光纤传感器的应用之一偏振调制型

偏振态调制型光纤传感器 　　　　
1 偏振态调制型传感原理
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
（1） 弹光效应
弹光效应又称光弹性效应或压光效应， 它是指当介质受到机械应力时其折射率将发生变化的现象。 原来是光学各向同性的介质可变成各向异性， 即折射率椭球发生变化， 故而呈现双折射。 通俗地讲， 弹光效应就是一束入射光常分解为两束折射光的现象。 　　设单轴晶体的主折射率ne对应于应力方向上振动的光的折射率， 主折射率no对应于垂直应力方向上振动的光的折射率， 这时弹光效应与压强p的关系式可表示为
no－ne=kp (6.1-1)式中， k是物质常数， no－ne是双折射率， 表征双折射性的大小， 此处也表征弹光效应的强弱。
若光波通过的材料厚度为l， 则获得的光程差为
　　　　　　Δ=（no－ne）l=kpl (6.1-2) 相应引起的相位差为 　　材料的弹光效应是应力或应变与折射率之间的耦合效应。 虽然弹光效应可以在一切透明介质中产生， 但实际上它最适于在耦合效率高或弹光效应强的介质中产生。 电致伸缩系数较大的透明介质应具有较大的弹光效应。
利用物质的弹光效应可以构成压力、 声、 振动、 位移等光纤传感器。 例如， 利用均匀压力场引起的纯相位变化进行调制就构成干涉型光纤压力、 位移等传感器中； 也可用各向异性压力场引起的感应线性双折射进行调制， 这就构成了非干涉型光纤压力、 应变传感器。 　　应用弹光效应的光纤压力传感器其受光元件上的光强由下式表示
（2） 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， 这称为线性电光效应， 或称Pockels效应。
Pockels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
（3）Kerr效应
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分别为介质在外加电场下的寻常光折射率和非常光折射率。 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常光折射率与外加电场E的关系为
ne－no=λ0kE2　 k是克尔常数。  　　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。　　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10 MHz。 因此， 它可以制成高速的克尔调制器或克尔光闸。 图6-1是克尔调制器装置图。 它由玻璃盒中安装的一对平板电极和电极间充满的极性液体构成， 也称为克尔盒。 将调制器放置在正交的偏振镜之间， 即让偏振镜的透光轴M、 N互相垂直， 并且M、 N与电场方向分别成±45°， 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， 克尔盒呈关闭状态。 　　当电极上加外电场时， 有光通过检偏镜， 克尔盒呈开启状态。 若在两极上加电压U， 则由感应双折射引起的两偏振光波的光程差为 图6-1 克尔调制器装置图 两光波间的相位差则为 式中， 半波电压Uλ/2可表示为
（4） Faraday效应
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。