学习情境五：偏振态调制型光纤传感器

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1、光纤光缆制备电信学院光电子技术专业主讲：张森光电子技术专业-国家重点建设示范性专业光纤传感器及应用学习情境五：偏振态调制型光纤传感器★了解光纤偏振控制器的应用★了解光纤偏振干涉仪★了解光纤电流传感器★掌握偏振态调制效应★掌握偏振态调制原理一、学习目标二、学习内容5.1偏振态调制原理偏振调制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而且调整方便。5.2偏振态调制效应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

2、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。光纤传感器及应用光电子技术专业-国家重点建设示范性专业Pockels效应各向异性晶体中的Pockels效应是一种重要的电光效应。当强电场施加于光正在穿行的各项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Pockels效应。Pockels效应使晶体的双折射性质发生改变，这种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：（5-1）光纤传感器

3、及应用光电子技术专业-国家重点建设示范性专业对于双轴晶体，主折射率n1≠n2≠n3；对于单轴晶体，主折射率n1=n2=no，n3=ne。no为寻常光折射率，ne非寻常光折射率。晶体的两端设有电极，并在两极间加一个电场。外加电场平行于通光方向，这种运用称为纵向运用，或称为纵向调制。对于KDP类晶体，晶体折射率的变化△n与电场E的关系由下式给定式中：γ63是KDP晶体的纵向电光系数。（5-2）光纤传感器及应用光电子技术专业-国家重点建设示范性专业两正交的平面偏振光穿过厚度为l的晶体后，光程差为（5-3）当折射率变化所引

4、起的相位变化为π时，称此电压为半波电压Uλ/2，并有（5-4）式中：U=El是加在晶体上的纵向电压。光纤传感器及应用光电子技术专业-国家重点建设示范性专业表5-1列出了几种晶体的电光系数、寻常光折射率的近似值和根据式（5-5）算得的半波电压值。材料Γ63（10-12m·s-1）no（近似值）Uλ/2（kV）ADP（NH4H2PO4）8.51.529.2KDP（KH2PO4）10.61.517.6KDA（KH2AsO4）～13.01.57～6.2KDP（KD2PO4）～23.31.52～3.4表5-1几种晶体的γ63、

5、no、Uλ/2数值（室温、λ0=546.1nm）光纤传感器及应用光电子技术专业-国家重点建设示范性专业应当注意，不死所有的晶体都具有电光效应。理论证明，只有那些不具备中心对称的晶体才有电光效应。图5-1是利用Pockels效应的光纤电压传感器示意图。光纤传感器及应用光电子技术专业-国家重点建设示范性专业晶体中两正交的平面偏振光由于电光效应产生的相位差为：（5-5）晶体的通光方向垂直于外加电场时产生的电光效应称为横向电光效应。晶体中两正交的平面偏振光由于电光效应产生的相位差为式中：γc是有效电光系数；l是光传

6、播方向的晶体长度；d是电场方向晶体的厚度。（5-6）光纤传感器及应用光电子技术专业-国家重点建设示范性专业晶体的半波电压Uλ/2为晶体的半波电压Uλ/2与晶体的集合尺寸有关。通过适当地调整电光晶体的d/l比值（纵横比）可以降低半波电压的数值，这是横向调制的一大优点。同样，也可以利用横向电光效应构成光纤电压传感器。（5-7）光纤传感器及应用光电子技术专业-国家重点建设示范性专业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

7、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分别为介质在外加场下的寻常光折射率和非寻常光折射率。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寻常光折射率与外加电场E的关系为：（5-8）式中：k是克尔常数。Kerr效应光纤传感器及应用光电子技术专业-国家重点建设示范性专业在大多数情况下，ne-no＞0（k为正值），即介质具有正单轴晶体的性质。表5-2列出了一些液体的克尔常数。表5-2一些液体的克尔常数名称k（300×10-7cm·V-2）苯（C6H6）0.6二硫化碳（CS

8、2）3.2氯仿（CHCl3）-3.5水（H2O）4.7硝基甲苯（C5H7NO2）123硝基苯（C6H5NO2）220注：20℃时，λ0=589.3nm。光纤传感器及应用光电子技术专业-国家重点建设示范性专业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10MHz。因此，它可以制成高速的克尔调制器或克尔光闸。图