第七讲 偏振调制机理与检测技术

调制机理
普克耳效应使晶体的双折射性质发生改变， 这种变化理论上可由描述晶体双折射性质 的折射率椭球的变化来表示。
x12 n12

x22 n22

x32 n32
1
晶体的两端加一个电场。外加电场平行于 通光方向，这种运用称为纵向运用，或称 为纵向调制。对于KDP类晶体，晶体折射 率n的变化与电场E的关系由下式给定：
第七讲 偏振调制机理与检测技术
光纤偏振调制技术可用于温度、压力、 振动、机械形变、电流和电场等检测
主要应用是监测强电流
偏振调制中常用的物理效应
一．普克耳效应 二．克尔效应 三．法拉第效应 四．光弹效应
一．普克耳效应
当强电场施加于光正在穿行的各向异性晶 体时，所引起的感生双折射正比于所加电 场的一次方，称为线性电光效应，或普克 耳效应。
n n03 63 E
63 是KDP晶体的纵向运用的电光系数
两正交的平面偏振光穿过厚度为l的晶体后， 光程差为： L n l n03 63 E l n03 63U
式中，U El是加在晶体上的纵向电压。
当折射率变化所引起的相位变化为 时，则
射引起的两偏振光波的光程差为


(ne

n0
)l

k

0
(U d
)2
l
两光波间的相位差则为
2kl(U )2
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检偏镜的透射光强度I与入射光光强I0之间的关 系可由下式表示。
I

I0
sin 2[
2
U ( U/2
)2 ]
U 2 d 2kl
特征: 感应双折射几乎与外加电场同步,有较快 的响应速度,响应频率可达1010Hz。可以制成 高速的克尔调制器或克尔光闸.
圆偏振光，经1/4波片2获得一光学偏置，最后经检
偏器3输出，这样就由相位的变化转换成强度的变化。
输出的光强为
I

I0
sin
2

(
2


) 4
纵向运用时 2n03 41U / 0
横向运用时
n03 cU • l 0 d
二．克尔效应
克尔效应也称为平方电光效应，它发生在 一切物质中。当外加电场作用在各向同性 的透明物质上时，各向同性物质的光学性 质发生变化，变成具有双折射现象的各向 异性特性，并且与单轴晶体的情况相同。
外加电场与光传播方向垂直时,感应双折射同 电场关系
ne no 0kE2
利用克尔效应可以构成电场、电压传感器
光克尔效应调制 原理
如图，通光方向与电场方向垂直。当电极上不加外 电场时，没有光通过检偏镜，克尔盒呈关闭状态。
当电极加上外电场时，有光通过检偏镜，克尔盒 开启状态。若在两极上加电压U，则由感应双折
称此电压为半波电压 U 2 ，并有
U 2 0 2n03 63
图2-5-1是利用普克耳 效应的光纤电压传感 器示意图。
普克耳效应的光纤电压传感器工作原理
传感器工作过程是，从激光器射出的光由起偏器11
变为平面偏振光，再入射到调制器械电光晶体1上。
由于电光效应的作用，从电光晶体射出的光变为椭
三．法拉第效应
V
l 0
H
d l
可做成电流传感器
四．光弹效应
在力学形变时材料会变成各向异性。 压缩时材料具有负单轴晶体的性质，伸长
时材料具有正单轴晶体的性质。 物质的等效光轴在应力的方向，感生双折
射的大小正比于应力。 这种应力感生的双折射现象称为光弹效应。
n0 ne kp
小结
强度调制：检测接收到的光强变化获得被 测信号；
相位调制：两束相干光存在相位差在光电 探测器中发生干涉并转换成强度变化实现 对待测量的测量；
波长和频率调制，调制机理类似，侧重点 不同；
偏振调制：结构简单、灵敏度高、应用范 围广；稳定性差，技术有待提高。