1、第6章偏振态调制型光纤传感器1 1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偏振态调制光纤传感器应用实例第6章偏振态调制型光纤传感器2 26.1 偏振态调制型传感原理偏振态调制型传感原理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
2、第一章1.3.4节）。 第6章偏振态调制型光纤传感器3 36.1.1 弹光效应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。第6章偏振态调制型光纤传感器4 4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none=kp (6.1-1)式中， k是物质常数， none是双折射率， 表征双折射性的大小，
3、此处也表征弹光效应的强弱。若光波通过的材料厚度为l， 则获得的光程差为=（none）l=kpl (6.1-2)第6章偏振态调制型光纤传感器5 5相应引起的相位差为(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bi=ijj或pijj（6.1-4）式中， ij是压光系数（或压光应力系数）， pij是Pockels系数（或压光应变系数）。第6章偏振态调制型光纤传感器6 6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。 电致伸缩系数较大的透明介质
4、应具有较大的弹光效应。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。 第6章偏振态调制型光纤传感器7 7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式中， 是应力， 是半波压力对于非晶体材料， 有(6.1-5)(6.1-6)式中， p是有效弹光常数， l是弹光材料的光路长度。第6章偏振态调制型光纤传感器8 86.1.2 Pockels效应效应各向异性晶体中的Pockels效应是一种
5、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。 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第6章偏振态调制型光纤传感器9 9(6.1-6)式中： 对于双轴晶体， 主折射率n1n2n3； 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。 第6章偏振态调制型光纤传感器10 10第6章偏振态调制型光纤传感器11 116.1.3 Ker
6、r效应效应 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 neno=0kE2(6.1-8)式中， k是克尔常数。 第6章偏振态调制型光纤传感器12 12在大多数情况下， neno0(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。 第6章偏振
7、态调制型光纤传感器13 13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。 第6章偏振态调制型光纤传感器14 14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，
8、 则由感应双折射引起的两偏振光波的光程差为(6.1-9)第6章偏振态调制型光纤传感器15 15图6-1 克尔调制器装置图第6章偏振态调制型光纤传感器16 16两光波间的相位差则为(6.1-10)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)第6章偏振态调制型光纤传感器17 17式中， 半波电压U/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。第6章偏振态调制型光纤传感器18 186.1.4 Faraday效应
9、效应 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， 光矢量旋转的角度由下式确定: 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。(6.1-13)第6章偏振态调制型光纤传感器19 19图6-2 法拉第效应实验装置第6章偏振态调制型光纤传感器2020在法拉第效应中， 偏振面的旋转方向与外加磁场的方向有关， 即费尔德常数V有正负之分。 一般约定， 正的费尔德常数是指光的传播方向平行于所加H场方向， 法
10、拉第效应是左旋的， 平行于H场反方向时是右旋的。 立方晶体或各向同性材料的法拉第效应可以解释为： 由于磁化强度取决于沿磁场方向传播的右旋圆偏振光和左旋圆偏振光的折射率差， 故平面偏振光可以表示成左旋、 右旋圆偏振光之和。第6章偏振态调制型光纤传感器21 21法拉第效应导致平面偏振光的偏振面旋转。 这种磁致偏振面的旋转方向仅由外磁场方向决定， 而与光线的传播方向无关。 这是法拉第旋转和旋光性旋转间的一个最重要的区别。 对于旋光性的旋转， 光线正反两次通过旋光性材料后总的旋转角度等于零， 因此， 旋光性是一种互易的光学过程。 而法拉第旋转是非互易的光学过程， 即平面偏振光第一次通过法拉第材料旋转角
11、度， 而沿相反方向返回时将再次旋转相同的角度， 使总的旋转量为2。第6章偏振态调制型光纤传感器2222这样， 为了获得大的法拉第效应， 可以将放在磁场中的法拉第材料做成平行六面体， 使通光面对光线方向稍偏离垂直位置， 并将两面镀高反射膜， 只留入射和出射窗口。 若光束在其间反射N次后出射， 那么有效旋光厚度为Nl， 偏振面的旋转角度就提高N倍。 法拉第效应是偏振调制器的基础， 利用法拉第效应可制作光纤电流传感器。 第6章偏振态调制型光纤传感器2323 6.2 偏振态调制光纤传感器应用实例偏振态调制光纤传感器应用实例6.2.1 光纤电流传感器光纤电流传感器 光纤测电流的基本原理是利用光纤材料的F
12、araday效应(熔石英的磁光效应)， 即处于磁场中的光纤会使在光纤中传播的偏振光发生偏振面的旋转， 其旋转角度与磁场强度H、 磁场中光纤的长度L成正比， 即 =VHL (6.2-1)式中， V是菲耳德(Verket)常数。 第6章偏振态调制型光纤传感器2424当I=0时， 出射光的振动方向沿y轴方向， 检偏器的方位为； 当I0时， 法拉第旋转角为， 如图6-3所示， 则探测器输出信号强度为（6.2-3）为获得对变化的最大灵敏度， 令第6章偏振态调制型光纤传感器2525解得=45。 它表明检偏器的方向应与 I =0时线偏振光的振动方向成45夹角， 所以式（6.2-3）可写成(6.2-4)再进行
13、小角度近似， 即sin(2)2， 因此， 上式中， 与待测电流I成正比， 所以式（6.2-4）由两部分组成： 第一项为直流项E20/2， 第二项为交流项(1/2)E20sin(2)， 利用除法器把交流成分同直流成分相除， 得第6章偏振态调制型光纤传感器2626(6.2-5)便能得到的大小。 此结果与激光功率E20无关， 可以消除激光功率起伏和耦合效率的起伏。 此法只使用了一个光电接收器， 故称为单路法。 第6章偏振态调制型光纤传感器2727另一种检测法是双路检测方法。 与单路检测法的差别是， 其检偏器为渥拉斯棱镜(Wollaston Prism)， 先用它把从光纤输出的偏振光分成振动方向相互垂
14、直、 传播方向成一定夹角的两路光， 再实现以下运算： (6.2-6)式中， J1、 J2分别为两偏振光的强度。 这种方法的优点是： 光能利用率高， 抗干扰能力强， 交、 直流两用(交、 直流磁场或电流均可测量)。第6章偏振态调制型光纤传感器2828具体的原理实验装置如图6-4所示。 从激光器1发出的激光束经起偏器2耦合进单模光纤3； 6是高压载流导线， 通过其中的电流为I； 4是绕在导线上的光纤， 在这一段光纤上产生磁光效应， 使通过光纤5的偏振光产生角度为的偏振面的旋转； 出射光经棱镜7把光束分成振动方向相互垂直的两束偏振光， 经探测器8再分别送进信号处理单元9进行运算； 最后由计算机输出的
15、将是函数P， 即式中， J1、 J2分别为两偏振光的强度。 (6.2-7)第6章偏振态调制型光纤传感器2929图6-4 光纤电流传感器原理图第6章偏振态调制型光纤传感器30306.2.2 BSO晶体光纤电场传感器晶体光纤电场传感器 一种采用电光晶体作为传感器探头， 置于高压系统中进行电场测量的传感装置， 如图6-5所示。 将一束偏振光经光纤传送到晶体前的1/4波片， 变成圆偏振光进入晶体； 光束多次反复地通过晶体后再由光纤传送回来， 进入光接收系统。 晶体探头由于高压电场的作用， 其双折射特性将发生变化， 从而使通过晶体的光束场受到调制， 经过检偏器后转换为输出光强的变化量， 由光接收系统检测
16、出被测高压电场的信息。 第6章偏振态调制型光纤传感器31 31图6-5 电光晶体高压传感装置第6章偏振态调制型光纤传感器3232探头材料采用Bi12SiO20(BSO)晶体。 BSO同时具有电光Pockels效应和磁光Faraday效应， 且其温度系数较小， 故适宜制作电压电流传感器。 电光BSO晶体以及光纤组合的检测装置正在实用化， 其工作原理如图6-6所示。第6章偏振态调制型光纤传感器3333图6-6 BSO晶体光纤电压/流传感器第6章偏振态调制型光纤传感器3434它由BSO晶体和检偏器、 光学偏置器、 电光变换器和光电变换器以及双芯光缆等组成。 为了提高测量灵敏度， 晶体探头可以做成多重
17、通道结构。 如果在传感器部分外加电场就会得到与电场电压成正比的光强度信号。 系统的归一化输出光强可由下式表示(6.2-8)式中， E是被测高压电场， l 是晶体在外加电场E方向的厚度。 第6章偏振态调制型光纤传感器3535当检偏器的透光轴相对于BSO晶体成(/4l/2)的方位放置时， 则电压为式中， U是 l=0的极限条件下BSO晶体的半波电压， 是单位长度的旋光度。 式（6.2-9）表示， 光通过BSD晶体2N次， 就可使半波电压减少为通过一次时的1/(2N)， 这相当于把晶体厚度增加了2N倍。(6.2-9)第6章偏振态调制型光纤传感器3636晶体探头可制成一个Pockels盒， 厚度为3 mm， 2N=6， 光源采用发光二极管， 波长=830 nm， 功率为0.3 mW。 把晶体传感探头置于两平行平板电极之间， 就可以对外加电场进行测量。 图6-7给出了一个实测的曲线。 可以看出， 外加电场E与输出电压信号U之间具有较好的线性度。 用上述传感器既可以测量架空输电线下的空间电场和高压机器及附属装置的电场分布， 还可用于测量波动电压及雷冲击波形。 第6章偏振态调制型光纤传感器3737图6-7 高压电场传感器输出特性
