光纤传感中的光学原理及效应.doc

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1、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121.3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12雷达测速仪　　检查机动车速度

2、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

3、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

4、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

5、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。（6-3）在上式中，aE12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等。1.8弹光效应由机械应力

6、引起的材料折射率变化的现象称为弹光效应（Elasto-OpticalEffect）。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

7、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

8、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