第七讲 偏振调制机理与检测技术

1、.第七讲第七讲 偏振调制机理与检测技术偏振调制机理与检测技术 光纤偏振调制技术可用于温度、压力、振动、机械形变、电流和电场等检测主要应用是监测强电流主要应用是监测强电流 .偏振调制中常用的物理效应 l一普克耳效应一普克耳效应l二克尔效应二克尔效应l三法拉第效应三法拉第效应l四光弹效应四光弹效应.一普克耳效应一普克耳效应l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，称为线性电光效应，或普克耳效应。 .调制机理l普克耳效应使晶体的双折射性质发生改变，普克耳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这种变化理论上可由描述晶体双折射性质

2、的折射率椭球的变化来表示。的折射率椭球的变化来表示。 1232322222121nxnxnx.l晶体的两端加一个电场。外加电场平行于晶体的两端加一个电场。外加电场平行于通光方向，这种运用称为纵向运用，或称通光方向，这种运用称为纵向运用，或称为纵向调制。对于为纵向调制。对于KDP类晶体，晶体折射类晶体，晶体折射率率 的变化与电场的变化与电场E的关系由下式给定：的关系由下式给定：nEnn633063是KDP晶体的纵向运用的电光系数 .l两正交的平面偏振光穿过厚度为l的晶体后，光程差为：l式中， 是加在晶体上的纵向电压。l当折射率变化所引起的相位变化为 时，则称此电压为半波电压 ，并有 ElU 2U

3、UnlEnlnL633063306330022nU.l图251是利用普克耳效应的光纤电压传感器示意图。 .普克耳效应的光纤电压传感器工作原理l传感器工作过程是，从激光器射出的光由起偏器传感器工作过程是，从激光器射出的光由起偏器11变为平面偏振光，再入射到调制器械电光晶体变为平面偏振光，再入射到调制器械电光晶体1上。上。由于电光效应的作用，从电光晶体射出的光变为椭由于电光效应的作用，从电光晶体射出的光变为椭圆偏振光，经圆偏振光，经1/4波片波片2获得一光学偏置，最后经检获得一光学偏置，最后经检偏器偏器3输出，这样就由相位的变化转换成强度的变化。输出，这样就由相位的变化转换成强度的变化。输出的光强

4、为输出的光强为)42(sin20 II纵向运用时04130/2Un横向运用时dlUnc030.二克尔效应二克尔效应l克尔效应也称为平方电光效应，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特性，并且与单轴晶体的情况相同。l外加电场与光传播方向垂直时,感应双折射同电场关系20kEnnoe.利用克尔效应可以构成电场、电压传感器利用克尔效应可以构成电场、电压传感器 .光克尔效应调制光克尔效应调制 原理原理l如图，通光方向与电场方向垂直。当电极上不加外如图，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

5、呈关闭状态。电场时，没有光通过检偏镜，克尔盒呈关闭状态。ldUklnne200)()(l当电极加上外电场时，有光通过检偏镜，克尔盒当电极加上外电场时，有光通过检偏镜，克尔盒开启状态。若在两极上加电压开启状态。若在两极上加电压U，则由感应双折射，则由感应双折射引起引起的两偏振光波的光程差为的两偏振光波的光程差为两光波间的相位差则为两光波间的相位差则为2)(2dUkl.l检偏镜的透射光强度检偏镜的透射光强度I与入射光光强与入射光光强I0之间的关之间的关系可由下式表示。系可由下式表示。)(2sin22/20UUII kldU22l特征特征: 感应双折射几乎与外加电场同步感应双折射几乎与外加电场同步,

6、有较快有较快的响应速度的响应速度,响应频率可达响应频率可达1010Hz。可以制成高。可以制成高速的克尔调制器或克尔光闸速的克尔调制器或克尔光闸.三法拉第效应三法拉第效应ldHVl0可做成电流传感器.四光弹效应四光弹效应l在力学形变时材料会变成各向异性。在力学形变时材料会变成各向异性。l压缩时材料具有负单轴晶体的性质，伸长压缩时材料具有负单轴晶体的性质，伸长时材料具有正单轴晶体的性质。时材料具有正单轴晶体的性质。l物质的等效光轴在应力的方向，感生双折物质的等效光轴在应力的方向，感生双折射的大小正比于应力。射的大小正比于应力。l这种应力感生的双折射现象称为光弹效应。这种应力感生的双折射现象称为光弹效应。 .kpnne0.小结l强度调制：检测接收到的光强变化获得被测信号；l相位调制：两束相干光存在相位差在光电探测器中发生干涉并转换成强度变化实