第1章第2節(jié)光學(xué)基礎(chǔ)

1、第一章 光電信息技術(shù)物理基礎(chǔ)第二節(jié)光學(xué)基礎(chǔ) 光電轉(zhuǎn)換器件：光電轉(zhuǎn)換器件：是是指把光能（可見光或不可見光）的指把光能（可見光或不可見光）的變化轉(zhuǎn)換為電量（電阻、電流、電壓等）變化的器件。變化轉(zhuǎn)換為電量（電阻、電流、電壓等）變化的器件。 光電傳感器：用一個(gè)或幾個(gè)光電器件把欲測(cè)的物理量光電傳感器：用一個(gè)或幾個(gè)光電器件把欲測(cè)的物理量（長(zhǎng)度、寬度、直徑、壓力、轉(zhuǎn)矩、溫度、溶液濃度等）（長(zhǎng)度、寬度、直徑、壓力、轉(zhuǎn)矩、溫度、溶液濃度等）轉(zhuǎn)換成電量的裝置。轉(zhuǎn)換成電量的裝置。 光電測(cè)控系統(tǒng)：是指包含光電傳感器的測(cè)控系統(tǒng)。光電測(cè)控系統(tǒng)：是指包含光電傳感器的測(cè)控系統(tǒng)。調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)對(duì)象對(duì)象光電傳光電傳感器感器比較比較器器

2、放大放大器器執(zhí)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)參考值參考值調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)對(duì)象對(duì)象1.2.3 光調(diào)制光調(diào)制 光調(diào)制指的是使光信號(hào)的一個(gè)或幾個(gè)特征參量按被傳光調(diào)制指的是使光信號(hào)的一個(gè)或幾個(gè)特征參量按被傳送信息的特征變化，以實(shí)現(xiàn)信息檢測(cè)傳送目的的方法。送信息的特征變化，以實(shí)現(xiàn)信息檢測(cè)傳送目的的方法。 光調(diào)制光調(diào)制的目的：的目的：去背景信號(hào)去背景信號(hào)去噪聲去噪聲抗干擾抗干擾 調(diào)制類型：調(diào)制類型：強(qiáng)度調(diào)制強(qiáng)度調(diào)制相位調(diào)制相位調(diào)制偏振調(diào)制偏振調(diào)制頻率和波長(zhǎng)調(diào)制。頻率和波長(zhǎng)調(diào)制。一、光強(qiáng)度調(diào)制一、光強(qiáng)度調(diào)制 光強(qiáng)度調(diào)制是以光的強(qiáng)度作為調(diào)制對(duì)象，利用外光強(qiáng)度調(diào)制是以光的強(qiáng)度作為調(diào)制對(duì)象，利用外界因素使待測(cè)的直流或緩慢變化的光信號(hào)轉(zhuǎn)換

3、成以某一較界因素使待測(cè)的直流或緩慢變化的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成以某一較快頻率變化的光信號(hào)，這樣，就可采用交流選頻放大器放快頻率變化的光信號(hào)，這樣，就可采用交流選頻放大器放大，然后把待測(cè)的量連續(xù)測(cè)量出來。大，然后把待測(cè)的量連續(xù)測(cè)量出來。1 1、調(diào)制盤、調(diào)制盤（斬波器斬波器） 在圓形板上由透明和不透明的扇形區(qū)構(gòu)成。在圓形板上由透明和不透明的扇形區(qū)構(gòu)成。 當(dāng)盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過盤的光脈沖周期性的變化，光脈沖當(dāng)盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過盤的光脈沖周期性的變化，光脈沖的形狀決定于扇形尺寸和光源在盤上的像的大小和形狀。的形狀決定于扇形尺寸和光源在盤上的像的大小和形狀。 圖1.2.3-1a 調(diào)制盤 應(yīng)用：空空導(dǎo)彈空空導(dǎo)彈位標(biāo)器1: 1

4、: 線光源線光源2: 2: 圓筒圓筒3: 3: 狹縫狹縫4: 4: 縫隙光闌縫隙光闌圖圖1.2.3-1b 1.2.3-1b 調(diào)制線光調(diào)制線光源源2 2、利用電磁感應(yīng)的機(jī)械調(diào)制、利用電磁感應(yīng)的機(jī)械調(diào)制 如如圖所示是一種電磁感應(yīng)的機(jī)械調(diào)制原理圖圖所示是一種電磁感應(yīng)的機(jī)械調(diào)制原理圖圖1.2.3-3 受抑全反射調(diào)制器現(xiàn)象：現(xiàn)象：在交變電壓作用下，壓電晶體周期性的變形，使入射光束分解在交變電壓作用下，壓電晶體周期性的變形，使入射光束分解 為兩束相互垂直相位相反的調(diào)制光。為兩束相互垂直相位相反的調(diào)制光。3 3、受抑全反射調(diào)制器、受抑全反射調(diào)制器4 4、正弦波形調(diào)制器正弦波形調(diào)制器 如如圖所示是一種圖所示是

5、一種旋轉(zhuǎn)葉片正弦調(diào)制器旋轉(zhuǎn)葉片正弦調(diào)制器原理圖原理圖2h2h 利用外界因素改變光波的相位，通過檢測(cè)相位利用外界因素改變光波的相位，通過檢測(cè)相位變化來測(cè)量物理量的原理稱為光相位調(diào)制。變化來測(cè)量物理量的原理稱為光相位調(diào)制。 光波的相位由光傳播的物理長(zhǎng)度、傳播介質(zhì)的光波的相位由光傳播的物理長(zhǎng)度、傳播介質(zhì)的折射率及其分布等參數(shù)決定，也就是說改變上述參量即折射率及其分布等參數(shù)決定，也就是說改變上述參量即可產(chǎn)生光波相位的變化，實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制?？僧a(chǎn)生光波相位的變化，實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制。 由于由于光探測(cè)器光探測(cè)器一般一般都不能感知光波相位的變化，都不能感知光波相位的變化，必須采用光的干涉技術(shù)將相位變化轉(zhuǎn)變?yōu)楣鈴?qiáng)變化，

6、才必須采用光的干涉技術(shù)將相位變化轉(zhuǎn)變?yōu)楣鈴?qiáng)變化，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)外界物理量的檢測(cè)，因此，光相位調(diào)制應(yīng)包括能實(shí)現(xiàn)對(duì)外界物理量的檢測(cè)，因此，光相位調(diào)制應(yīng)包括兩部分兩部分：一是產(chǎn)生光波相位變化的物理機(jī)理；二是光的一是產(chǎn)生光波相位變化的物理機(jī)理；二是光的干涉。干涉。 二、二、光相位調(diào)制光相位調(diào)制圖1.2.3-6 干涉調(diào)制原理1 1、利用干涉現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)光相位調(diào)制、利用干涉現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)光相位調(diào)制 三、三、光偏振調(diào)制光偏振調(diào)制 利用偏振光振動(dòng)面旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)光調(diào)制最簡(jiǎn)單的方法是利用偏振光振動(dòng)面旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)光調(diào)制最簡(jiǎn)單的方法是用兩塊偏振器相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，按馬呂斯定理，輸出光強(qiáng)為用兩塊偏振器相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，按馬呂斯定理，輸出光強(qiáng)為 I I0

7、 0：兩偏振器主平面一致時(shí)所通過的光強(qiáng)；兩偏振器主平面一致時(shí)所通過的光強(qiáng)； ：兩偏振器主平面間的夾角。兩偏振器主平面間的夾角。20cosII 1 1、采用電光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的光偏振調(diào)制、采用電光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的光偏振調(diào)制 電光效應(yīng)指的是介質(zhì)或晶體在電場(chǎng)作用下，其光學(xué)性質(zhì)發(fā)電光效應(yīng)指的是介質(zhì)或晶體在電場(chǎng)作用下，其光學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化的各種現(xiàn)象。電光效應(yīng)方面主要以電致旋光效應(yīng)、克爾效應(yīng)生變化的各種現(xiàn)象。電光效應(yīng)方面主要以電致旋光效應(yīng)、克爾效應(yīng)和泡克耳效應(yīng)來獲得光偏振調(diào)制。和泡克耳效應(yīng)來獲得光偏振調(diào)制。（1）利用電致旋光效應(yīng)的光偏振調(diào)制）利用電致旋光效應(yīng)的光偏振調(diào)制123451：光源；：光源；2：準(zhǔn)直鏡；：準(zhǔn)直鏡；

8、 3：起偏器；：起偏器；4：石英晶體；：石英晶體；5：檢偏器；：檢偏器；（2）利用克爾效應(yīng)的光偏振調(diào)制）利用克爾效應(yīng)的光偏振調(diào)制 克爾效應(yīng)指的是某些各向同性的介質(zhì)在電場(chǎng)的作用下變成各克爾效應(yīng)指的是某些各向同性的介質(zhì)在電場(chǎng)的作用下變成各向異性，光束通過將會(huì)產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象。向異性，光束通過將會(huì)產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象。 雙折射現(xiàn)象：入射光正入射到晶體的表面，發(fā)現(xiàn)光束分解成雙折射現(xiàn)象：入射光正入射到晶體的表面，發(fā)現(xiàn)光束分解成兩束，一束在晶體中沿原來的方向傳播，叫尋常光兩束，一束在晶體中沿原來的方向傳播，叫尋常光(簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱o光光)，另，另一束偏離了原來的方向，叫非常光一束偏離了原來的方向，叫非常光(簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱e光

9、光)。但當(dāng)光線沿著晶體。但當(dāng)光線沿著晶體的光軸傳播時(shí)，的光軸傳播時(shí)，o光和光和e光不分開。光不分開。1：?jiǎn)紊庠?；：?jiǎn)紊庠矗?：透鏡；：透鏡； 3：起偏器；：起偏器；4：克爾電容器；：克爾電容器；5：檢偏器；：檢偏器；12345E+（3）利用泡克耳效應(yīng)的光偏振調(diào)制）利用泡克耳效應(yīng)的光偏振調(diào)制 如圖所示，在起偏器如圖所示，在起偏器3和檢偏器和檢偏器5之間放置壓電晶體磷酸二之間放置壓電晶體磷酸二氫鉀（氫鉀（KDP）晶體）晶體2，光沿著晶體光軸，光沿著晶體光軸Z的方向進(jìn)入晶體是不會(huì)的方向進(jìn)入晶體是不會(huì)分成兩束的。但如果沿著光軸的方向加上電場(chǎng)，則光線就被分分成兩束的。但如果沿著光軸的方向加上電場(chǎng)，則

10、光線就被分成兩束光，這一現(xiàn)象就叫做泡克耳效應(yīng)。成兩束光，這一現(xiàn)象就叫做泡克耳效應(yīng)。1單色光源；單色光源； 2透鏡；透鏡； 3起偏器；起偏器； 4壓電晶體；壓電晶體； 5檢偏器；檢偏器；12345EZ2 2、采用磁光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的光偏振調(diào)制采用磁光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的光偏振調(diào)制 磁光效應(yīng)指的是介質(zhì)或晶體在磁場(chǎng)作用下，其光學(xué)性磁光效應(yīng)指的是介質(zhì)或晶體在磁場(chǎng)作用下，其光學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化的各種現(xiàn)象。目前在磁光效應(yīng)方面，主要是利質(zhì)發(fā)生變化的各種現(xiàn)象。目前在磁光效應(yīng)方面，主要是利用用“法拉第法拉第”旋光效應(yīng)和科登旋光效應(yīng)和科登穆頓效應(yīng)來獲得光偏振調(diào)穆頓效應(yīng)來獲得光偏振調(diào)制。制。（1）利用）利用“法拉第法拉第”旋光效應(yīng)旋光

11、效應(yīng)產(chǎn)生產(chǎn)生光偏振調(diào)制光偏振調(diào)制 “法拉第法拉第”旋光效應(yīng)旋光效應(yīng)指的是某些物質(zhì)在磁場(chǎng)的作用下指的是某些物質(zhì)在磁場(chǎng)的作用下，能使通過該物質(zhì)的偏振光振動(dòng)面產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。，能使通過該物質(zhì)的偏振光振動(dòng)面產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。P1P2J線圈線圈四、頻率和波長(zhǎng)調(diào)制四、頻率和波長(zhǎng)調(diào)制 利用外界因素改變光的頻率或光的波長(zhǎng)，通過檢測(cè)光的頻率利用外界因素改變光的頻率或光的波長(zhǎng)，通過檢測(cè)光的頻率或光的波長(zhǎng)的變化來測(cè)量外界的物理量的原理，稱為光的頻率和或光的波長(zhǎng)的變化來測(cè)量外界的物理量的原理，稱為光的頻率和波長(zhǎng)調(diào)制。波長(zhǎng)調(diào)制。1 1、頻率調(diào)制、頻率調(diào)制 光的頻率調(diào)制，主要是指光學(xué)多普勒頻移。光學(xué)中的多普勒光的頻率調(diào)制，

12、主要是指光學(xué)多普勒頻移。光學(xué)中的多普勒現(xiàn)象是指由于觀測(cè)者和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使觀測(cè)者接收到的現(xiàn)象是指由于觀測(cè)者和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使觀測(cè)者接收到的光波頻率產(chǎn)生變化的現(xiàn)象。光波頻率產(chǎn)生變化的現(xiàn)象。S SP PQ QB B21圖1.2.3-16 多普勒頻移S SP PQ QB B21圖圖1.2.3-16 1.2.3-16 多普勒頻移多普勒頻移則則近似地求雙重多普勒頻移表達(dá)式近似地求雙重多普勒頻移表達(dá)式為：為：)cos1(1122cVcV)cos1/(1222cVcV)cos(cos1 21cV2sincos22sincos2VcV光源光源S S發(fā)出頻率為發(fā)出頻率為的光的光，P P觀測(cè)到的頻率為

13、觀測(cè)到的頻率為：2/ )(),(2121令得得： 設(shè)一束散射光與另一束參考光的頻率分別為設(shè)一束散射光與另一束參考光的頻率分別為+和和，到達(dá)到達(dá)光電探測(cè)器表面的電場(chǎng)強(qiáng)度分別為光電探測(cè)器表面的電場(chǎng)強(qiáng)度分別為： )(2cos1011tEE2cos2022 EE)2cos()(2cos20210121EtEEEE 式中式中E E0101、E E0202為兩束光在光電探測(cè)器表面處的振幅為兩束光在光電探測(cè)器表面處的振幅；1 1、2 2為兩束光的初相。為兩束光的初相。 若兩束光為相干光，在光電探測(cè)器表面產(chǎn)生混頻，其合若兩束光為相干光，在光電探測(cè)器表面產(chǎn)生混頻，其合成的總電場(chǎng)強(qiáng)度為成的總電場(chǎng)強(qiáng)度為 對(duì)上式作三

14、角變換，略去光學(xué)頻率項(xiàng)，因?yàn)樵跈z測(cè)器輸對(duì)上式作三角變換，略去光學(xué)頻率項(xiàng)，因?yàn)樵跈z測(cè)器輸出中不能觀察到此頻率，所以檢測(cè)器輸出光信號(hào)為出中不能觀察到此頻率，所以檢測(cè)器輸出光信號(hào)為)t2cos(EBE)EE(B21) t ( i210201202201檢測(cè)器輸出的光信號(hào)檢測(cè)器輸出的光信號(hào)I(t)I(t)正比于總電場(chǎng)的平方正比于總電場(chǎng)的平方，即：，即：2)(BEti圖圖1.2.3-17 1.2.3-17 熱色物質(zhì)顏色變化的波長(zhǎng)調(diào)熱色物質(zhì)顏色變化的波長(zhǎng)調(diào)制制2 2、波長(zhǎng)調(diào)制、波長(zhǎng)調(diào)制（1 1）利用熱色物質(zhì)的顏色變化進(jìn)行波長(zhǎng)調(diào)制）利用熱色物質(zhì)的顏色變化進(jìn)行波長(zhǎng)調(diào)制圖圖1.2.3-19 1.2.3-19 黑體輻射的波長(zhǎng)調(diào)制黑體輻射的波長(zhǎng)調(diào)制該系統(tǒng)該系統(tǒng)不需要外加光源，而且簡(jiǎn)單的由探頭尖端（即黑體腔）不需要外加光源，而且簡(jiǎn)單的由探頭尖端（即黑體腔）收集黑體的光譜輻射，然后通過