Датчики на основе поляризиции света

Рассмотрим датчики, в которых используется модуляция измеряемым объектом поляризации света. Типичные примеры: датчик магнитного поля на основе эффекта Фарадея, датчик электрического поля на основе эффекта Поккельса, датчик давления на основе эффекта фотоупругости.

Датчик магнитного поля

Эффект Фарадея. Этот эффект заключается в том, что под воздействием магнитного поля, вектор напряженности которого совпадает с направлением света, наблюдается поворот плоскости поляризации света, проходящего через вещество. Угол фарадеевского вращения φ_F при напряженности магнитного поля H, длине светового пути в веществе L выражается как

.

Здесь величина V_r,называемая постоянной Верде, характеризует активность эффекта Фарадея для данного вещества.

На рис. 22.5 приведена структурная схема датчика магнитного поля.

Световые лучи передаются от источника (обычно светодиода) в светочувствительную часть датчика с помощью многомодового оптического волокна. В чувствительной части световая волна с линейной поляризацией попадает через поляризатор в элемент Фарадея, где под воздействием магнитного поля происходит поворот плоскости поляризации. Значение угла поворота φ_F преобразуется анализатором в значение интенсивности света, и далее свет передается оптическим волокном в светоприемное устройство. Если установить угол между поляризатором и анализатором 45°, то мощность света, падающего на поверхность детектора (обычно p-i-n-фотодиода):

,…………………………………(22.1)

где Р_о - мощность света при отсутствии магнитного поля.

Как видно из (22.1), магнитное поле можно измерять по электрическому сигналу детектора. Для компенсации дрейфа измеряемого сигнала при переменном магнитном поле используется преобразование «переменный ток - постоянный ток», а при постоянном поле - метод двух выходных световых лучей .

Датчики электрического поля

Датчик на основе эффекта Поккельса.Среди кристаллов имеются такие, в которых одному направлению распространения света соответствуют две моды с линейной поляризацией. В этих кристаллах коэффициент преломления для направления поляризации каждой моды (для главных осей) изменяется пропорционально напряженности приложенного электрического поля. Это явление называется эффектом Поккельса или, иначе, электрооптическим эффектом первого порядка. Благодаря приложенному электрическому полю возникает двойное лучепреломление.

На рис. 22.6, а представлена общая схема датчика электрического поля с продольной модуляцией (с вектором напряженности электрического поля, параллельным направлению передачи световой волны), а на рис. 22.6, б - схема с поперечной модуляцией (вектор напряженности перпендикулярен направлению передачи).

На рис. 22.6, в показано изменение состояния поляризации в датчике. Поляризаторы при обоих видах модуляции расположены так, чтобы плоскость поляризации входящей линейно поляризованной световой волны была под углом 45° по отношению к двум главным осям элемента Поккельса. Если на элемент Поккельса воздействовать электрическим полем, то на выходной торцевой поверхности элемента между составляющими напряженности вдоль двух главных осей появится разность фаз δ.

Если между модами света с линейной поляризацией возникает разность фаз δ, то световая волна на выходе элемента Поккельса, как показано на рис. 22.6, в,имеет круговую поляризацию. Расположенная после элемента Поккельса четвертьволновая пластина преобразует входящие в нее световые волны с круговой поляризацией в световые волны с линейной поляризацией.

С выхода четвертьволновой пластины свет поступает на анализатор, которым модуляция по поляризации преобразуется в модуляцию по интенсивности. При этом световая мощность оценивается световым детектором. По измеренному значению световой мощности можно определить приложенное напряжение U_вx.