光纤传感中的光学原理及效应

第1章：光纤传感中的光学原理及效应

1.1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。

1.2光学折射原理

1.3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：

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：

1.4光学多普勒效应

θ

cos 11f f 02

20

0c

u

c u -=

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

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。 1.5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。

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。

1.6磁光效应

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。

1.7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。

+++=20bE aE n n （6-3）

在上式中，

a E 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；bE 2

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等。

1.8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。

1.9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。

第2章：光纤传感原理及应用技术

2.1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。 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：

()[]s s s s t j E t e ϕω+=ex p

()[]L L L L t j E t e ϕω+=ex p

总光场为：[][]L L L s s s t j E t j E E ϕωϕω+++=ex p ex p 总光强为：

()()[]()()[]()()[]

()[]

ϕωωϕωϕωϕωϕωϕωϕω∆+-++=+++*+++=+++=*

t I I I I t j E t j E t j E t j E t j E t j E I S L L S L S L L L s s s L L L s s s L L L s s s cos 2exp exp exp exp exp exp 2

其中，S L ϕϕϕ-=∆