光电检测技术第一章.ppt

第二章光和光的传播特性及光调制原理 1 1光和光的传播特性1 2光强度调制1 3光相位调制1 4光偏振态调制1 5光频率与波长调制 1 1光和光的传播特性 光的波粒二象性 波动性 光的干涉 光的衍射粒子性 光的发射 吸收 光电效应等平面波平面波单色平面波光偏振态椭圆偏振光线偏振光圆偏振光 光的基本性质 牛顿 微粒说根据光直线传播现象 对反射和折射做了解释不能解释较为复杂的光现象 干涉 衍射和偏振波动理论惠更斯 杨氏和费涅耳等解释光的干涉和衍射现象麦克斯韦电磁理论 光是一种电磁波 光的基本性质 光量子说1900年普朗克在研究黑体辐射时 提出辐射的量子论1905年 爱因斯坦在解释光电发射现象时提出光量子的概念光子的能量与光的频率成正比光具有波粒二象性 光在光纤介质中的传播 光纤全反射原理光纤的结构光纤的应用 光纤的结构 光在光纤中的全反射 光缆的外形及光纤的拉制 光纤的类型 阶跃型 光纤纤芯的折射率分布各点均匀一致 称为多模光纤 梯度型 梯度型光纤的的折射率呈聚焦型 即在轴线上折射率最大 离开轴线则逐步降低 至纤芯区的边沿时 降低到与包层区一样 单孔型光纤 单孔型光纤的纤芯直径较小 数微米 接近于被传输光波的波长 光以电磁场 模 的原理在纤芯中传导 能量损失很小 适宜于远距离传输 斯乃尔定理 当光由光密物质出射至光疏物质时 发生折射 a 折射角大于入射角 b 临界状态 c 全反射 光纤导光 n0为入射光线AB所在空间的折射率 一般皆为空气 故n0 1 当 r 90 的临界状态时 Sin i定义为 数值孔径 NA NumericalAperture 相对折射率差 arcsinNA是一个临界角 i arcsinNA 光线进入光纤后都不能传播而在包层消失 i arcsinNA 光线才可以进入光纤被全反射传播 光导纤维的主要参数 1 数值孔径 NA 2 光纤模式3 传播损耗 1 数值孔径 NA 反映纤芯接收光量的多少 标志光纤接收性能 意义 无论光源发射功率有多大 只有2 i张角之内的光功率能被光纤接受传播 大的数值孔径 有利于耦合效率的提高 但数值孔径太大 光信号畸变也越严重 2 光纤模式 光波沿光导纤维传播的途径和方式在光导纤维中传播模式很多对信息的传输是不利的 导致合成信号的畸变 因此我们希望模式数量越少越好 阶跃型的圆筒波导内传播的模式数量表示为 希望V小 d不能太大 n2与n1之差很小 3 传播损耗 损耗原因 光纤纤芯材料的吸收 散射 光纤弯曲处的辐射损耗等的影响 传播损耗 单位为dB 式中 l 光纤长度 a 单位长度的衰减 I0 光导纤维输入端光强 I 光导纤维输出端光强 光纤液位传感器 1 2光强度调制 光调制指的是使光信号的一个或几个特征参量按被传送信息的特征变化 以实现信息检测传送目的的方法 光调制可分为强度调制 相位调制 偏振调制 频率和波长调制 下面将分别介绍各种调制的原理和方法 一 光强度调制光强度调制是以光的强度作为调制对象 利用外界因素使待测的直流或缓慢变化的光信号转换成以某一较快频率变化的光信号 这样 就可采用交流选频放大器放大 然后把待测的量连续测量出来 光强调制的基本方法 辐射式如自动门 辐射式温度计反射式测距 表面检测遮挡式位置透射式成份分析 1 辐射式 调制原理利用测量与被测物理量对应的辐射 功率 光谱分布等 例如 被测物的温度与其辐射量的对应关系 被测物的温度 成分与其光谱分布的关系 物体的位置或有无 应用实例 自动门 检测元件原理光电检测元件热释电元件不感受不变的辐射 原理报火警 侦查 跟踪 武器制导 地形地貌普查分析 光谱分析及太阳能利用等 斯忒潘根据实验得出结论 物体的总的辐射出射度与温度的四次方成正比 全辐射测温 2 反射式激光测距 激光制导 主动式夜视仪 电视摄像 文字判读 调制原理被测参数引起入射光的反射来调制达到探测器的光强 反射光强是被测参数的函数 对象对入射光的反射位置检测对象的有无 镜面反射 对象表面状态 漫反射 被测参数对入射光的影响 对入射光的光强的要求 定性的方法对光强的精度要求较低 定量的方法对光强的精度要求较严格 应注意 入射光强的稳定 电源的稳定 测量方法 例 检测产品外观质量 设光电探测器的输出信号为 3 遮挡式 调制原理被测物体部分地或全部地遮挡或扫过入射到光电探测器的光束 引起光电探测器输出信号的变化 利用定性的方法是否到位有无 已知物体的运动速度 测量长度 运动中 元件运动中的计数光电开关定量 遮挡面积在光纤传感器中 光纤的耦合效率 设被测物体的宽度为b 物体遮挡光的位移量为 则物体遮挡入射光到光电探测器上的光的增量A为 应用实例 光电测微计 光电投影尺寸检测仪3 光电计数4 光电测速5 光电自动开关6 防盗报警 4 透射式 调制原理朗伯 比尔定律 介质的吸收系数 应用实例 检测液体或气体的浓度检测透明薄膜的厚度和质量检测透明容器的缺陷测量胶片的密度 利用外界因素改变光波的相位 通过检测相位变化来测量物理量的原理称为光相位调制 光波的相位由光传播的物理长度 传播介质的折射率及其分布等参数决定 也就是说改变上述参量即可产生光波相位的变化 实现相位调制 但是 目前市场上的各类光探测器都是不能感知光波相位的变化 必须采用光的干涉技术将相位变化转变为光强变化 才能实现对外界物理量的检测 因此 光相位调制应包括两部分 一是产生光波相位变化的物理机理 二是光的干涉 1 3光相位调制 图1 2 3 6干涉调制原理 1 利用干涉现象实现光相位调制利用干涉现象调制的关键是对光程差或相位差进行调制 图1 2 3 6所示是利用迈克尔逊干涉仪附加压电晶体来完成光调制的原理图 2 光的衍射改变光的相位 惠更斯 菲涅尔定理菲涅尔半波带法夫琅和费衍射和菲涅尔衍射 1 4光偏振调制 原理 利用外界因素 应力 磁场 电场等 可以改变特定光学媒质的传光特性 调制从中通过的光的偏振态 E矢量的方向等 由偏振态的变化就可以测出相应的外界因素 应用 应力分布 物质成分分析 电场 磁场 电流测试与控制等方面 起偏器 检偏器 盛有液体旋光物质的管子 一 旋光现象 旋光现象 1 物质的旋光性 1811年实验物理学家阿喇果发现 线偏振光通过某些透明物质时 其偏振面将旋转一定的角度 对于旋光性物质的溶液 设为偏振光通过旋光物质后振动面所转过的角度 为旋光物质的浓度 为旋光物质的透光长度 为一与旋光物质有关的常量 对于固体旋光物质 为一与旋光物质及入射光的波长有关的有关的常量 一定 2 旋光物质的分类 1 右旋物质面对着光源观察 使光振动面的旋转为顺时针的旋光物质 如葡萄糖溶液 2 左旋物质面对着光源观察 使光振动面的旋转为逆时针的旋光物质 如蔗糖溶液 二 法拉第效应 磁光效应 某些物质在磁场作用下 线偏振光通过时其振动面会发生旋转 这种现象称为法拉第效应 光的电矢量E旋转角 与光在物质中通过的距离L和磁场强度H成正比 即 利用法拉第效应可以测量磁场 其测量原理如右图所示 式中V 物质的弗尔德常数 法拉弟发现 许多物质在磁场的作用下可使穿过它的平面偏振光的偏振方向旋转 在光的传播方向上加上强磁场时 法拉弟效应 磁致旋光效应 振动面旋转的角度由经验公式给出 式中为静磁通量 为光所穿越的媒质长度 是比例因子 称费尔德常数 一种特定媒质的费尔德常数随频率和温度而变 实际例子 对于气体 约为 固体和液体为的量级 如对于1厘米长的样品 高斯的磁场 此时振动面将转动 显然 法拉弟效应可用来设计光调制器 欲提高效率必须每单位长度的材料对光的吸收要尽量小 而偏振面旋转的角度要尽量大 为此 人们研制了许多奇特的铁磁材料 如 eCraw利用人工生长的钇铁石榴石 YIG 磁性晶体 它的费尔德数可以达到 对波长 温度范围 利用法拉第效应测磁场实验装置图 线偏振光从左面进入晶体 横向的直流磁场使YIG晶体在此方向上引起磁化饱和 而总的磁化强度矢量 由恒定磁场和线圈磁场所引起 可以改变方向 它对晶体轴的倾斜角度正比于线圈中的调制电流 因为法拉弟旋转依赖于磁化强度的轴向分量 所以线圈电源控制了角 检偏器按照马吕定律把这一偏振调制转换为振幅调制 也就是说 要传递的信息作为调制电压加在线圈上 则出射的激光束以振幅变化的形式携带着信息 应当指出的是 应将法拉弟旋转和旋光性旋转加以区别 所指旋光性旋转 是指入射线偏振光的电场振动面在旋光材料中连接地旋转的现象 这种现象的一个特点是旋转方身与传播方向有关 当光线正反两次通过一个旋光性物质时 总旋转角度为零 而法拉弟旋转是与光传播方向无关的 正反两次通过法拉弟材料后 总的旋转角度为 法拉弟旋转和旋光性旋转之区别 这样 为了获得更大的法拉弟效应 可以将放在磁场中的法拉弟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 并将两面镀层反射膜 只留入口和出口 这样 若光束在其间反射次后出射 则有效旋光厚度为 则偏振面的旋转角度将提高倍 三 光弹效应在垂直于光波传播方向上施加应力 被施加应力的材料将会使光产生双折射现象 其折射率的变化与应力有关 这种现象称为光弹效应 由光弹效应产生的偏振光的相位变化为 式中 K 物质光弹性常数 P 施加在物体上的压强 L 光波通过材料的长度 此时出射光强为 利用物质的光弹效应可以构成压力 振动 位移等光纤传感器 关于双折射现象的说明一束光在各向同性介质 如玻璃 的表面所产生的折射光只有一束 这是一般的常识 然而 对于光学性质随方向而异的一些晶体 各向异性介质 一束入射光常有被分解为两束的现象 这就是双折射现象 请注意 这种现象不是因为不同频率的光在介质中的折射率不同而产生的 而是由于各向异性介质的折射率对不同入射角的光不是常数而产生的 通过各向异性介质折射的光 若对于任意的入射角 其入射角 角的不同而变化时 这种光称为非寻常光 简称为e光 o光和e光都是线偏振光 但是 光矢量 电矢量 等振动方向不同 o光的电矢量垂直于自己的主平面 而e光的电矢量则在自己的主平面内振动 如上图所示 在光弹效应和普克尔效应中所说的相位变化 实际上是指这两种光的相位差 的正弦与折射角的正弦值比为一常数 即通常所说的折射率 时 这种光称为寻常光 简称为o光 若其入射角的正弦与折射角的正弦值比随入射 四 电光效应1 普克尔效应 一次电光效应 当压电晶体受光照射 并在与光照正交的方向上加以高压电场时 晶体将呈现双折射现象 这种现象被称为Pockels效应 如下图所示 并且 这种双折射正比于所加电场的一次方 所以普克尔效应又称为线性电光效应 在晶体中 两正交的偏振光的相位变化为式中 n0 正常折射率 de 电光系数 U 加在晶体片上的电压 光波长 L 晶体长度 d 场方向晶体厚度 克尔效应 某些各向同性的透明介质 如非晶体和液体 在外电场的作用下 显示出双折射现象 称为克尔效应 当外电场撤消时 这种性质立即消失 因此 也称为电致双折射现象 光轴沿电场强度的方向 两光通过厚度为的液体时 光程差为 若入射光的线偏振方向与外电场方向成450角 且M与N偏振方向相互垂直 调节电压使其发生相长干涉 则有 若去掉盒内电场 则没有光从N透出 整个系统起 光开关 的作用 通过控制外加电压 可调节输出的光脉冲的长短和频率 把电讯号转变成光讯号 由于光电效应几乎没有惯性 电讯号的控制速度可达10 9m s 光开关 光调制器 光断续器 有极快的速度启闭光路或调制光强 目前广泛应用于高速摄影 电影 电视和激光通讯等许多领域 在电场 磁场中 材料光学性质的研究 在实际应用中有着广阔的前景 利用外界因素改变光的频率或光的波长 通过检测光的频率或光的波长的变化来测量外界的物理量的原理 称为光的频率和波长调制 1 频率调制光的频率调制 主要是指光学多普勒频移 光学中的多普勒现象是指由于观测者和运动目标的相对运动 使观测者接收到的光波频率产生变化的现象 实际中大多数考虑移动物体所散射光的频移 这种情况可当作一个双重多普勒频移来考虑 即先从光源到移动的物体 然后由物体到观测者 设光源和观测者都相对静止 物体以V速度移动 见图1 2 3 16 1 5光频率和波长调制 图1 2 3 16多普勒频移 频率调制 从光源S发出频率为 的光被物体P散射 P所观测到的频率为 1 该频率的光又被P重新发射出来 在Q处接收到的频率为 2 将式 1 代入式 2 并考虑实际物体速度V要比光速c小得多 可近似地求双重多普勒频移表达式 3 令则式 3 可整理得 多普勒频移可采用光混频技术来测量 即将两束频率不同的光混频 获取差频信号的光学零差和外差技术 设一束散射光与另一束参考光的频率分别为 它们到达光电探测器表面的电场强度分别为式中E01 E02为两束光在光电探测器表面处的振幅 1 2为两束光的初相 若两束光为相干光 在光电探测器表面产生混频 其合成的总电场强度为检测器输出的光信号I t 正比于总电场的平方 式中B是常数 对上式作三角变换 略去光学频率项 因为在检测器输出中不能观察到此频率 所以检测器输出光信号为式中第一项是直流分量 可用电容隔去 第二项是交流分量 其中交流频率正是多普勒频移 激光多普勒测速技术就是根据光频调制和光混频技术发展起来的 它是研究流体流动的有效手段 它的主要特点是空间分辨率和光束不干扰流动 并具有跟踪快速变化的能力 波长调制 一一般原理二热色物质颜色变化的波长调制三磷光光谱变化的波长调制四黑体辐射的波长调制五滤波器参数变化的波长调制 图1 2 3 17热色物质颜色变化的波长调制 1 利用热色物质的颜色变化进行波长调制 这种调制的原理如图1 2 3 17a所示 60W的钨丝灯光经过光纤进入热变色溶液 如溶于异丙醇溶液中的CoCl3 6H2O 其反射光被另一光纤接收后