第5章-偏振调制型传感器
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高中物理选择性必修件第五章认识传感器
时间测量
在物理实验中，常常需要 精确测量时间，如使用光 电门传感器测量物体通过 某一点的时间。
验证物理定律实验
牛顿第二定律验证
通过加速度传感器测量物体的加 速度，结合已知的质量和合外力
，验证牛顿第二定律。
动量守恒定律验证
在碰撞实验中，使用速度传感器分 别测量碰撞前后两物体的速度，从 而验证动量守恒定律。
流量传感器
监测管道中液体或气体的流量，实现精确的流量 控制，保证生产过程的稳定性和效率。
环境保护领域应用
空气质量传感器
监测大气中的PM2.5、PM10、二氧化硫、氮氧化物等有害物质的 含量，为环境保护提供数据支持。
水质传感器
用于监测水体中的PH值、溶解氧、浊度、重金属离子等参数，评估 水环境质量。
高中物理选择性必修件第五章 认识传感器
汇报人：XX
20XX-01-19
CONTENTS
• 传感器概述 • 传感器技术基础 • 常见传感器类型及其工作原理 • 传感器在物理实验中的应用 • 传感器在日常生活和工业生产
中的应用 • 传感器技术发展趋势与挑战
01
传感器概述
定义与分类
传感器定义
传感器是一种能够将非电学量（ 如温度、压力、光强等）转化为 电学量（如电压、电流等）的装 置。
应用领域
传感器广泛应用于工业自动化、环境监测、医疗诊断、智能家居等领域。
重要性
传感器技术的发展对于推动科技进步、提高生产效率和生活质量具有重要意义 ，是现代信息技术的重要组成部分。
02
传感器技术基础
敏感元件及转换电路
敏感元件
指传感器中能直接感受或响应被测量的部分，如热敏电阻、光敏 电阻等。
转换电路
第五章光纤传感基本原理-频率调制
m
1,2,
光纤传感器基本原理
5.6 偏振调制机理
线偏振光，光波的光矢量方向始终不变，只是它的大小随 相位改变。光矢量与光的传播方向组成的平面为线偏振光的振 动面。
圆偏振光，光矢量大小保持不变，而它的方向绕传播方向 均匀地转动，光矢量末端的轨迹是一个圆。
椭圆偏振光，光矢量的大小和方向都在有规律地变化，且光 矢量的末端沿着一个椭圆转动。
黑体光谱辐射能量密度、 温度及波长三者之间的关系。
5.5.3 光纤黑体探测技术
光纤传感器基本原理
光纤黑体探测技术，就是以黑体做探头，利用光纤传输热辐射波， 不怕电磁场干扰，质量轻，灵敏度高，体积小，探头可以做到0.1mm。
光纤传感器基本原理
5.5.4 光纤法布里-珀罗滤光技术
0 m
2nd cos m /
FL 108
可检测到信号
5.4.2 光纤多普勒系统的局限性
光纤传感器基本原理
一般多普勒探测器最大只能实现液体中几毫米处粒子的运动
速度虚测像量半，径只ri适 a用du 于携带粒子的流体或混浊体中悬浮物质的速度 测量数。值速孔度径测NA量i 范NA围du 为μm/s～m/s，相应的频偏为Hz-MHz。
ne n0 0kE2
非寻常光折射率
寻常光折射率
大多数情况下，ne-n0＞0
光纤传感器基本原理
5.6.2 克尔效应
不加外电场，无光通过，克尔盒关闭；加外电场，有光通过，
克尔盒开启。
光程差：
ne
n0
l
k
0
U d
2
l
N1、N2相互垂直，与 电场分别成±45°。
相位差：
2
kl
U d
2
光纤传感技术课件：偏振态调制型光纤传感器
21
偏振态调制型光纤传感器
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。
偏振态调制型光纤传感器
偏振态调制型光纤传感器
6.1 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
1
偏振态调制型光纤传感器
6.1
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 第一章1.3.4节）。
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)
16
式中， 半波电压Uλ/2可表示为
偏振态调制型光纤传感器
(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。
17
偏振态调制型光纤传感器
6.1.4 Faraday
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。
9
偏振态调制型光纤传感器
10
偏振态调制型光纤传感器
6.1.3 Kerr
Kerr效应也称为二次（或平方）电光效应， 它发生在一
偏振态调制型光纤传感器
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。
偏振态调制型光纤传感器
偏振态调制型光纤传感器
6.1 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
1
偏振态调制型光纤传感器
6.1
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 第一章1.3.4节）。
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)
16
式中， 半波电压Uλ/2可表示为
偏振态调制型光纤传感器
(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。
17
偏振态调制型光纤传感器
6.1.4 Faraday
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。
9
偏振态调制型光纤传感器
10
偏振态调制型光纤传感器
6.1.3 Kerr
Kerr效应也称为二次（或平方）电光效应， 它发生在一
第五章-相位调制型光纤传感器PPT课件
➢ 影响相位变化的基础物理效应：
应力应变、温度
萨格纳克(Sagnac)效应
5.3 光纤相位调制机理
光波通过长度为L的光纤，出射光波的相位延迟为
2
L kL
光波在外界因素的作用下，相位的变化为
L
k
k
(
k
Lk
)
L
n
L
a
L
n
a
应变效应或
热胀效应
光弹效应或 泊松效应（灵敏度
➢ 使用方便。封闭式光路，不受外界干扰，减少了
干涉仪的长臂安装和校准的固有困难，可使干涉
仪小型化。
➢ 灵活多样。光纤本身是传感器的敏感部分，其探
头的形状可按使用要求设计成不同形状。
➢ 对象广泛。不论何种物理量，只要对干涉仪中的
光程产生影响，就可用于传感。
缺点
➢ 需相干光源，单模光纤以及高精度光电检测系统
萨格纳克(Sagnac)干涉仪
法布里-泊罗(Fabry-Perot)干涉仪
常用光纤干涉传感器是利用上述原理由光纤
实现的干涉型光纤传感器。
迈克耳逊
（A.A.Michelson）
美籍德国人
迈克耳逊在工作
因创造精密光学
仪器，用以进行
光谱学和度量学
的研究，并精确
测出光速，获
1907年诺贝尔物
理奖。
➢由激光器输出的单
2
I min
透射的干涉光强的最大值与最小值之比
I max 1 R
I min 1 R
2
反射率R越大，干涉光强越显著，分辨力越高。
应力应变、温度
萨格纳克(Sagnac)效应
5.3 光纤相位调制机理
光波通过长度为L的光纤，出射光波的相位延迟为
2
L kL
光波在外界因素的作用下，相位的变化为
L
k
k
(
k
Lk
)
L
n
L
a
L
n
a
应变效应或
热胀效应
光弹效应或 泊松效应（灵敏度
➢ 使用方便。封闭式光路，不受外界干扰，减少了
干涉仪的长臂安装和校准的固有困难，可使干涉
仪小型化。
➢ 灵活多样。光纤本身是传感器的敏感部分，其探
头的形状可按使用要求设计成不同形状。
➢ 对象广泛。不论何种物理量，只要对干涉仪中的
光程产生影响，就可用于传感。
缺点
➢ 需相干光源，单模光纤以及高精度光电检测系统
萨格纳克(Sagnac)干涉仪
法布里-泊罗(Fabry-Perot)干涉仪
常用光纤干涉传感器是利用上述原理由光纤
实现的干涉型光纤传感器。
迈克耳逊
（A.A.Michelson）
美籍德国人
迈克耳逊在工作
因创造精密光学
仪器，用以进行
光谱学和度量学
的研究，并精确
测出光速，获
1907年诺贝尔物
理奖。
➢由激光器输出的单
2
I min
透射的干涉光强的最大值与最小值之比
I max 1 R
I min 1 R
2
反射率R越大，干涉光强越显著，分辨力越高。
光纤传感原理与应用 尚盈 电子课件 第五章.光纤解调技术
5.2 波长解调 5.2.2 滤波解调法
5.2 波长解调 5.2.2 滤波解调法
5.3 频率解调 5.3.1 频率调制基本原理
s O 光学多普勒效应原理
5.3 频率解调 5.3.2光纤多普勒流速测量技术
5.3 频率解调 5.3.2光纤多普勒流速测量技术
光束1 光束2
前方散射形成的干涉条纹
5.3 频率解调
Ⅰ
三角函数象限图
5.4 相位解调 5.4.4 I/Q解调算法
5.4 相位解调 5.4.4 I/Q解调算法
5.4 相位解调 5.4.4 I/Q解调算法
5.5 偏振态解调
5.1 强度解调
强度解调的方案结构简单,适合短距离且信噪比要求不太高的场合,受激光器相位噪声影响较小。强 度解调过程如图5.1所示，先将光信号进行光学滤波,滤除中心波长以外的其他噪声，光电探测器将光信 号转成电信号,将获得的信号进行放大，然后将信号进行滤波，保证只将有用信号进行放大。
强度解调型FBG传感器是通过测量传感FBG的光强或光功率来解调被测参量的传感器,其传感系统 通常由光源、传感头、光信号传输器件和解调模块四部分组成，而解调模块中方案的选择直接决定了系 统成本的高低和系统的精度,是传感系统的关键部分。
在零差方式下,解调电路直接将干涉仪中的相位变化转变为电信号。零差方式又包括主动零差法 (Active Homodyne Method)和被动零差法(Passive Homodyne Method)。
外差方式包括普通外差法、合成外差法和伪外差法。
1.主动零差法
在主动零差法中,需要“主动”地控制干涉仪参考臂的长度,使得干涉仪工作在正交工作点处。常 见的主动零差法包括两种，即主动相位跟踪零差法和主动波长调谐零差法。
第4章-波长调制型光纤传感器
应力灵敏度系数 (10-11/(N/m2))
E＝86.5×109
E＝90×109
E＝110×109
E＝120×109
1.02
1.04
1.06
1.08
0 2 4 6 8 10 ×103 涂层厚度（μm）
应力灵敏度系数 (10-11/(N/m2))
光纤光栅传感器 优点： 抗干扰能力强，稳定、可靠 传感头结构简单、体积小 测量重复性好 可实现绝对测量 便于规模生产、成网 不足：解调系统昂贵、动态范围受限
光纤的光敏性
历史 1978年，加拿大K.O.Hill，488nm 1989年，美国G.Meltz，244nm（倍频）,通信窗口的FBG 载氢掺锗 光敏性的解释：色心模型紫外辐射玻璃的压缩 光敏性类型： I型光栅－通信锗硅光纤，Δn>0 IIA型光栅－重掺锗光纤，I型被擦除后，负调制折射率深度 II型光栅－透射谱为高通，温度稳定性高，擦除800℃ 光栅的生命周期与稳定性
光纤传感器用于智能结构的一些问题
光纤传感器的复用 由多个点式传感器和（或）多个积分式传感器，和（或）多个分布式传感器构成的一个复杂的传感系统 与智能结构的兼容性 在智能结构中的分布 在智能结构中应用的工艺研究
传光型波长调制光纤传感器
荧光、磷光光谱 关键 光源和频谱分析器的性能系统的稳定性和分辨率 光源：白炽灯、汞弧灯 频谱分析仪：光栅、棱镜分光计；干涉和染料滤光器 稳定性: 比值运算，补偿系统误差 主要应用-医学、化学等领域。 人体血气的分析、pH值检测 指示剂溶液浓度的化学分析 磷光和荧光现象分析 黑体辐射分析 法布里一帕罗滤光器等
弹光效应
弹性变形
横向应力作用
纵向应力作用
5.5 波长调制机理
灵敏度：1 1pm 测量范围：1％ 频率响应：可达1MHz
E＝86.5×109
E＝90×109
E＝110×109
E＝120×109
1.02
1.04
1.06
1.08
0 2 4 6 8 10 ×103 涂层厚度（μm）
应力灵敏度系数 (10-11/(N/m2))
光纤光栅传感器 优点： 抗干扰能力强，稳定、可靠 传感头结构简单、体积小 测量重复性好 可实现绝对测量 便于规模生产、成网 不足：解调系统昂贵、动态范围受限
光纤的光敏性
历史 1978年，加拿大K.O.Hill，488nm 1989年，美国G.Meltz，244nm（倍频）,通信窗口的FBG 载氢掺锗 光敏性的解释：色心模型紫外辐射玻璃的压缩 光敏性类型： I型光栅－通信锗硅光纤，Δn>0 IIA型光栅－重掺锗光纤，I型被擦除后，负调制折射率深度 II型光栅－透射谱为高通，温度稳定性高，擦除800℃ 光栅的生命周期与稳定性
光纤传感器用于智能结构的一些问题
光纤传感器的复用 由多个点式传感器和（或）多个积分式传感器，和（或）多个分布式传感器构成的一个复杂的传感系统 与智能结构的兼容性 在智能结构中的分布 在智能结构中应用的工艺研究
传光型波长调制光纤传感器
荧光、磷光光谱 关键 光源和频谱分析器的性能系统的稳定性和分辨率 光源：白炽灯、汞弧灯 频谱分析仪：光栅、棱镜分光计；干涉和染料滤光器 稳定性: 比值运算，补偿系统误差 主要应用-医学、化学等领域。 人体血气的分析、pH值检测 指示剂溶液浓度的化学分析 磷光和荧光现象分析 黑体辐射分析 法布里一帕罗滤光器等
弹光效应
弹性变形
横向应力作用
纵向应力作用
5.5 波长调制机理
灵敏度：1 1pm 测量范围：1％ 频率响应：可达1MHz
第5章 偏振调制型传感器
2 2
E2 1 cos(2 2 ) J E cos ( ) 2 在θ＝0，φ ＝±45º 时，检测灵敏度最高
E2 1 sin( 2 ) J 2
sin( 2 ) 2
NxtPhase
OVT进行-18℃的测试。
（a）
（b）
BSO晶体光纤电场传感器
可构成压力、振动、位移等光纤传感器。
压力与水声传感器
折射系数与声强的关系
材料的光弹性声强检测灵敏度
n3 p 2 I S p n 2 VS3
6 2
1 2
Pyrex玻璃材料
n p M 3 VS
最小可测压差：9.5Pa（理论值为1.4Pa） 在0～500kPa：有良好的线性；测量范围可扩展至2MPa, 动态范围达86dB
光电转换
t
电子式光纤电流互感器
Rogowski Ring 电流母线I
DCБайду номын сангаас源
A/D 调制器
探测器 光源 光纤
Kerr二次电光效应
克尔效应（Kerr effect）(1875年)
克尔盒内充某种液体，如硝基本（C6H5NO2）
不加电场→液体各向同性→P2不透光 P1P2
加外电场→液体呈单轴晶体性质，光轴平行 透光 E P2
.
检偏器
自然光通过旋转的检偏器，光强不变
自然光
. . . .
.
检偏器
自然光通过旋转的检偏器，光强不变
自然光
. . . .
.
检偏器
双折射
各向异性介质中，一束入射光常有被分解为两束的现象 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。 o光（寻常光）：对于任意的入射角，其入射角的正弦与 折射角的正弦值比为一常数（即通常所说的折射率）； e光（非寻常光）：若其入射角的正弦与折射角的正弦值 比随入射角而变化。
E2 1 cos(2 2 ) J E cos ( ) 2 在θ＝0，φ ＝±45º 时，检测灵敏度最高
E2 1 sin( 2 ) J 2
sin( 2 ) 2
NxtPhase
OVT进行-18℃的测试。
（a）
（b）
BSO晶体光纤电场传感器
可构成压力、振动、位移等光纤传感器。
压力与水声传感器
折射系数与声强的关系
材料的光弹性声强检测灵敏度
n3 p 2 I S p n 2 VS3
6 2
1 2
Pyrex玻璃材料
n p M 3 VS
最小可测压差：9.5Pa（理论值为1.4Pa） 在0～500kPa：有良好的线性；测量范围可扩展至2MPa, 动态范围达86dB
光电转换
t
电子式光纤电流互感器
Rogowski Ring 电流母线I
DCБайду номын сангаас源
A/D 调制器
探测器 光源 光纤
Kerr二次电光效应
克尔效应（Kerr effect）(1875年)
克尔盒内充某种液体，如硝基本（C6H5NO2）
不加电场→液体各向同性→P2不透光 P1P2
加外电场→液体呈单轴晶体性质，光轴平行 透光 E P2
.
检偏器
自然光通过旋转的检偏器，光强不变
自然光
. . . .
.
检偏器
自然光通过旋转的检偏器，光强不变
自然光
. . . .
.
检偏器
双折射
各向异性介质中，一束入射光常有被分解为两束的现象 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。 o光（寻常光）：对于任意的入射角，其入射角的正弦与 折射角的正弦值比为一常数（即通常所说的折射率）； e光（非寻常光）：若其入射角的正弦与折射角的正弦值 比随入射角而变化。
偏振调制型传感器
l
d
克尔盒
Kerr盒
ne no kE 2 2
45 P1
+
P2 45
l
d
kV 2 k ne no l 2 l d
克尔盒
2
k 时，克尔盒相当于半波片－P2透光最强 硝基苯 k 1.44 10 18 m2 / V 2 ，设l =3cm，d = 0.8cm， 则λ= 600nm， V 2 104 V 优点：响应时间10-9s－用于光开关、高速摄影、 激光通讯、光速测距、脉冲激光系统（作为Q开关） 缺点：如硝基苯有毒，易爆炸，需极高纯度和高电 压，故现在很少用。
4 光弹效应
在垂直于k方向上施加应力(内应力或外来的机械应力) 双折射
F
·
P1
S
C
P2
有机玻璃
d
干涉
F
片状、插在两偏振片之间，不同地点因（no-ne）不同会 引起o光和e间不同的相位差δ干涉图样。
应力越集中地方，各向异性越强，干涉条纹越细密。 在白光照射下，则显示出彩色的干涉图样。
<10-9s，可用作超高速开关，激光调Q，显示技
术，数据处理…
Kerr二次电光效应
克尔效应（Kerr effect）(1875年)
克尔盒内充某种液体，如硝基苯（C6H5NO2）
不加电场→液体各向同性→P2不透光 透光
45 P1
加外电场→液体呈单轴晶体性质，光轴平行
+
P2 45
45 2 90
··
磁致旋光物质
研究物质结构：结构不同-其碳氢化合物的法拉第
旋转效应也不同 测电流和磁场：在电工测量中，用来测电流和磁 场，特别可制造用于测量超高压电网电流的光纤 电流传感器 磁光调制：光通信技术中，应用磁致旋光效应， 使信号电流产生的光振动面旋转，转化为光的强 度变化，这就是磁光调制
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no=1.51，λ=546nm时，半波电压 V 7.6 103 V 比克尔盒要求的电压低得多
➢ 磷酸二氢胺（NH4H2PO4，ADP）
开关响应时间也极短
➢ <10-9s，可用作超高速开关，激光调Q，显示技 术，数据处理…
旋光效应－磁致旋光效应
磁致旋光(magnetic opticity)
l 2 l kV 2 d
d l
克尔盒
k 时 ，克尔盒相当于半波片－P2透光最强
硝基苯 k 1.44 101，8m设2 / Vl =2 3cm，d = 0.8cm， 则λ=
600nm，
V 2 104 V
优点：响应时间10-9s－用于光开关、高速摄影、
激光通讯、光速测距、脉冲激光系统（作为Q开关）
载流导线
检偏器
记录显示器
光纤电流传感器原理示意图
光纤电流传感器
y
E
P
振动面偏转角仅与电流 I 有关
V L
I
J
设：
2 r
x
检偏器方向设置
➢ 载流导线中的电流 I＝0 时，线偏振光振动方向在检偏器
处的与y 轴平行，检偏器P（普通检偏器）的方位为φ；
➢ I≠0 时的方位为θ，在P上的投影（即光探测器的输出信号 强度）为J，则
自然光通过旋转的检偏器，光强不变
自然光
....
.
检偏器
双折射
各向异性介质中，一束入射光常有被分解为两束的现象
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。 o光（寻常光）：对于任意的入射角，其入射角的正弦与
折射角的正弦值比为一常数（即通常所说的折射率）； e光（非寻常光）：若其入射角的正弦与折射角的正弦值
Kerr二次电光效应
克尔效应（Kerr effect）(1875年)
➢ 克尔盒内充某种液体，如硝基本（C6H5NO2）
➢ 不加电场→液体各向同性→P2不透光 P1P2
➢ 加外电场→液体呈单轴晶体性质，光轴平行
透光
E
P2
Kerr盒
+
45 P1
P2 45
ne no kE2
k
2
ne no
对自然旋光物质，光顺磁场与逆磁场方向传播， 其振动面旋向相反。
入射光
右旋
反射光
左旋
反射镜
B
反射镜
B
磁旋光物质－光顺磁场与逆磁场方向传播， 其振动面旋向相同。
法拉第效应的应用 P
B M
··
隔离器 45 2 90
··
应用很广泛：
磁致旋光物质
➢ 研究物质结构：结构不同-其碳氢化合物的法拉第 旋转效应也不同
➢ 圆偏振光、椭圆偏振光 ➢ 部分偏振光、全偏振光
偏振调制传感器
➢ 常用：电光、磁光、光弹等物理效应进行调制。 ➢ 注：光的振动方向通常是指电场矢量 E的方向
偏振光通过旋转的检偏器， 光强发生变化
自然光
....
线偏振光 .
起偏器
检偏器
偏振光通过旋转的检偏器， 光强发生变化
自然光
....
线偏振光 .
光源 起偏器 电光晶体 检偏器 信号处理
系统结构
I
1
sin
El
U*
V /mV
光强
电光40 转换
t
信
2 0
号
双芯光缆
处 理
0 0.5
光电转换
光强
1.0 E /(kV·cm-1) t
电流导线
电子式光纤电流互感器
Rogowski Ring 电流母线I
DC电 源
A/D 调制器
探测器 光源 光纤
缺点：如硝基苯有毒，易爆炸，需极高纯度和高电 压，故现在很少用。
光纤电压传感器
输入激光 起 偏 光 纤
电场
保偏光纤
晶体
输出至 分束器和探测 器
（a）
（b）
旋光效应
晶体和溶液的旋光性
➢ 单轴晶体（如P1方解石石英）晶片 光线沿检偏光器轴传播时不 发生双折射(o光和e的传播方向和波速都一样)
➢ 垂直于光轴切割出一块平行平面晶片P2从偏振 片有I改透变出，来起在的偏偏线器振偏片振c I光I之经c后过仍此然晶消片光时。偏振状态没
偏振调制型光纤传感器
Lecture 8-9
内容提要
偏振、双折射与波片
偏振调制和偏振干涉
Pockles电光效应
OCT
旋光效应（法拉第磁光效应）
Kerr效应
OVT
偏振光的干涉与光纤偏振干涉仪
光弹效应
压力、水声
偏振与偏振调制
概念：
➢ 线偏振光
振动面（E×K ） 偏振面：包含k、垂直于振动面
➢ 人工方法产生旋光性法拉第旋转 （Faraday rotation）
➢ 1846年,法拉第发现
应用
➢ 隔离器－非互易性即只允许光 从一个方向通过，而不能从反方 向通过的光阀门。在激光的多级 放大装置中
磁光材料
➢ 水、二硫化碳、食盐、乙醇等都 是磁致旋光物质
入射光
左旋
反
反射光
左旋
射 镜
反 射 镜
J E2 cos2 ( ) E2 1 cos(2 2 )
2
➢ 在θ＝0，φ ＝±45º时，检测灵敏度最高
J E2 1 sin( 2 )
2
sin( 2 ) 2
NxtPhase
OVT进行-18℃的测试。
（a）
（b）
BSO晶体光纤电场传感器
BSO晶体
➢ 同时具有电光Pockels效应和磁光Faraday效 应；且其温度系数较小
自然光
....
.
检偏器
自然光通过旋转的检偏器，光强不变
自然光
....
.
检偏器
自然光通过旋转的检偏器，光强不变自然光.. Nhomakorabea..
检偏器
自然光通过旋转的检偏器，光强不变
自然光
....
.
检偏器
自然光通过旋转的检偏器，光强不变
自然光
....
.
检偏器
自然光通过旋转的检偏器，光强不变
自然光
....
.
检偏器
比随入射角而变化。
o光和e光示意图
双折射晶体
o光 e光
下图是不同的相位差对应的偏振态
0
4
2
3
4
5
4
2
7
4
2
Pockels 效应（一次电光效应）
线性电光效应 晶体中，两正交的偏振光的相位变化为：
Pockels效应
单晶电光材料
➢ 磷酸二氢钾（KH2PO4，简称KDP）
起偏器
检偏器
偏振光通过旋转的检偏器， 光强发生变化
自然光
....
线偏振光
.
起偏器
检偏器
偏振光通过旋转的检偏器， 光强发生变化
自然光
....
线偏振光
.
起偏器
检偏器
偏振光通过旋转的检偏器， 光强发生变化
自然光
....
线偏振光
.
起偏器
检偏器
两偏振片的偏振化方向相互垂直 光强为零
自然光通过旋转的检偏器，光强不变
➢ 测电流和磁场：在电工测量中，用来测电流和磁 场，特别可制造用于测量超高压电网电流的光纤 电流传感器
➢ 磁光调制：光通信技术中，应用磁致旋光效应， 使信号电流产生的光振动面旋转，转化为光的强 度变化，这就是磁光调制
应用：光纤电流传感器
强度H的磁场中
H I
2 r
I
激光器
起偏器
光纤
显微物镜 光探测器
➢ 磷酸二氢胺（NH4H2PO4，ADP）
开关响应时间也极短
➢ <10-9s，可用作超高速开关，激光调Q，显示技 术，数据处理…
旋光效应－磁致旋光效应
磁致旋光(magnetic opticity)
l 2 l kV 2 d
d l
克尔盒
k 时 ，克尔盒相当于半波片－P2透光最强
硝基苯 k 1.44 101，8m设2 / Vl =2 3cm，d = 0.8cm， 则λ=
600nm，
V 2 104 V
优点：响应时间10-9s－用于光开关、高速摄影、
激光通讯、光速测距、脉冲激光系统（作为Q开关）
载流导线
检偏器
记录显示器
光纤电流传感器原理示意图
光纤电流传感器
y
E
P
振动面偏转角仅与电流 I 有关
V L
I
J
设：
2 r
x
检偏器方向设置
➢ 载流导线中的电流 I＝0 时，线偏振光振动方向在检偏器
处的与y 轴平行，检偏器P（普通检偏器）的方位为φ；
➢ I≠0 时的方位为θ，在P上的投影（即光探测器的输出信号 强度）为J，则
自然光通过旋转的检偏器，光强不变
自然光
....
.
检偏器
双折射
各向异性介质中，一束入射光常有被分解为两束的现象
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。 o光（寻常光）：对于任意的入射角，其入射角的正弦与
折射角的正弦值比为一常数（即通常所说的折射率）； e光（非寻常光）：若其入射角的正弦与折射角的正弦值
Kerr二次电光效应
克尔效应（Kerr effect）(1875年)
➢ 克尔盒内充某种液体，如硝基本（C6H5NO2）
➢ 不加电场→液体各向同性→P2不透光 P1P2
➢ 加外电场→液体呈单轴晶体性质，光轴平行
透光
E
P2
Kerr盒
+
45 P1
P2 45
ne no kE2
k
2
ne no
对自然旋光物质，光顺磁场与逆磁场方向传播， 其振动面旋向相反。
入射光
右旋
反射光
左旋
反射镜
B
反射镜
B
磁旋光物质－光顺磁场与逆磁场方向传播， 其振动面旋向相同。
法拉第效应的应用 P
B M
··
隔离器 45 2 90
··
应用很广泛：
磁致旋光物质
➢ 研究物质结构：结构不同-其碳氢化合物的法拉第 旋转效应也不同
➢ 圆偏振光、椭圆偏振光 ➢ 部分偏振光、全偏振光
偏振调制传感器
➢ 常用：电光、磁光、光弹等物理效应进行调制。 ➢ 注：光的振动方向通常是指电场矢量 E的方向
偏振光通过旋转的检偏器， 光强发生变化
自然光
....
线偏振光 .
起偏器
检偏器
偏振光通过旋转的检偏器， 光强发生变化
自然光
....
线偏振光 .
光源 起偏器 电光晶体 检偏器 信号处理
系统结构
I
1
sin
El
U*
V /mV
光强
电光40 转换
t
信
2 0
号
双芯光缆
处 理
0 0.5
光电转换
光强
1.0 E /(kV·cm-1) t
电流导线
电子式光纤电流互感器
Rogowski Ring 电流母线I
DC电 源
A/D 调制器
探测器 光源 光纤
缺点：如硝基苯有毒，易爆炸，需极高纯度和高电 压，故现在很少用。
光纤电压传感器
输入激光 起 偏 光 纤
电场
保偏光纤
晶体
输出至 分束器和探测 器
（a）
（b）
旋光效应
晶体和溶液的旋光性
➢ 单轴晶体（如P1方解石石英）晶片 光线沿检偏光器轴传播时不 发生双折射(o光和e的传播方向和波速都一样)
➢ 垂直于光轴切割出一块平行平面晶片P2从偏振 片有I改透变出，来起在的偏偏线器振偏片振c I光I之经c后过仍此然晶消片光时。偏振状态没
偏振调制型光纤传感器
Lecture 8-9
内容提要
偏振、双折射与波片
偏振调制和偏振干涉
Pockles电光效应
OCT
旋光效应（法拉第磁光效应）
Kerr效应
OVT
偏振光的干涉与光纤偏振干涉仪
光弹效应
压力、水声
偏振与偏振调制
概念：
➢ 线偏振光
振动面（E×K ） 偏振面：包含k、垂直于振动面
➢ 人工方法产生旋光性法拉第旋转 （Faraday rotation）
➢ 1846年,法拉第发现
应用
➢ 隔离器－非互易性即只允许光 从一个方向通过，而不能从反方 向通过的光阀门。在激光的多级 放大装置中
磁光材料
➢ 水、二硫化碳、食盐、乙醇等都 是磁致旋光物质
入射光
左旋
反
反射光
左旋
射 镜
反 射 镜
J E2 cos2 ( ) E2 1 cos(2 2 )
2
➢ 在θ＝0，φ ＝±45º时，检测灵敏度最高
J E2 1 sin( 2 )
2
sin( 2 ) 2
NxtPhase
OVT进行-18℃的测试。
（a）
（b）
BSO晶体光纤电场传感器
BSO晶体
➢ 同时具有电光Pockels效应和磁光Faraday效 应；且其温度系数较小
自然光
....
.
检偏器
自然光通过旋转的检偏器，光强不变
自然光
....
.
检偏器
自然光通过旋转的检偏器，光强不变自然光.. Nhomakorabea..
检偏器
自然光通过旋转的检偏器，光强不变
自然光
....
.
检偏器
自然光通过旋转的检偏器，光强不变
自然光
....
.
检偏器
自然光通过旋转的检偏器，光强不变
自然光
....
.
检偏器
比随入射角而变化。
o光和e光示意图
双折射晶体
o光 e光
下图是不同的相位差对应的偏振态
0
4
2
3
4
5
4
2
7
4
2
Pockels 效应（一次电光效应）
线性电光效应 晶体中，两正交的偏振光的相位变化为：
Pockels效应
单晶电光材料
➢ 磷酸二氢钾（KH2PO4，简称KDP）
起偏器
检偏器
偏振光通过旋转的检偏器， 光强发生变化
自然光
....
线偏振光
.
起偏器
检偏器
偏振光通过旋转的检偏器， 光强发生变化
自然光
....
线偏振光
.
起偏器
检偏器
偏振光通过旋转的检偏器， 光强发生变化
自然光
....
线偏振光
.
起偏器
检偏器
两偏振片的偏振化方向相互垂直 光强为零
自然光通过旋转的检偏器，光强不变
➢ 测电流和磁场：在电工测量中，用来测电流和磁 场，特别可制造用于测量超高压电网电流的光纤 电流传感器
➢ 磁光调制：光通信技术中，应用磁致旋光效应， 使信号电流产生的光振动面旋转，转化为光的强 度变化，这就是磁光调制
应用：光纤电流传感器
强度H的磁场中
H I
2 r
I
激光器
起偏器
光纤
显微物镜 光探测器