光纤传感中的光学原理及效应

n nL 2 n nL
c
所以，
d d
L c
n
利用声光衍射效应制成的器件，称为声光器件。声光器件能快速有效地控制激光束的强 度、方向和频率，还可把电信号实时转换 为光信号。此外，声光衍射还是探测材料声学性 质的主要手段。
主要用途有：制作声光调制器件，制作声光偏转器件，声光调 Q 开关，可调谐滤光器， 在光信号处理和集成光通讯方面的应用。
磁光效应
一般 α=×10-7K-1；ξ=×10-6K-1，如果光纤光栅的 Bragg 波长为 l550nm，计算光纤
光栅的温度灵敏度 光纤光栅的温度灵敏度为℃，一般取℃ 。
B 0.78 B
光纤光栅的应变灵敏度为 下面分析用 MZI 作光纤光栅传感解调的灵敏度。
固
定
反
I 2I S 1 cos
射 镜
cosh2 (
k2
ˆ
2
L)
ˆ 2 k2
在ˆ 0 时，有最大反射功率，此时
Rmax tanh2 (kL)
对应的波长值为：
max
1
mneff neff
B
B 2neff 是设计的布拉格波长。 主瓣两零点之间的波长间隔为： 0 B 2 neff L N
光纤光栅传感原理
B 2neff
Lambert-Beer 定律是吸收光度法的基本定律，表示物质对某一单色光吸收的强弱与吸光物 质浓度和厚度间的关系。 当气体浓度、光程均很小的时候，可以近似为：
光学多普勒效应
f
f0
1 u02 c2
1 u0 cos
c
雷达测速仪 检查机动车速度的雷达测速仪也是利用这种多普勒效应。交通警向行进中
的车辆发射频率已知的电磁波，通常是红外线，同时测量反射波的频率，根据
其中， L S
根据相干条件，L S ，则有
I IS I L 2 IS I L cos
如果不 I S I L
I 2I S 1 cos
LD
光探测器
马赫 曾德（Mach Zehnder）光纤干涉仪
LD
固
定
反
光纤干涉仪与普通的光学干涉仪相比，优点在于：射
（1）容易准直；
镜
（2）可以通过增加光纤长度来增加光程，以提高干涉仪的灵敏度；
尽管如此，均匀光纤光栅对了解非均匀光纤光栅的特性仍然是有很大的帮助。 对于均匀光栅， neff (z) 与 z 无关，是常数，因此，由耦合模方程和边界条
件 a ( L 2) 1， a (L 2) 0 ，可求得反射系数， L 是光纤光栅的长度。
反射效率
R sinh 2 ( k 2 ˆ 2 L)
具有固有磁矩的物质在外磁场的作用下，电磁特性发生变化，因而使得光波在其内部传 输特性也发生变化的现象。 A、法拉第效应：当线偏振光沿磁场方向通过置于磁场中的磁光介质时，其偏振面发生旋转 的现象，对于给定的介质，偏振面旋转角度=介质长度×磁场强度×维厄德系数 B、磁光克尔效应：指一束线偏振光在磁化了的介质表面反射时，反射光将是椭圆偏振光， 而且以椭圆的长轴为标志的“偏振面”相对于入射偏振光的偏振面旋转了一定的角度。 分类： ①极化克尔效应，即磁化强度 M 与介质表面垂直时的克尔效应，应用于磁光存储技术中 ②横向克尔效应：M 既平行于介质表面，但垂直于光的入射面 ③纵向克尔效应：M 既平行于介质表面，又平行于光的入射面 C、磁致线双折射效应：某些由各向异性分子组成的介质，在不加磁场时表现为各向同性， 加上足够强的外磁场时，分子磁矩受到了力的作用，各分子对外磁场有了一定的取向，使介 质宏观上呈现各向异性，当光以不同于磁场方向通过这样的介质时，就会出现双折射现象。
tCW
2r rtCW
c n
1
1 n2
r
t CCW
2r rtCCW
c n
1
1 n2
r
由上两式得到
tCW
2 r c r
n n2
t CCW
2 r c r
n n2
所以顺时针和逆时针的时间差为
t tCW
tCCW
2 r c2
2r r 22
n2
由于 c 2 r 22 ，所以 t 4r 2
光纤光栅的分类 光纤光栅主要可以从光纤光栅的周期、相位和写入方法等几个方面对光纤光栅进行分 类。 1．按光纤光栅的周期分类通常把周期小于 1 μm 的光纤光栅称为短周期光纤光栅，而 把周期为几十至几百微米的光纤光栅称为长周期光纤光栅。前者的反射谱和后者的透射谱分 别为如 5-1（a）和 5-1（b）所示。 2. 按波导结构
设光纤光栅反射带宽
，则相干长度等于 12cm.
非平衡 MZI 最大的缺点是因为两个臂长度不相等，所以两个臂受到外部环境因素的影响不
相同，从而导致性能不稳定。
慢光效应对 M-Z 干涉仪的影响
输入 1
3dB 耦合器
2
慢光介质 L
3dB
耦合器
3
4 输出
设信号从端口 1 输入，从端口 4 输出。则两个臂的位相差为：
n2
c2
位相差为：
4r 2 8S
c2
c
对于 N 匝光纤，则相位差为
8NS c
第三部分：光纤光栅传感技术
自从加拿大通信研究中心的 Hill 等人在 1978 年首次利用驻波法在掺锗光纤中研制出世 界上第一支永久性的实现反向模式间耦合的光纤光栅——光纤布喇格光栅以来，对其研究与 应用得到了很大的发展。
Ld
，
此时 I 2I S 1.99965803
7727299
，所以 dI 4I S
1.70981136
3502789e
- 04 。因为信号能
量 提 高 了 2 倍 ， 这 样 信 噪 比 提 高 3dB ， 因 此 有 最 小 探 测 强 度 变 化 为 ：
dI 1 7.07106781 1865475e - 04 。能检测否 4I S SNR
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条纹曝光氢载光纤写 入光纤布喇格光栅的相位掩模法，使得光纤光栅真正走向实用化和产品化。
1998 年，美国东哈特福德联合技术研究中心的 Meltz 等人提出了用两束相干的紫外光 形成的干涉条纹侧面曝光氢载光纤写入光纤布喇格光栅的横向全息成栅技术，相对于内部写 入法，该方法又称为外侧写入法。
反射波频率变化的多少就能知道车辆的速度．装有多普勒测速仪的警车有时就 停在公路旁，在测速的同时把车辆牌号拍摄下来，并把测得的速度自动打印在 照片上。 声光效应
超声波通过介质时会造成介质的局部压缩和伸长而产生弹性应变，该应变随时间和空间 作周期性变化，使介质出现疏密相间的现象，如同一个相位光栅 。当光通过这一受到超声 波扰动的介质时就会发生衍射现象，这种现象称之为声光效应。
B
2n
1
n2 2
P12
P11
P12
a
dn
dT n
T
2n
1
n2 2
P12
P11
P12
a
T
1 热膨胀系数 T
neff 热光系数 T
Bragg 波长的变化与温度之间的变化有良好的线性关系，光栅的温度灵敏度为
KT B / T ( ) B
第 2 章：光纤传感原理及应用技术
相位调制型光纤传感器技术 相位调制型光纤传感器的基本传感机理是：通过被测能量场的作用，使光纤内传播的光 波相位发生变化，再利用干涉测量技术把相位变化转换为光强变化，从而检测出待测的物理 量。光纤中光波的相位，一方面由光纤的物理长度、折射率及其分布、波导横向几何尺寸所 决定。一般来说，应力、应变、温度等外界物理量能直接改变上述三个波导参数，从而产生 相位变化，实现光波的相位调制。另一方面也可以由 Sagnac 效应产生。 光相干条件 两列光波叠加在一起能产生干涉现象，但并非任意两列光波相遇都能产生干涉现象。 必要条件：频率相同的两光波在相遇点有相同的振动方向和固定的相位差。 补充条件：A-两光波在相遇点所产生的振动的振幅相差不悬殊。
（3）封闭式的光路，不受外界干扰； （4）测量的动态范围大。 萨格纳克（Sagnac）光纤干涉仪
光在运动介质中的速度
v
c n
1
1 n2
V
上式中， V 是介质运动速度。
LD
S(t)
若光从 A 点进入，分成 CW 和 CCW 两路光信号，当光纤环静止时，CW 和 CCW 信号同时到 达 A 点，当光纤环按图中方向转动时，两路光信号在 B 点相遇。此时
电光效应
电光效应：指某些晶体的折射率因外加电场而发生变化的一种效应，当光波通过此介质 时，其传输特性就受到影响而改变。
n n0 aE bE 2
（6-3）
在上式中， aE 是一次项，由该项引起的折射率变化，称为线性电光效应或泡克耳斯（Pockels）效
应；bE2 是二次项，由该项引起的折射率变化，称为二次电光效应或克尔（Kerr）效应。 对于大多数晶体，一次电光效应要比二次效应显著，可略去二次项。 但是在具有对称中心的晶体中，不存在一次电光产效应。 电光效应已被广泛用来实现对光波的控制，并做成光调制器、光偏转器和电光滤波器件
dI 2I S sin d
d
2 2
Ld
dI
2I S
sin
2 2
Ld
当
2
时，最灵敏。此时， I
2I S
。
dI
2I S
2 2
Ld
dI 2 Ld 2I S 2
设系统的信噪比为 60dB，则最小可探测器强度变化为 dI 1 0.001 2I S SNR
设 L 1mm ， 1550nm ， d 10 pm （ 对 应 裸 光 栅 温度 测 量 精 度 1 度），
等。
弹光效应
由机械应力引起的材料折射率变化的现象称为弹光效应（Elasto-Optical Effect）。由 于沿应力方向发生折射率变化，原来同性材料也可变成各向异性，即折射率椭球发生变化， 而呈现双折射。因此，对弹光物质通光和施加应力时，由于应力和与应力垂直的方向上产生 位相差，故可以利用这种效应制作位移、振动和压力等光学传感器。
neff
neff
z
（a）均匀光纤光栅 neff
z
（c）高斯变迹光纤光栅 neff
z
（b）啁啾光纤光栅 neff
z
（d）升余弦变迹光纤光栅 neff
z
（e）相移光纤光栅 光纤布拉格光栅的反射谱。
折射率分布为：
z
（f）超结构光纤光栅
neff
(z)
neff
m
v
c os 2
z (z)
耦合模方程
da (z) dz
dI 2.61526963 8784427e - 02 ， 可 以 检 测 到 。 若 温 度 测 量 精 度 提 高 到 度 ， 则 2I S
dI 2.61526963 8784427e - 03 ，仍然可以检测。 2I S
如果
0 ，则 I
4I S
，当 d
10 pm 时，d
2 2
Ld
，
0
2 2
光声效应
激光光束照射到固体表面或气体和液体中，会与被照射物质相互作用产生一定强度和频 率的声波，这就是光声效应。光声效应作为固体物质表面检测和物质成分含量分析的有效手 段，已经广泛应用于物理、化学、医学、海洋、环境和材料等研究领域，有着广阔的发展前 景。同样，光声效应也可以应用于气体和液体的成分含量的检测。
iˆa (z)
ika (z)
da
(
z
)
dz
iˆa
(z)
ik *a
(z)
其中，ˆ
1 2
d dz
，
B
2neff
1
1 B
为失调参数。
k, 分别为互耦合和自耦合系数，对于单模式布拉格光栅光纤，有
2mneff (z) ， k k* mvneff (z) 。
利用耦合模方程，可求得布拉格光栅的反射谱，进而求得其它特性，但不幸 的是，只有均匀光栅可求得精确解，对于非均匀光纤光栅，因为耦合模系数与 z 有关，不再是常量，得不到精确解，而只能采用一些数学方法来近似求数值解，
第 1 章：光纤传感中的光学原理及效应 光学反射原理 分为镜面反射和漫反射
镜面反射和漫反射情况
基于反射原理的光纤传感器结构简单、工作可靠、成本低廉。主要应用于位移测量，振动 测量，压力测量，浓度测量和液位测量。
光学折射原理
光学吸收原理
选择吸收：介质对某些波长的光的吸收特别显著 郎伯比尔(Lambert-Beer)定律：
B-两束光波在相遇点的光程差不能太大。 四种常见的光纤干涉仪 到达探测器的两束光的光场分别为：
es t Es exp jst s
eL t ELΒιβλιοθήκη Baiduexp jLt L
总光场为： E Es exp jst s EL exp jLt L
总光强为：
I Es exp jst s EL exp jLt L 2 Es exp jst s EL exp jLt L Es exp jst s EL exp jLt L I S I L 2 I S I L cosL S t