光传感--光调制

第 十一 章 光光 调调 制制 技技 术术 何 谓 光 调 制 n光调制就是将一个携带信息的信号叠加到载波光 波上,完成这一过程的器件称为调制器。 n调制器能使载波光波的参数随外加信号变化而变 化，这些参数包括光波的振幅、位相、频率、偏 振、波长等。承载信息的调制光波在光纤中传输 ，再由光探测器系统解调，然后检测出所需要的 信息。 1 光强度调制技术 一、微弯效应光强度调制技术 原 理 利用光在微弯光纤中强度的衰减原理，将光纤 夹在两块具周期性波纹的微弯析构成的变形器中 构成调制器。从波导理论的观点来看，当光纤发 生弯曲时，传输光会有一部分泄漏到包层中去， 这种泄漏是光纤内发生模式耦合的结果，这些耦 合模变为辐射模，造成传播光能量的损耗。 n纤芯中的光向包层逸出的原因从几何光学来说是 由于全反射条件的破坏造成的，从波导理论来说 则是光纤的弯曲引起了各种传导模式的耦合，则 形成耦合模式被送入包层中去产生辐射模。 微 弯 调 制 示 意 图 定 量 分 析 微弯效应造成的损耗 可写成如下形式 式中 为齿距， 为齿数目， 为变形幅度 ， 为纤芯半径， 为光纤外半径， 为 内外层折射率差值。其中任何一个参数改变 都会起到光强调制的作用。在实际问题里， 变形器及光纤参数全部固定时，则可认为 实 际 测 量 框 图 n利用这种调制技术可以直接测量位移的变 化量(变形器上的变形板位移的大小决定光 强的衰减程度),而间接测量的量则可包括温 度，压力，振动，应变等。 探测器 脱 模 器 脱 模 器 脱 模 器 的 作 用 n这里脱模器的作用是在进入探测器之 前消除掉进入包层中的光以保证只有 纤芯中的光才能传到变形器和探测器 。 n其方法是在几厘米长的包层外边表面 上刷上黑漆，这就可以几乎完全吸收 掉传入包层中的光（或者剥去外包层 置于折射率匹配的小盒中）。 其它类型 n被测物体移动 引起光纤变形 ， 曲率半径随之 改变，引起辐 射模。 其 它 类 型 将光纤绕成多圈螺旋管 状，增加变形长度以提 高灵 敏 度 微 弯 型 水 听 器 n多模光纤绕于带有 螺纹的铝管螺纹谷 内不会发生变形， 而通过纵向槽的那 部分光纤将由于外 部压力而变形，如 果这种压力来自于 声波，则可依此原 理制成水听器。 脱模器 探测器 二、 光 强 度 的 外 调 制 技 术 n上述微弯调制技术属于内调制，属于功能性调制 技术，它是利用光纤本身特性的改变来实现光调 制的。 n所谓外调制技术，是指调制环节发生在光纤以前 的部分，光纤本身的性质并不改变，它只起到传 光的作用。此时的光纤分为两部分，即输入光纤 和输出光纤，或发送光纤和接收光纤。 1、 反射型光强外调制传感器 na、原理 n由输入光纤出 射的光投射到 反射面上，其 反射光的一部 分进入输出光 纤，进入多少 与反射面位置 有关。 输入光纤 输出光纤 反射面 b、 定 量 分 析 反射镜面的移动方向是与光纤探头端面垂直的， 反射镜面在其背面距离 处形成输入光纤的虚象 ，因此，光强调制作用是与虚光纤和输出光纤的耦 合相联系的。 设两光纤皆为阶跃折射率光纤，芯径为 ，数 值孔径为 ，两光纤垂直距离为 2 ，并定 义 反射型光强外调制传感器示意图 a d 2r 输出光纤 输入光纤的镜像 back 检 测 范 围 则当距离 时，两光纤的耦合为零， 无反射光进入输出光纤； 当 时，两光纤耦合最强，输出光 强达最大值，此时输入光纤的像发出的光锥 底面积 将输出光纤端面积全部遮盖， 是一个常数，光锥底面积为 因此最大检测范围是 即检测位移的范围在 和 之间。 定 量 计 算 光 耦 合 系 数 如果定量计算光耦合系数 ，必须先计算输入光纤 像的发光锥体面积与输 出光纤端面的交叠面积 ，如果精确计算，则必 须使用gamma方程，十 分复杂 。 输出光纤 a 输入光纤 反射型光强外调制传 感器示意图 如果作线性近似， 即将锥体边缘与输出 光纤芯交界的弧线作 为直线处理，则可得 到线性解，在线性近 似下，可求得交叠面 积与光锥底面积之比 为 r 式中 为交叠面积的高，由 决定： 假定反射镜面无光吸收，两光纤的光功率 耦合效率 ，即为交叠面积与光维底面积之 比， 的最大值发生在 处。 上述关系式给出了反射式位移传感器的设 计依据，如果芯径 ， 的阶跃光纤， ，计算结果表明最大 耦合效率 发生于 处。 此传感器的固有分辨率好于 。 这 些 都 是 简 化 处 理 上面的分析作了很多简化处理：除了 线性假设不分，还假定了光纤为阶 跃型光纤；模谱是均匀一致的，即 功率密度在光维底面上是均匀的； 反射面平行于光纤端面；反射率为 100等。 2、遮光型光强外调制技术 n上面所言为反射式，除此之外还有遮 光式，一种办法是将发射光纤和接取 光纤对准，光强调制信号加在移动的 遮光板上；另一种方法是直接移动接 收光纤。这两种方式都是使接收光纤 只能收到发送光纤发出的部分光，从 而实现光调制。 遮光型光强外调制技术 n用这种办法可以测量 位移、压力、温度等 物理量，这些物理量 的变化都可使光强减 弱由于闸式要使两光 纤距离大一些，因此 光损耗较大，但它可 固定两光纤，因而使 用可靠。 光闸 输入光纤 输出光纤 三、 折射率光强度调制技术 （反射系数式光强调制技术） n反射系数与两介质的折射率有关，利用折 射率的变化来改变反射系数，则可达到调 制光强的目的，下图给出了一种典型装置 ： 光源 探测器信号处理 调制器 全反射面 调 制 机 理 n由光纤左端入射的光，一部分沿光路返回到探 测器。调制机理是： n光纤左端有两个反射面，其中底面的为全反射 面（镀膜而成），两反射面搭接，斜面反射面 与折射率为n3的介质接触，调节斜面反射镜的 角度使纤芯光经反射后能垂直入射到全反射面 上，则纤芯光入射到斜反射面时能够部分地透 射到的介质中去，由费涅尔公式描述： 其中 为强度反射系数， ， 为入射角。可见，若 介质由于压力或温 度的变化引起 微小变化，则会导致反射系 数的变化，从而导致反射光强的改变，利用 此原理可设计温度或压力传感器。 2 光 偏 振 调 制 技 术 n许多物理效应都会影响或改变光的 偏振状态，采用这些效应可设计偏 振调制器，下面介绍一种典型效应 。 n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） 一、法拉弟效应（磁致旋光效应） d 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 调制电流 恒定磁场 起偏器 检偏器 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 成反射膜，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。 高反射膜 3 相 位 调 制 一、 概 述 n利用光相位调制来测量某些物理量的开发应用已 有一百多年的历史，不过一般以空间作为干涉光 路的干涉仪体积大，环境条件要求严格，调整也 困难，因此限制了在工业中的应用。 n光导纤维的出现为光学干涉仪开辟了广阔的天地 ，因为用光纤代替自由空间作为干涉光路有两个 突出的优点：一是减少了干涉仪安装和校准的固 有困难，可使仪器小型化，块体化。二是可以用 加长光纤的方法使干涉光路对环境参数的响应灵 敏度增加。 相位调制是光纤传感器中最基本的调制技术， 它的灵敏度极高，据报导，可探 测 光程差引起的相位变化（对 于 光波），这相当于一个原子核直径的大小。 相位调制经常与干涉测量机并用，构成相位调 制的干涉型光纤传感器。光纤干涉传感器被认 为是潜在开发灵敏度最高的仪表。 概 述 二、 调 制 原 理 n光纤中传导的光，其相位变化取决于外界物理量 产生的光纤波导的下面三个参数的变化。 n光纤物理长度的变化 n（轴向应变伸长、热膨胀引起的伸长、泊松比变