第6章 偏振态调制型光纤传感器
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第6章 偏振态调制型光纤传感器
当电极上加外电场时， 有光通过检偏镜， 克尔盒呈开 启状态。 若在两极上加电压U， 则由感应双折射引起的两 偏振光波的光程差为
(6.1-9)
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第6章 偏振态调制型光纤传感器wenku.baidu.com
图6-1 克尔调制器装置图
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两光波间的相位差则为
第6章 偏振态调制型光纤传感器
(6.1-10)
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第6章 偏振态调制型光纤传感器
应用弹光效应的光纤压力传感器其受光元件上的光强由 下式表示
(6.1-5)
式中， σ是应力， σπ 对于非晶体材料， 有
(6.1-6)
式中， p是有效弹光常数， l是弹光材料的光路长度。
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第6章 偏振态调制型光纤传感器
6.1.2 Pockels
各向异性晶体中的Pockels效应是一种重要的电光效应。 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， 这称为线性电光效应， 或称 Pockels效应。
方向与光的传播方向垂直时， 由感应双折射引起的寻常光折
射率和非常光折射率与外加电场E的关系为
ne－no=λ0kE2 式中， k是克尔常数。
(6.1-8)
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第6章 偏振态调制型光纤传感器
在大多数情况下， ne－no>0(k为正值)， 即介质具有正 单轴晶体的性质。 表6-2列出了一些液体的克尔常数。
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第6章 偏振态调制型光纤传感器
克尔效应最重要的特征是感应双折射几乎与外加电场同步， 有极快的响应速度， 响应频率可达10 MHz。 因此， 它可以 制成高速的克尔调制器或克尔光闸。 图6-1是克尔调制器装置 图。 它由玻璃盒中安装的一对平板电极和电极间充满的极性 液体构成， 也称为克尔盒。 将调制器放置在正交的偏振镜之 间， 即让偏振镜的透光轴M、 N互相垂直， 并且M、 N与电 场方向分别成±45°， 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。
(6.1-13)
式中， V是物质的费尔德常数， l 是物质中的光程， H是磁 场强度。
式中： U是外加电压， l 是光在克尔组件中的光程长度， d 是两极间距离， k是克尔常数。
此时， 检偏镜的透射光强度 I 与起偏镜的入射光强度I0 之间的关系可由下式表示：
(6.1-11)
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第6章 偏振态调制型光纤传感器
式中， 半波电压Uλ/2可表示为 (6.1-12)
利用克尔效应可以构成电场、 电压传感器， 其结构类 似于图6-1。
设单轴晶体的主折射率ne对应于应力方向上振动的光的折 射率， 主折射率no对应于垂直应力方向上振动的光的折射率， 这时弹光效应与压强p的关系式可表示为
no－ne=kp
(6.1-1)
式中， k是物质常数， no－ne是双折射率， 表征双折射性的大
小，
若光波通过的材料厚度为l， 则获得的光程差为
Δ=（no－ne）l=kpl
第6章 偏振态调制型光纤传感器
第6章 偏振态调制型光纤传感器
6.1 偏振态调制型传感原理 6.2 偏振态调制光纤传感器应用实例
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第6章 偏振态调制型光纤传感器
6.1
偏振态调制型光纤传感器是有较高灵敏度的检测装置。 它比高灵敏度的相位调制光纤传感器的结构简单且调整方便。 偏振态调制型光纤传感器通常基于电光、 磁光和弹光效应， 通过敏感外界电磁场对光纤中传输的光波的偏振态的调制来检 测被测电磁场参量。 最为典型的偏振态调制效应有Pockels效 应、 Kerr效应、 Faraday效应， 以及弹光效应（原理介绍详见 第一章1.3.4节）。
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第6章 偏振态调制型光纤传感器
6.1.4 Faraday
物质在磁场的作用下使通过的平面偏振光的偏振方向发 生旋转， 这种现象称为磁致旋光效应或法拉第(Faraday)效应。
法拉第效应的典型装置如图6-2所示。 当从起偏器出来 的平面偏振光沿磁场方向(平行或反平行)通过法拉第装置时， 光矢量旋转的角度φ由下式确定:
(6.1-2)
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相应引起的相位差为
第6章 偏振态调制型光纤传感器
(6.1-3)
理论上讲， 弹光效应可用折射率椭球参量的变化与应
力或应变的关系（弹光效应方程）来描述， 即
Δbi=πijσj 或
Δpijεj
（6.1-4）
式中， πij是压光系数（或压光应力系数）， pij是Pockels系
数（或压光应变系数）。
Pockels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(或光率球体)的变 化来表示， 以主折射率表示的折射率椭球方程为
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第6章 偏振态调制型光纤传感器
(6.1-6) 式中： 对于双轴晶体， 主折射率n1≠n2≠n3； 对于单轴晶 体， 主折射率n1=n2=no， n3=ne。 no为寻常光折射率， ne 为非常光折射率。
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第6章 偏振态调制型光纤传感器
材料的弹光效应是应力或应变与折射率之间的耦合效应。 虽然弹光效应可以在一切透明介质中产生， 但实际上它最适 于在耦合效率高或弹光效应强的介质中产生。 电致伸缩系数
利用物质的弹光效应可以构成压力、 声、 振动、 位移等 光纤传感器。 例如， 利用均匀压力场引起的纯相位变化进行 调制就构成干涉型光纤压力、 位移等传感器中； 也可用各向 异性压力场引起的感应线性双折射进行调制， 这就构成了非 干涉型光纤压力、 应变传感器。
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第6章 偏振态调制型光纤传感器
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第6章 偏振态调制型光纤传感器
6.1.3 Kerr
Kerr效应也称为二次（或平方）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， 并且与单轴晶体的情况相同。 设no、 ne分别为介质 在外加电场下的寻常光折射率和非常光折射率。 当外加电场
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第6章 偏振态调制型光纤传感器
6.1.1 弹光效应
弹光效应又称光弹性效应或压光效应， 它是指当介质受 到机械应力时其折射率将发生变化的现象。 原来是光学各向 同性的介质可变成各向异性， 即折射率椭球发生变化， 故而 呈现双折射。 通俗地讲， 弹光效应就是一束入射光常分解为 两束折射光的现象。
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第6章 偏振态调制型光纤传感器
当电极上加外电场时， 有光通过检偏镜， 克尔盒呈开 启状态。 若在两极上加电压U， 则由感应双折射引起的两 偏振光波的光程差为
(6.1-9)
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图6-1 克尔调制器装置图
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两光波间的相位差则为
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(6.1-10)
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应用弹光效应的光纤压力传感器其受光元件上的光强由 下式表示
(6.1-5)
式中， σ是应力， σπ 对于非晶体材料， 有
(6.1-6)
式中， p是有效弹光常数， l是弹光材料的光路长度。
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6.1.2 Pockels
各向异性晶体中的Pockels效应是一种重要的电光效应。 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， 这称为线性电光效应， 或称 Pockels效应。
方向与光的传播方向垂直时， 由感应双折射引起的寻常光折
射率和非常光折射率与外加电场E的关系为
ne－no=λ0kE2 式中， k是克尔常数。
(6.1-8)
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在大多数情况下， ne－no>0(k为正值)， 即介质具有正 单轴晶体的性质。 表6-2列出了一些液体的克尔常数。
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第6章 偏振态调制型光纤传感器
克尔效应最重要的特征是感应双折射几乎与外加电场同步， 有极快的响应速度， 响应频率可达10 MHz。 因此， 它可以 制成高速的克尔调制器或克尔光闸。 图6-1是克尔调制器装置 图。 它由玻璃盒中安装的一对平板电极和电极间充满的极性 液体构成， 也称为克尔盒。 将调制器放置在正交的偏振镜之 间， 即让偏振镜的透光轴M、 N互相垂直， 并且M、 N与电 场方向分别成±45°， 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。
(6.1-13)
式中， V是物质的费尔德常数， l 是物质中的光程， H是磁 场强度。
式中： U是外加电压， l 是光在克尔组件中的光程长度， d 是两极间距离， k是克尔常数。
此时， 检偏镜的透射光强度 I 与起偏镜的入射光强度I0 之间的关系可由下式表示：
(6.1-11)
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第6章 偏振态调制型光纤传感器
式中， 半波电压Uλ/2可表示为 (6.1-12)
利用克尔效应可以构成电场、 电压传感器， 其结构类 似于图6-1。
设单轴晶体的主折射率ne对应于应力方向上振动的光的折 射率， 主折射率no对应于垂直应力方向上振动的光的折射率， 这时弹光效应与压强p的关系式可表示为
no－ne=kp
(6.1-1)
式中， k是物质常数， no－ne是双折射率， 表征双折射性的大
小，
若光波通过的材料厚度为l， 则获得的光程差为
Δ=（no－ne）l=kpl
第6章 偏振态调制型光纤传感器
第6章 偏振态调制型光纤传感器
6.1 偏振态调制型传感原理 6.2 偏振态调制光纤传感器应用实例
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第6章 偏振态调制型光纤传感器
6.1
偏振态调制型光纤传感器是有较高灵敏度的检测装置。 它比高灵敏度的相位调制光纤传感器的结构简单且调整方便。 偏振态调制型光纤传感器通常基于电光、 磁光和弹光效应， 通过敏感外界电磁场对光纤中传输的光波的偏振态的调制来检 测被测电磁场参量。 最为典型的偏振态调制效应有Pockels效 应、 Kerr效应、 Faraday效应， 以及弹光效应（原理介绍详见 第一章1.3.4节）。
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第6章 偏振态调制型光纤传感器
6.1.4 Faraday
物质在磁场的作用下使通过的平面偏振光的偏振方向发 生旋转， 这种现象称为磁致旋光效应或法拉第(Faraday)效应。
法拉第效应的典型装置如图6-2所示。 当从起偏器出来 的平面偏振光沿磁场方向(平行或反平行)通过法拉第装置时， 光矢量旋转的角度φ由下式确定:
(6.1-2)
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相应引起的相位差为
第6章 偏振态调制型光纤传感器
(6.1-3)
理论上讲， 弹光效应可用折射率椭球参量的变化与应
力或应变的关系（弹光效应方程）来描述， 即
Δbi=πijσj 或
Δpijεj
（6.1-4）
式中， πij是压光系数（或压光应力系数）， pij是Pockels系
数（或压光应变系数）。
Pockels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(或光率球体)的变 化来表示， 以主折射率表示的折射率椭球方程为
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(6.1-6) 式中： 对于双轴晶体， 主折射率n1≠n2≠n3； 对于单轴晶 体， 主折射率n1=n2=no， n3=ne。 no为寻常光折射率， ne 为非常光折射率。
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第6章 偏振态调制型光纤传感器
材料的弹光效应是应力或应变与折射率之间的耦合效应。 虽然弹光效应可以在一切透明介质中产生， 但实际上它最适 于在耦合效率高或弹光效应强的介质中产生。 电致伸缩系数
利用物质的弹光效应可以构成压力、 声、 振动、 位移等 光纤传感器。 例如， 利用均匀压力场引起的纯相位变化进行 调制就构成干涉型光纤压力、 位移等传感器中； 也可用各向 异性压力场引起的感应线性双折射进行调制， 这就构成了非 干涉型光纤压力、 应变传感器。
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第6章 偏振态调制型光纤传感器
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6.1.3 Kerr
Kerr效应也称为二次（或平方）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， 并且与单轴晶体的情况相同。 设no、 ne分别为介质 在外加电场下的寻常光折射率和非常光折射率。 当外加电场
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第6章 偏振态调制型光纤传感器
6.1.1 弹光效应
弹光效应又称光弹性效应或压光效应， 它是指当介质受 到机械应力时其折射率将发生变化的现象。 原来是光学各向 同性的介质可变成各向异性， 即折射率椭球发生变化， 故而 呈现双折射。 通俗地讲， 弹光效应就是一束入射光常分解为 两束折射光的现象。
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第6章 偏振态调制型光纤传感器