偏振态调制型光纤传感器

偏振态调制型光纤传感器是利用光偏振态的变化传递被测对象的信息。许多物理效应可以对光的偏振态产生影响，例如普克尔效应、克尔效应、法拉第效应和光弹效应等。根据这些原理，可以利用光纤偏振调制技术实现对温度、压力、振动、机械形变、电流和电场等的检测。

8.4.1 普克尔效应

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普克尔效应。由理论推导得到，当各向异性晶体两端设有电极，电极上施加有电场，而外加电场平行于通光方向时，晶体折射率的变化Δn与电场强度E的关系如下：

式中：n0为晶体的寻常光折射率；γ63为各向异性晶体在纵向应用时的光电系数。

此时，有两正交的平面偏振光穿过厚度为L的晶体，其光程差为

式中：U为加在晶体上的纵向电压，U＝EL。

知道光程差后，就可以计算相位差φ：

由式（8－29）可以计算相位差为π时的半波电压Uλ／2：

式（8－27）至式（8－30）即为利用普克尔效应实现光偏振态调制型光纤传感器的基本公式。此时所用的光纤为各向异性光纤。

8.4.2 克尔效应

克尔效应又称平方电光效应，它发生在各向同性的透明材质中。当有外加电场作用时，各向同性物质的光学性质发生变化，变成具有双折射的各向异性物质，并且与单轴晶体的情况相同，此即克尔效应。设no和ne分别为物质在外加电场后的寻常光折射率和非常光折射率，则当外加电场方向与光传播方向垂直时，有关系式

ne－no＝λ0kE2 　（8－31）

式中：k为克尔常数。

根据式（8－31），即可得到利用克尔效应制作的各向同性光纤中由感生双折射引起的两偏振光波的光程差、相位差及半波电压，分别为

式中：U为外加电压；l为光纤长度；d为两极间距离。

而接收透射光强度I则可表示为

8.4.3 法拉第效应

物质在磁场作用下可以改变穿过它的平面偏振光的偏振方向，这种现象称为磁致旋光效应或法拉第效应。法拉第效应导致平面偏振光的偏振面旋转，旋转方向只与外磁场方向有关，而与光线的传播方向无关。它与旋光性旋转不同。对于旋光性旋转，光线正、反两次通过旋光性材料后总的旋转角度为零，而法拉第效应中旋转总角度是一次旋转的2倍。

当一个以琼斯矢量表示的入射平面偏振光，经过一外加磁场后输出的偏振光为

旋转角θ和相位延迟φ分别为

式中：nr、nl分别为右旋、左旋圆偏振光的折射率；l为光通过的路程。

利用法拉第效应，对光纤中传播的光的偏振态进行调制，可实现对磁场、电流等的检测。

8.4.4 光弹效应

力学形变时材料会变成各向异性，由此产生双折射现象。物质的等效光轴在应力的方向上所感生双折射的大小正比于应力，这就是光弹效应。利用均匀压力场可以使光纤中光的纯相位发生变化，构成干涉型光纤压力、位移等传感器；而利用各向异性压力场引起的光弹效应下的感应线性双折射进行调制，可构成非干涉型的光纤压力、应变传感器。应用光弹效应的光纤压力传感器上的接收光强为

式中：σ为应力；σπ为半波应力，对于非晶体材料，有σπ＝λ0／（pl），其中p是光纤有效光弹系数（也称弹光系数），l是光纤长度。