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第1章:光纤传感中的光学原理及效应
1.1光学反射原理
分为镜面反射和漫反射
基于反射原理的光纤传感器结构简单、工作可靠、成本低廉。主要应用于位移测量,振动测量,压力测量,浓度测量和液位测量。
1.2光学折射原理
1.3光学吸收原理
选择吸收:介质对某些波长的光的吸收特别显著
郎伯比尔(Lambert-Beer)定律:
Lambert-Beer定律是吸收光度法的基本定律,表示物质对某一单色光吸收的强弱与吸光物质浓度和厚度间的关系。
当气体浓度、光程均很小的时候,可以近似为:
1.4光学多普勒效应
雷达测速仪 检查机动车速度的雷达测速仪也是利用这种多普勒效应。交通警向行进中的车辆发射频率已知的电磁波,通常是红外线,同时测量反射波的频率,根据反射波频率变化的多少就能知道车辆的速度.装有多普勒测速仪的警车有时就停在公路旁,在测速的同时把车辆牌号拍摄下来,并把测得的速度自动打印在照片上。
1.5声光效应
超声波通过介质时会造成介质的局部压缩和伸长而产生弹性应变,该应变随时间和空间作周期性变化,使介质出现疏密相间的现象,如同一个相位光栅 。当光通过这一受到超声波扰动的介质时就会发生衍射现象,这种现象称之为声光效应。
利用声光衍射效应制成的器件,称为声光器件。声光器件能快速有效地控制激光束的强度、方向和频率,还可把电信号实时转换 为光信号。此外,声光衍射还是探测材料声学性质的主要手段。
主要用途有:制作声光调制器件,制作声光偏转器件,声光调Q开关,可调谐滤光器,在光信号处理和集成光通讯方面的应用。
1.6磁光效应
具有固有磁矩的物质在外磁场的作用下,电磁特性发生变化,因而使得光波在其内部传输特性也发生变化的现象。
A、法拉第效应:当线偏振光沿磁场方向通过置于磁场中的磁光介质时,其偏振面发生旋转的现象,对于给定的介质,偏振面旋转角度=介质长度×磁场强度×维厄德系数
B、磁光克尔效应:指一束线偏振光在磁化了的介质表面反射时,反射光将是椭圆偏振光,而且以椭圆的长轴为标志的“偏振面”相对于入射偏振光的偏振面旋转了一定的角度。
分类:
①极化克尔效应,即磁化强度M与介质表面垂直时的克尔效应,应用于磁光存储技术中
②横向克尔效应:M既平行于介质表面,但垂直于光的入射面
③纵向克尔效应:M既平行于介质表面,又平行于光的入射面
C、磁致线双折射效应:某些由各向异性分子组成的介质,在不加磁场时表现为各向同性,加上足够强的外磁场时,分子磁矩受到了力的作用,各分子对外磁场有了一定的取向,使介质宏观上呈现各向异性,当光以不同于磁场方向通过这样的介质时,就会出现双折射现象。
1.7电光效应
电光效应:指某些晶体的折射率因外加电场而发生变化的一种效应,当光波通过此介质时,其传输特性就受到影响而改变。
(6-3)
在上式中,
aE是一次项,由该项引起的折射率变化,称为线性电光效应或泡克耳斯(Pockels)效应;bE2是二次项,由该项引起的折射率变化,称为二次电光效应或克尔(Kerr)效应。
对于大多数晶体,一次电光效应要比二次效应显著,可略去二次项。
但是在具有对称中心的晶体中,不存在一次电光产效应。
电光效应已被广泛用来实现对光波的控制,并做成光调制器、光偏转器和电光滤波器件等。
1.8弹光效应
由机械应力引起的材料折射率变化的现象称为弹光效应(Elasto-Optical Effect)。由于沿应力方向发生折射率变化,原来同性材料也可变成各向异性,即折射率椭球发生变化,而呈现双折射。因此,对弹光物质通光和施加应力时,由于应力和与应力垂直的方向上产生位相差,故可以利用这种效应制作位移、振动和压力等光学传感器。
1.9光声效应
激光光束照射到固体表面或气体和液体中,会与被照射物质相互作用产生一定强度和频率的声波,这就是光声效应。光声效应作为固体物质表面检测和物质成分含量分析的有效手段,已经广泛应用于物理、化学、医学、海洋、环境和材料等研究领域,有着广阔的发展前景。同样,光声效应也可以应用于气体和液体的成分含量的检测。
第2章:光纤传感原理及应用技术
2.1相位调制型光纤传感器技术
相位调制型光纤传感器的基本传感机理是:通过被测能量场的作用,使光纤内传播的光波相位发生变化,再利用干涉测量技术把相位变化转换为光强变化,从而检测出待测的物理量。光纤中光波的相位,一方面由光纤的物理长度、折射率及其分布、波导横向几何尺寸所决定。一般来说,应力、应变、温度等外界物理量能直接改变上述三个波导参数,从而产生相位变化,实现光波的相位调制。另一方面也可以由Sagnac效应产生。
光相干条件
两列光波叠加在一起能产生干涉现象,但并非任意两列光波相遇都能产生
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