十五頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日光導纖維的主要參數(shù)1.數(shù)值孔徑（NA）2.光纖模式3.傳播損耗第十六頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日1.數(shù)值孔徑（NA）反映纖芯接收光量的多少，標志光纖接收性能。意義：無論光源發(fā)射功率有多大，只有2θi張角之內的光功率能被光纖接受傳播。 大的數(shù)值孔徑：有利于耦合效率的提高。 但數(shù)值孔徑太大，光信號畸變也越嚴重。第十七頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日2.

光纖模式光波沿光導纖維傳播的途徑和方式 在光導纖維中傳播模式很多對信息的傳輸是不利的，導致合成信號的畸變，因此我們希望模式數(shù)量越少越好。階躍型的圓筒波導內傳播的模式數(shù)量表示為

希望V小：d不能太大，n2與n1之差很小第十八頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日3.

傳播損耗損耗原因：光纖纖芯材料的吸收、散射，光纖彎曲處的輻射損耗等的影響

傳播損耗（單位為dB）式中,l——光纖長度；

a——單位長度的衰減；

I0——光導纖維輸入端光強；

I——光導纖維輸出端光強。第十九頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日光纖液位傳感器

第二十頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日1.2光強度調制光調制指的是使光信號的一個或幾個特征參量按被傳送信息的特征變化，以實現(xiàn)信息檢測傳送目的的方法。

光調制可分為強度調制、相位調制、偏振調制、頻率和波長調制。下面將分別介紹各種調制的原理和方法。

一、光強度調制

光強度調制是以光的強度作為調制對象，利用外界因素使待測的直流或緩慢變化的光信號轉換成以某一較快頻率變化的光信號，這樣，就可采用交流選頻放大器放大，然后把待測的量連續(xù)測量出來。

第二十一頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日光強調制的基本方法輻射式如自動門、輻射式溫度計反射式測距、表面檢測遮擋式位置透射式成份分析第二十二頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日1.輻射式調制原理利用測量與被測物理量對應的輻射（功率，光譜分布等）。例如：被測物的溫度與其輻射量的對應關系。被測物的溫度、成分與其光譜分布的關系。物體的位置或有無。第二十三頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日應用實例自動門①檢測元件原理光電檢測元件熱釋電元件不感受不變的輻射②原理報火警、偵查、跟蹤、武器制導、地形地貌普查分析、光譜分析及太陽能利用等。

第二十四頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日斯忒潘根據(jù)實驗得出結論，物體的總的輻射出射度與溫度的四次方成正比。全輻射測溫第二十五頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日2.反射式

激光測距、激光制導、主動式夜視儀、電視攝像、文字判讀㈠調制原理被測參數(shù)引起入射光的反射來調制達到探測器的光強。

——

反射光強是被測參數(shù)的函數(shù)。對象對入射光的反射位置檢測對象的有無（鏡面反射）對象表面狀態(tài)（漫反射）被測參數(shù)對入射光的影響㈡對入射光的光強的要求⒈定性的方法對光強的精度要求較低。⒉定量的方法對光強的精度要求較嚴格。應注意①入射光強的穩(wěn)定（電源的穩(wěn)定）②測量方法第二十六頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日例：檢測產品外觀質量設光電探測器的輸出信號為：第二十七頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日3.遮擋式

㈠調制原理被測物體部分地或全部地遮擋或掃過入射到光電探測器的光束，引起光電探測器輸出信號的變化。

利用定性的方法是否到位有無？已知物體的運動速度，測量長度（運動中）元件運動中的計數(shù)光電開關定量：遮擋面積在光纖傳感器中，光纖的耦合效率

第二十八頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日設被測物體的寬度為b，物體遮擋光的位移量為，則物體遮擋入射光到光電探測器上的光的增量A為：第二十九頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日㈡應用實例⒈光電測微計⒉光電投影尺寸檢測儀

3.光電計數(shù)

4.光電測速

5.光電自動開關

6.防盜報警被測物體全部掃過入射光束，光電探測器的光通量會發(fā)生有無兩種狀態(tài)的變化，輸出電信號的脈沖形式第三十頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日4.

透射式㈠調制原理朗伯-比爾定律

α——介質的吸收系數(shù)d第三十一頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日應用實例檢測液體或氣體的濃度檢測透明薄膜的厚度和質量檢測透明容器的缺陷測量膠片的密度第三十二頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日

利用外界因素改變光波的相位，通過檢測相位變化來測量物理量的原理稱為光相位調制。光波的相位由光傳播的物理長度、傳播介質的折射率及其分布等參數(shù)決定，也就是說改變上述參量即可產生光波相位的變化，實現(xiàn)相位調制。但是，目前市場上的各類光探測器都是不能感知光波相位的變化，必須采用光的干涉技術將相位變化轉變?yōu)楣鈴娮兓?，才能實現(xiàn)對外界物理量的檢測，因此，光相位調制應包括兩部分，一是產生光波相位變化的物理機理；二是光的干涉。

1.3光相位調制第三十三頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日圖1.2.3-6干涉調制原理1、利用干涉現(xiàn)象實現(xiàn)光相位調制

利用干涉現(xiàn)象調制的關鍵是對光程差或相位差進行調制。圖1.2.3-6所示是利用邁克爾遜干涉儀附加壓電晶體來完成光調制的原理圖。第三十四頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日2.光的衍射改變光的相位惠更斯-菲涅爾定理菲涅爾半波帶法夫瑯和費衍射和菲涅爾衍射第三十五頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日1.4光偏振調制原理：利用外界因素（應力、磁場、電場等）可以改變特定光學媒質的傳光特性，調制從中通過的光的偏振態(tài)（E矢量的方向等）。由偏振態(tài)的變化就可以測出相應的外界因素。應用：應力分布、物質成分分析、電場、磁場、電流測試與控制等方面。第三十六頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日起偏器，檢偏器，盛有液體旋光物質的管子.

偏振光通過某些物質后，其振動面將以光的傳播方向為軸線轉過一定的角度.

旋光現(xiàn)象旋光物質能產生旋光現(xiàn)象的物質.（如石英晶體、糖溶液、酒石酸溶液等）旋光儀觀察偏振光振動面旋轉的儀器.（一）旋光現(xiàn)象第三十七頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日

旋光現(xiàn)象1、物質的旋光性：1811年實驗物理學家阿喇果發(fā)現(xiàn)，線偏振光通過某些透明物質時，其偏振面將旋轉一定的角度。d偏振片2偏振化方向

單色自然光偏振片1偏振化方向光軸方向P2P’2石英晶片(不產生雙折射)（原消光）（現(xiàn)消光）第三十八頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日對于旋光性物質的溶液設為偏振光通過旋光物質后振動面所轉過的角度為旋光物質的濃度為旋光物質的透光長度為一與旋光物質有關的常量對于固體旋光物質為一與旋光物質及入射光的波長有關的有關的常量（一定）第三十九頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日2、旋光物質的分類1）右旋物質面對著光源觀察，使光振動面的旋轉為順時針的旋光物質.（如葡萄糖溶液）2）左旋物質面對著光源觀察，使光振動面的旋轉為逆時針的旋光物質.（如蔗糖溶液）第四十頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日

(二）法拉第效應（磁光效應）某些物質在磁場作用下，線偏振光通過時其振動面會發(fā)生旋轉，這種現(xiàn)象稱為法拉第效應。光的電矢量E旋轉角θ與光在物質中通過的距離L和磁場強度H成正比，即

利用法拉第效應可以測量磁場。其測量原理如右圖所示。式中V—物質的弗爾德常數(shù)。第四十一頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日法拉弟發(fā)現(xiàn)，許多物質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（在光的傳播方向上加上強磁場時）法拉弟效應（磁致旋光效應）Ｈd第四十二頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日振動面旋轉的角度由經驗公式給出：

式中為靜磁通量，為光所穿越的媒質長度，是比例因子，稱費爾德常數(shù)，一種特定媒質的費爾德常數(shù)隨頻率和溫度而變。第四十三頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日實際例子對于氣體，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，，此時振動面將轉動。第四十四頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日顯然，法拉弟效應可用來設計光調制器，欲提高效率必須每單位長度的材料對光的吸收要盡量小，而偏振面旋轉的角度要盡量大，為此，人們研制了許多奇特的鐵磁材料，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)。第四十五頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日利用法拉第效應測磁場

實驗裝置圖

調制電壓恒定磁場起偏器起偏器第四十六頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日

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）可以改變方向，它對晶體軸的傾斜角度正比于線圈中的調制電流。因為法拉弟旋轉依賴于磁化強度的軸向分量，所以線圈電源控制了角，檢偏器按照馬呂定律把這一偏振調制轉換為振幅調制。也就是說，要傳遞的信息作為調制電壓加在線圈上，則出射的激光束以振幅變化的形式攜帶著信息。第四十七頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日應當指出的是，應將法拉弟旋轉和旋光性旋轉加以區(qū)別，所指旋光性旋轉，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的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象的一個特點是旋轉方身與傳播方向有關，當光線正反兩次通過一個旋光性物質時，總旋轉角度為零，而法拉弟旋轉是與光傳播方向無關的，正反兩次通過法拉弟材料后，總的旋轉角度為。法拉弟旋轉和旋光性旋轉之區(qū)別第四十八頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日高反射膜這樣，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，則偏振面的旋轉角度將提高倍。第四十九頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日

（三）光彈效應在垂直于光波傳播方向上施加應力，被施加應力的材料將會使光產生雙折射現(xiàn)象，其折射率的變化與應力有關，這種現(xiàn)象稱為光彈效應。由光彈效應產生的偏振光的相位變化為：式中：K—物質光彈性常數(shù)；

P—施加在物體上的壓強；L—光波通過材料的長度。此時出射光強為：

利用物質的光彈效應可以構成壓力、振動、位移等光纖傳感器。

第五十頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日※關于雙折射現(xiàn)象的說明一束光在各向同性介質（如玻璃）的表面所產生的折射光只有一束，這是一般的常識。然而，對于光學性質隨方向而異的一些晶體（各向異性介質），一束入射光常有被分解為兩束的現(xiàn)象，這就是雙折射現(xiàn)象。請注意，這種現(xiàn)象不是因為不同頻率的光在介質中的折射率不同而產生的，而是由于各向異性介質的折射率對不同入射角的光不是常數(shù)而產生的。通過各向異性介質折射的光，若對于任意的入射角，其入射角o光和e光示意圖角的不同而變化時，這種光稱為非尋常光，簡稱為e光。o光和e光都是線偏振光，但是，光矢量（電矢量）等振動方向不同。o光的電矢量垂直于自己的主平面，而e光的電矢量則在自己的主平面內振動，如上圖所示。在光彈效應和普克爾效應中所說的相位變化，實際上是指這兩種光的相位差。的正弦與折射角的正弦值比為一常數(shù)（即通常所說的折射率）時，這種光稱為尋常光，簡稱為o光；若其入射角的正弦與折射角的正弦值比隨入射第五十一頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日

（四）電光效應1.普克爾效應（一次電光效應）當壓電晶體受光照射，并在與光照正交的方向上加以高壓電場時，晶體將呈現(xiàn)雙折射現(xiàn)象，這種現(xiàn)象被稱為Pockels效應，如下圖所示。并且，這種雙折射正比于所加電場的一次方，所以普克爾效應又稱為線性電光效應。在晶體中，兩正交的偏振光的相位變化為式中：n0—正常折射率；de—電光系數(shù)；U

—加在晶體片上的電壓；λ—光波長；L

—晶體長度；d

—場方向晶體厚度。第五十二頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日?克爾效應某些各向同性的透明介質（如非晶體和液體），在外電場的作用下，顯示出雙折射現(xiàn)象，稱為克爾效應。當外電場撤消時，這種性質立即消失，因此，也稱為電致雙折射現(xiàn)象。光軸沿電場強度的方向??+-cc'兩光通過厚度為的液體時，光程差為：第五十三頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日若入射光的線偏振方向與外電場方向成450角，且M與N偏振方向相互垂直，調節(jié)電壓使其發(fā)生相長干涉，則有：

若去掉盒內電場，則沒有光從N透出。整個系統(tǒng)起“光開關”的作用。

通過控制外加電壓，可調節(jié)輸出的光脈沖的長短和頻率，把電訊號轉變成光訊號。由于光電效應幾乎沒有慣性，電訊號的控制速度可達10-9m/s。“光開關”,“光調制器”“光斷續(xù)器”有極快的速度啟閉光路或調制光強，目前廣泛應用于高速攝影、電影、電視和激光通訊等許多領域。

在電場、磁場中，材料光學性質的研究，在實際應用中有著廣闊的前景。第五十四頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日

利用外界因素改變光的頻率或光的波長，通過檢測光的頻率或光的波長的變化來測量外界的物理量的原理，稱為光的頻率和波長調制。

1、頻率調制

光的頻率調制，主要是指光學多普勒頻移。光學中的多普勒現(xiàn)象是指由于觀測者和運動目標的相對運動，使觀測者接收到的光波頻率產生變化的現(xiàn)象。實際中大多數(shù)考慮移動物體所散射光的頻移，這種情況可當作一個雙重多普勒頻移來考慮，即先從光源到移動的物體，然后由物體到觀測者。

設光源和觀測者都相對靜止，物體以V速度移動（見圖1.2.3-16），1.5光頻率和波長調制第五十五頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日QSPBβθ2ναθ1圖1.2.3-16多普勒頻移頻率調制第五十六頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日從光源S發(fā)出頻率為ν的光被物體P散射，P所觀測到的頻率為

（1）該頻率的光又被P重新發(fā)射出來，在Q處接收到的頻率為

（2）將式（1）代入式（2）并考慮實際物體速度V要比光速c小得多，可近似地求雙重多普勒頻移表達式

（3）令則式（3）可整理得第五十七頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日多普勒頻移可采用光混頻技術來測量，即將兩束頻率不同的光混頻，獲取差頻信號的光學零差和外差技術。設一束散射光與另一束參考光的頻率分別為、

，它們到達光電探測器表面的電場強度分別為式中E01、E02為兩束光在光電探測器表面處的振幅；φ1、φ2為兩束光的初相。若兩束光為相干光，在光電探測器表面產生混頻，其合成的總電場強度為檢測器輸出的光信號I(t)正比于總電場的平方第五十八頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日式中B是常數(shù)。對上式作三角變換，略去光學頻率項，因為在檢測器輸出中不能觀察到此頻率，所以檢測器輸出光信號為式中第一項是直流分量，可用電容隔去；第二項是交流分量，其中交流頻率正是多普勒頻移△ν。激光多普勒測速技術就是根據(jù)光頻調制和光混頻技術發(fā)展起來的，它是研究流體流動的有效手段，它的主要特點是空間分辨率和光束不干擾流動，并具有跟蹤快速變化的能力。第五十九頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日波長調制一一般原理二熱色物質顏色變化的波長調制三磷光光譜變化的波長調制四黑體輻射的波長調制五濾波器參數(shù)變化的波長調制第六十頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期日圖1.2.3-1