光电检测技术第一章优秀课件.ppt

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1、光电检测技术第一章第1页，本讲稿共65页1.1 光和光的传播特性光和光的传播特性n光的波粒二象性：光的波粒二象性：波动性：光的干涉、光的衍射 粒子性：光的发射、吸收，光电效应等n平面波平面波 平面波 单色平面波n光偏振态光偏振态 椭圆偏振光 线偏振光 圆偏振光第2页，本讲稿共65页光的基本性质光的基本性质n牛顿牛顿微粒说微粒说n根据光直线传播现象，对反射和折射做了解释根据光直线传播现象，对反射和折射做了解释n不能解释较为复杂的光现象：干涉、衍射和偏振不能解释较为复杂的光现象：干涉、衍射和偏振n波动理论波动理论n惠更斯、杨氏和费涅耳等惠更斯、杨氏和费涅耳等n解释光的干涉和衍射现象解释光的干涉和衍

2、射现象n麦克斯韦电磁理论：光是一种电磁波麦克斯韦电磁理论：光是一种电磁波第3页，本讲稿共65页光的基本性质光的基本性质n光量子说光量子说n1900年普朗克在研究黑体辐射时，提出辐年普朗克在研究黑体辐射时，提出辐射的量子论射的量子论n1905年，爱因斯坦在解释光电发射现象时年，爱因斯坦在解释光电发射现象时提出光量子的概念提出光量子的概念n光子的能量与光的频率成正比光子的能量与光的频率成正比n光具有波粒二象性光具有波粒二象性第4页，本讲稿共65页光在光纤介质中的传播光在光纤介质中的传播n光纤全反射原理n光纤的结构n光纤的应用第5页，本讲稿共65页光纤的结构光纤的结构 第6页，本讲稿共65页光在光在

3、光纤中光纤中的全反射的全反射 第7页，本讲稿共65页光缆的外形光缆的外形及光纤的拉制及光纤的拉制 第8页，本讲稿共65页光纤的类型光纤的类型 阶跃型：阶跃型：光纤光纤纤纤芯芯的折射率分布各点均的折射率分布各点均 匀一致，称为多模光纤。匀一致，称为多模光纤。第9页，本讲稿共65页梯度型梯度型：梯度型光纤的的折射率呈聚焦型，即在轴线上折射梯度型光纤的的折射率呈聚焦型，即在轴线上折射率最大，离开轴线则逐步降低，至纤芯区的边沿时，率最大，离开轴线则逐步降低，至纤芯区的边沿时，降低到与包层区一样。降低到与包层区一样。第10页，本讲稿共65页单孔型光纤单孔型光纤 单孔型光纤的纤芯直径较小（数微米）接近于被

4、传输光单孔型光纤的纤芯直径较小（数微米）接近于被传输光波的波长，光以电磁场波的波长，光以电磁场“模模”的原理在纤芯中传导，的原理在纤芯中传导，能量损失很小，适宜于远距离传输。能量损失很小，适宜于远距离传输。第11页，本讲稿共65页斯乃尔定理 当光由光密物质出射至光疏物质时，发生折射当光由光密物质出射至光疏物质时，发生折射（a）折射角大于入射角：）折射角大于入射角：（b）临界状态：）临界状态：（c）全反射）全反射：第12页，本讲稿共65页光纤导光光纤导光 第13页，本讲稿共65页n0为入射光线为入射光线AB所在空间的折射率，一般皆为空气，故所在空间的折射率，一般皆为空气，故 n01第14页，本讲

5、稿共65页当当r=90的临界状态时，的临界状态时，Sin i定义为定义为“数值孔径数值孔径”NA（Numerical Aperture）相对折射率差相对折射率差 arcsinNA是一个临界角，是一个临界角，i arcsinNA，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失；，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失；i arcsinNA，光线才可以进入光纤被全反射传播。，光线才可以进入光纤被全反射传播。第15页，本讲稿共65页光导纤维的主要参数n1.数值孔径（NA）n2.光纤模式n3.传播损耗第16页，本讲稿共65页1.数值孔径（数值孔径（NA）n反映纤芯接收光量的多少，标志光纤接收性能。n意义：无论光源

6、发射功率有多大，只有2i张角之内的光功率能被光纤接受传播。大的数值孔径：有利于耦合效率的提高。但数值孔径太大，光信号畸变也越严重。第17页，本讲稿共65页2.光纤模式光纤模式n光波沿光导纤维传播的途径和方式在光导纤维中传播模式很多对信息的传输是不利的，导致合成信号的畸变，因此我们希望模式数量越少越好。阶跃型的圆筒波导内传播的模式数量表示为 希望希望V小：小：d不能太大，不能太大，n2与与n1之差很小之差很小 第18页，本讲稿共65页3.传播损耗传播损耗n损耗原因：光纤纤芯材料的吸收、散射，光纤弯曲处的辐射损耗等的影响 传播损耗（单位为传播损耗（单位为dB）式中式中,l光纤长度；光纤长度；a单位

7、长度的衰减；单位长度的衰减；I0光导纤维输入端光强；光导纤维输入端光强；I光导纤维输出端光强。光导纤维输出端光强。第19页，本讲稿共65页光纤液位传感器光纤液位传感器 第20页，本讲稿共65页1.2 光强度调制光强度调制 光调制指的是使光信号的一个或几个特征参量按被传送信光调制指的是使光信号的一个或几个特征参量按被传送信息的特征变化，以实现信息检测传送目的的方法。息的特征变化，以实现信息检测传送目的的方法。光调制可分为强度调制、相位调制、偏振调制、频率和波光调制可分为强度调制、相位调制、偏振调制、频率和波长调制。长调制。下面将分别介绍各种调制的原理和方法。下面将分别介绍各种调制的原理和方法。一

8、、光强度调制一、光强度调制 光强度调制是以光的强度作为调制对象，利用外界因素使待测光强度调制是以光的强度作为调制对象，利用外界因素使待测的直流或缓慢变化的光信号转换成以某一较快频率变化的光信号，的直流或缓慢变化的光信号转换成以某一较快频率变化的光信号，这样，就可采用交流选频放大器放大，然后把待测的量连续测量这样，就可采用交流选频放大器放大，然后把待测的量连续测量出来。出来。第21页，本讲稿共65页光强调制的基本方法光强调制的基本方法n辐射式 如自动门、辐射式温度计n反射式 测距、表面检测n遮挡式 位置n透射式 成份分析第22页，本讲稿共65页1.辐射式辐射式n调制原理利用测量与被测物理量对应的

9、辐射（功率，光谱分布等）。例如：被测物的温度与其辐射量的对应关系。被测物的温度、成分与其光谱分布的关系。物体的位置或有无。第23页，本讲稿共65页应用实例应用实例n自动门 检测元件原理光电检测元件热释电元件不感受不变的辐射原理n 报火警、侦查、跟踪、武器制导、地形地貌普查分析、光谱分析及太阳能利用等。第24页，本讲稿共65页n斯忒潘根据实验得出结论，物体的总的辐射出射度 与温度的四次方成正比。全辐射测温全辐射测温第25页，本讲稿共65页2.反射式反射式激光测距、激光制导、主动式夜视仪、电视摄像、文字判读激光测距、激光制导、主动式夜视仪、电视摄像、文字判读调制原理调制原理被测参数引起入射光的反射

10、来调制达到探测器的光强。被测参数引起入射光的反射来调制达到探测器的光强。反射光强是被测参数的函数。反射光强是被测参数的函数。对象对入射光的反射对象对入射光的反射位置检测位置检测对象的有无（镜面反射）对象的有无（镜面反射）对象表面状态（漫反射）对象表面状态（漫反射）被测参数对入射光的影响被测参数对入射光的影响对入射光的光强的要求对入射光的光强的要求定性的方法对光强的精度要求较低。定性的方法对光强的精度要求较低。定量的方法对光强的精度要求较严格。定量的方法对光强的精度要求较严格。应注意应注意入射光强的稳定（电源的稳定）入射光强的稳定（电源的稳定）测量方法测量方法第26页，本讲稿共65页例：检测产品

11、外观质量n设光电探测器的输出信号为：第27页，本讲稿共65页3.遮挡式遮挡式 调制原理调制原理 被测物体部分地或全部地遮挡或扫过入射到光电探测器的光束，被测物体部分地或全部地遮挡或扫过入射到光电探测器的光束，引起光电探测器输出信号的变化。引起光电探测器输出信号的变化。利用定性的方法利用定性的方法 是否到位是否到位 有无？有无？已知物体的运动速度，测量长度（运动中）已知物体的运动速度，测量长度（运动中）元件运动中的计数元件运动中的计数 光电开关光电开关 定量：定量：遮挡面积遮挡面积 在光纤传感器中，光纤的耦合效率在光纤传感器中，光纤的耦合效率 第28页，本讲稿共65页n设被测物体的宽度为设被测物

12、体的宽度为b，物体遮挡光的位移量为，物体遮挡光的位移量为 ，则物体遮挡，则物体遮挡入射光到光电探测器上的光的增量入射光到光电探测器上的光的增量A为：为：第29页，本讲稿共65页应用实例 光电测微计 光电投影尺寸检测仪 3.光电计数 4.光电测速 5.光电自动开关 6.防盗报警被测物体全部扫过入射光束，光电探测器的光通量会发生有无两种状态的变化，输出电信号的脉冲形式第30页，本讲稿共65页4.透射式透射式n 调制原理 朗伯-比尔定律 介质的吸收系数d第31页，本讲稿共65页应用实例n检测液体或气体的浓度n 检测透明薄膜的厚度和质量n 检测透明容器的缺陷n 测量胶片的密度第32页，本讲稿共65页

13、利利用用外外界界因因素素改改变变光光波波的的相相位位，通通过过检检测测相相位位变变化化来来测测量量物物理理量量的的原原理理称称为为光光相相位位调调制制。光光波波的的相相位位由由光光传传播播的的物物理理长长度度、传传播播介介质质的的折折射射率率及及其其分分布布等等参参数数决决定定，也也就就是是说说改改变变上上述述参参量量即即可可产产生生光光波波相相位位的的变变化化，实实现现相相位位调调制制。但但是是，目目前前市市场场上上的的各各类类光光探探测测器器都都是是不不能能感感知知光光波波相相位位的的变变化化，必必须须采采用用光光的的干干涉涉技技术术将将相相位位变变化化转转变变为为光光强强变变化化，才才能

14、能实实现现对对外外界界物物理理量量的的检检测测，因因此此，光光相相位位调调制制应应包包括括两两部部分分，一一是是产产生生光光波波相相位位变变化化的的物物理理机机理理；二二是是光光的的干干涉涉。1.3 光相位调制光相位调制第33页，本讲稿共65页图图1.2.3-6 干涉调制原理干涉调制原理1、利用干涉现象实现光相位调制、利用干涉现象实现光相位调制利用干涉现象调制的关键是对光程差或相位差进行调制。图1.2.3-6所示是利用迈克尔逊干涉仪附加压电晶体来完成光调制的原理图。第34页，本讲稿共65页2.光的衍射改变光的相位光的衍射改变光的相位n 惠更斯-菲涅尔定理n 菲涅尔半波带法n 夫琅和费衍射和菲涅

15、尔衍射第35页，本讲稿共65页1.4 光偏振调制光偏振调制n原理：利用外界因素（应力、磁场、电场等）可以改变特定光学媒质的传光特性，调制从中通过的光的偏振态（E矢量的方向等）。由偏振态的变化就可以测出相应的外界因素。n 应用：应力分布、物质成分分析、电场、磁场、电流测试与控制等方面。第36页，本讲稿共65页起偏器，起偏器，检偏器，检偏器，盛有液体旋光盛有液体旋光物质的管子物质的管子.偏振光通过某些物质后，其振动面偏振光通过某些物质后，其振动面将以光的传播方向为轴线转过将以光的传播方向为轴线转过 一定的角度一定的角度.旋光现象旋光现象 旋光物质旋光物质 能产生旋光现象的物质能产生旋光现象的物质.

16、（如石英（如石英晶体、糖溶液、酒石酸溶液等）晶体、糖溶液、酒石酸溶液等）旋光仪旋光仪观察偏振光振动面旋转的仪器观察偏振光振动面旋转的仪器.（一）旋光现象（一）旋光现象第37页，本讲稿共65页 旋光现象旋光现象1 1、物质的旋光性：、物质的旋光性：18111811年实验物理学家阿喇果发现，年实验物理学家阿喇果发现，线偏振光通过某些透明物质时，线偏振光通过某些透明物质时，其偏振面将旋转一定的角度。其偏振面将旋转一定的角度。d偏振片偏振片2偏振化方向偏振化方向 单色单色自然光自然光偏振片偏振片1偏振化方向偏振化方向光轴方向光轴方向P P2 2P P2 2石英晶片石英晶片(不产生双折射不产生双折射)（

17、原消光）（原消光）（现消光）（现消光）第38页，本讲稿共65页 对于旋光性物质的对于旋光性物质的溶液溶液 设设 为偏振光通过旋光物质后振动面所转过为偏振光通过旋光物质后振动面所转过 的角度的角度为旋光物质的浓度为旋光物质的浓度为旋光物质的透光长度为旋光物质的透光长度为一与旋光物质有关的为一与旋光物质有关的常量常量 对于对于固体固体旋光物质旋光物质 为一与旋光物质及入射光的波长有关的有关的常量为一与旋光物质及入射光的波长有关的有关的常量（一定一定）第39页，本讲稿共65页2、旋光物质的分类、旋光物质的分类 1）右旋物质右旋物质 面对着光源观察，使光振动面的面对着光源观察，使光振动面的旋转为顺时针

18、的旋光物质旋转为顺时针的旋光物质.（如葡萄糖溶液）（如葡萄糖溶液）2）左旋物质左旋物质 面对着光源观察，使光振动面的旋面对着光源观察，使光振动面的旋转为逆时针的旋光物质转为逆时针的旋光物质.（如蔗糖溶液）（如蔗糖溶液）第40页，本讲稿共65页(二）二）法拉第效应（磁光效应）法拉第效应（磁光效应）某某些些物物质质在在磁磁场场作作用用下下，线线偏偏振振光光通通过过时时其其振振动动面面会会发发生生旋旋转转，这这种种现现象象称称为为法法拉拉第第效效应应。光光的的电电矢矢量量E旋旋转转角角与与光光在在物物质质中中通通过过的的距距离离L和和磁磁场场强强度度H成正比，即成正比，即 利用法拉第利用法拉第效应可

19、以测量磁效应可以测量磁场。其测量原理场。其测量原理如右图所示。如右图所示。式中式中 V 物质的弗尔德常数物质的弗尔德常数。第41页，本讲稿共65页n法拉弟发现，许多物质在磁场的作用下可使穿过它的平面偏振光的偏振方向旋转（在光的传播方向上加上强磁场时）法拉弟效应（磁致旋光效应）法拉弟效应（磁致旋光效应）d第42页，本讲稿共65页振动面旋转的角度 由经验公式给出：式中 为静磁通量，为光所穿越的媒质长度，是比例因子，称费尔德常数，一种特定媒质的费尔德常数随频率和温度而变。第43页，本讲稿共65页实 际 例 子对于气体，约为 ，固体和液体为 的量级。如对于1厘米长的 样品，高斯的磁场，此时 振动面将转

20、动 。第44页，本讲稿共65页显然，法拉弟效应可用来设计光调制器，欲提高效率必须每单位长度的材料对光的吸收要尽量小，而偏振面旋转的角度要尽量大，为此，人们研制了许多奇特的铁磁材料，如 eCraw 利用人工生长的钇铁石榴石（YIG）磁性晶体，它的费尔德数可以达到 (对 波长，温度范围)。第45页，本讲稿共65页 利用法拉第效应测磁场 实实 验验 装装 置置 图图 调制电压恒定磁场起偏器起偏器第46页，本讲稿共65页 线线偏偏振振光光从从左左面面进进入入晶晶体体，横横向向的的直直流流磁磁场场使使YIG晶晶体体在在此此方方向向上上引引起起磁磁化化饱饱和和，而而总总的的磁磁化化强强度度矢矢量量（由由恒

21、恒定定磁磁场场和和线线圈圈磁磁场场所所引引起起）可可以以改改变变方方向向，它它对晶体轴的倾斜角度正比于线圈中的调制电流。对晶体轴的倾斜角度正比于线圈中的调制电流。因因为为法法拉拉弟弟旋旋转转依依赖赖于于磁磁化化强强度度的的轴轴向向分分量量，所所以以线线圈圈电电源源控控制制了了 角角，检检偏偏器器按按照照马马吕吕定定律律把把这这一一偏偏振振调调制制转转换换为为振振幅幅调调制制。也也就就是是说说，要要传传递递的的信信息息作作为为调调制制电电压压加加在在线线圈圈上上，则则出出射射的的激激光光束束以以振振幅变化的形式携带着信息。幅变化的形式携带着信息。第47页，本讲稿共65页应当指出的是，应将法法拉拉

22、弟弟旋旋转转和和旋旋光光性性旋旋转转加以区别，所指旋光性旋转，是指入射线偏振光的电场振动面在旋光材料中连接地旋转的现象。这种现象的一个特点是旋转方身与传播方向有关，当光线正反两次通过一个旋光性物质时，总旋转角度为零，而法拉弟旋转是与光传播方向无关的，正反两次通过法拉弟材料后，总的旋转角度为 。法拉弟旋转和旋光性旋转之区别第48页，本讲稿共65页高反射膜这样，为了获得更大的法拉弟效应，可以将放在磁场中的法拉弟材料做成平行六面体，使通光面对光线方向稍偏离垂直位置，并将两面镀层反射膜，只留入口和出口，这样，若光束在其间反射 次后出射，则有效旋光厚度为 ，则偏振面的旋转角度将提高 倍。第49页，本讲稿

23、共65页 （三）（三）光弹效应光弹效应 在在垂垂直直于于光光波波传传播播方方向向上上施施加加应应力力，被被施施加加应应力力的的材材料料将将会会使使光光产产生生双双折折射射现现象象，其其折折射射率率的的变变化化与与应应力力有有关关，这这种种现现象象称称为为光光弹弹效效应应。由由光光弹弹效效应应产产生生的的偏振光的相位变化为：偏振光的相位变化为：式中：式中：K 物质光弹性常数；物质光弹性常数；P 施加在物体上的压强；施加在物体上的压强；L 光波通过材料的长度。光波通过材料的长度。此时出射光强为：此时出射光强为：利用物质的光弹效应可以构成压力、振动、位移等光纤传感器。利用物质的光弹效应可以构成压力、

24、振动、位移等光纤传感器。第50页，本讲稿共65页 关于双折射现象的说明关于双折射现象的说明 一束光在各向同性介质（如玻璃）的表面所产生的折射光只有一束，这是一束光在各向同性介质（如玻璃）的表面所产生的折射光只有一束，这是一般的常识。然而，对于光学性质随方向而异的一些晶体（各向异性介质），一般的常识。然而，对于光学性质随方向而异的一些晶体（各向异性介质），一束入射光常有被分解为两束的现象，这就是双折射现象。请注意，这种现象一束入射光常有被分解为两束的现象，这就是双折射现象。请注意，这种现象不是因为不同频率的光在介质中的折射率不同而产生的，而是由于各向异性介不是因为不同频率的光在介质中的折射率不同

25、而产生的，而是由于各向异性介质的折射率对不同入射角的光不是常数而产生的。通过各向异性介质折射的光，质的折射率对不同入射角的光不是常数而产生的。通过各向异性介质折射的光，若对于任意的入射角，其入射角若对于任意的入射角，其入射角o光和e光示意图角的角的不同而变化时，这种光称为不同而变化时，这种光称为非寻常光非寻常光，简称为，简称为e e光。光。o o光和光和e e光都是线偏振光都是线偏振光，但是，光矢量（电矢量）等振动方向不同。光，但是，光矢量（电矢量）等振动方向不同。o o光的电矢量垂直于自己的光的电矢量垂直于自己的主平面，而主平面，而e e光的电矢量则在自己的主平面内振动，如上图所示。在光弹效

26、光的电矢量则在自己的主平面内振动，如上图所示。在光弹效应和普克尔效应中所说的相位变化，实际上是指这两种光的相位差。应和普克尔效应中所说的相位变化，实际上是指这两种光的相位差。的正的正弦与折射角的正弦值弦与折射角的正弦值比为一常数（即通常所说比为一常数（即通常所说的折射率）时，这种光称的折射率）时，这种光称为为寻常光寻常光，简称为，简称为o光；光；若其入射角的正弦与折射若其入射角的正弦与折射角的正弦值比随入射角的正弦值比随入射第51页，本讲稿共65页 （四）电光效应（四）电光效应 1.普克尔效应（一次电光效应）普克尔效应（一次电光效应）当当压压电电晶晶体体受受光光照照射射，并并在在与与光光照照正

27、正交交的的方方向向上上加加以以高高压压电电场场时时，晶晶体体将将呈呈现现双双折折射射现现象象，这这种种现现象象被被称称为为Pockels效效应应，如如下下图图所所示示。并并且且，这这种种双双折折射射正正比比于于所所加加电电场场的的一一次次方方，所所以以普普克克尔尔效效应应又又称称为为线性电光效应。线性电光效应。在晶体中，两正交的偏振光的相位变化为在晶体中，两正交的偏振光的相位变化为 式式中中：n0 正正常常折折射射率率；de 电电光光系系数数；U 加加在在晶晶体体片片上上的的电电压压；光波长；光波长；L 晶体长度；晶体长度；d 场方向晶体厚度。场方向晶体厚度。第52页，本讲稿共65页 克尔效应

28、克尔效应某些各向同性的透明介质（如非晶体和液体），在外电某些各向同性的透明介质（如非晶体和液体），在外电场的作用下，显示出双折射现象，称为克尔效应。场的作用下，显示出双折射现象，称为克尔效应。当外电场撤消时，这种性质立即消失，因此，也称为电致当外电场撤消时，这种性质立即消失，因此，也称为电致双折射现象。双折射现象。光轴沿电场强度的方向光轴沿电场强度的方向+-cc两光通过厚度为两光通过厚度为 的液体时，光程差为：的液体时，光程差为：第53页，本讲稿共65页若入射光的线偏振方向与外电场方向成若入射光的线偏振方向与外电场方向成450角，且角，且M与与N偏振方向相互垂直，调节电压使其发生相长干涉，则有

29、：偏振方向相互垂直，调节电压使其发生相长干涉，则有：若去掉盒内电场，则没有光从若去掉盒内电场，则没有光从N透出。整个系统起透出。整个系统起“光光开关开关”的作用。的作用。通过控制外加电压，可调节输出的光脉冲的长短和通过控制外加电压，可调节输出的光脉冲的长短和频率，把电讯号转变成光讯号。由于光电效应几乎没有频率，把电讯号转变成光讯号。由于光电效应几乎没有惯性，电讯号的控制速度可达惯性，电讯号的控制速度可达10-9 m/s。“光开关光开关”,“光调制器光调制器”“光断续器光断续器”有极快的速度启闭光路或调制有极快的速度启闭光路或调制光强，目前广泛应用于高速摄影、电影、电视和激光通光强，目前广泛应用

30、于高速摄影、电影、电视和激光通讯等许多领域。讯等许多领域。在电场、磁场中，材料光学性质的研究，在实际应在电场、磁场中，材料光学性质的研究，在实际应用中有着广阔的前景。用中有着广阔的前景。第54页，本讲稿共65页利用外界因素改变光的频率或光的波长，通过检测光的频率或光利用外界因素改变光的频率或光的波长，通过检测光的频率或光的波长的变化来测量外界的物理量的原理，称为光的频率和波长的波长的变化来测量外界的物理量的原理，称为光的频率和波长调制。调制。1 1、频率调制、频率调制 光的频率调制，主要是指光学多普勒频移。光学中的多普勒现光的频率调制，主要是指光学多普勒频移。光学中的多普勒现象是指由于观测者和

31、运动目标的相对运动，使观测者接收到的光波象是指由于观测者和运动目标的相对运动，使观测者接收到的光波频率产生变化的现象。实际中大多数考虑移动物体所散射光的频移，频率产生变化的现象。实际中大多数考虑移动物体所散射光的频移，这种情况可当作一个双重多普勒频移来考虑，即先从光源到移动的这种情况可当作一个双重多普勒频移来考虑，即先从光源到移动的物体，然后由物体到观测者。物体，然后由物体到观测者。设光源和观测者都相对静止，物体以设光源和观测者都相对静止，物体以V速度移动（见图速度移动（见图1.2.3-16），），1.5 光频率和波长调制光频率和波长调制第55页，本讲稿共65页QSPB21图图1.2.3-16

32、 多普勒频移多普勒频移频率调制频率调制第56页，本讲稿共65页从光源从光源S发出频率为发出频率为的光被物体的光被物体P散射，散射，P所观测到的频率为所观测到的频率为 （1）该频率的光又被该频率的光又被P重新发射出来，在重新发射出来，在Q处接收到的频率为处接收到的频率为 （2）将式（将式（1）代入式（）代入式（2）并考虑实际物体速度）并考虑实际物体速度V要比光速要比光速c小小得多，可近似地求双重多普勒频移表达式得多，可近似地求双重多普勒频移表达式 （3）令令 则式（则式（3）可整理得）可整理得第57页，本讲稿共65页 多多普普勒勒频频移移可可采采用用光光混混频频技技术术来来测测量量，即即将将两两

33、束束频频率率不不同同的的光光混频，获取差频信号的光学零差和外差技术。混频，获取差频信号的光学零差和外差技术。设一束散射光与另一束参考光的频率分别为设一束散射光与另一束参考光的频率分别为 、，它们到达光电探测器表面的电场强度分别为，它们到达光电探测器表面的电场强度分别为 式式中中E01、E02为为两两束束光光在在光光电电探探测测器器表表面面处处的的振振幅幅；1 1、2为为两两束光的初相。束光的初相。若若两两束束光光为为相相干干光光，在在光光电电探探测测器器表表面面产产生生混混频频，其其合合成成的的总电场强度为总电场强度为 检测器输出的光信号检测器输出的光信号I(t)正比于总电场的平方正比于总电场

34、的平方第58页，本讲稿共65页式中式中B是常数。是常数。对对上上式式作作三三角角变变换换，略略去去光光学学频频率率项项，因因为为在在检检测测器器输输出出中中不不能能观观察察到到此此频频率率，所所以以检测器输出光信号为检测器输出光信号为式式中中第第一一项项是是直直流流分分量量，可可用用电电容容隔隔去去；第第二二项项是是交交流流分分量量，其其中中交交流流频频率率正正是是多多普普勒勒频频移移。激激光光多多普普勒勒测测速速技技术术就就是是根根据据光光频频调调制制和和光光混混频频技技术术发发展展起起来来的的，它它是是研研究究流流体体流流动动的的有有效效手手段段，它它的的主主要要特特点点是是空空间间分分辨

35、辨率率和和光光束束不不干干扰扰流流动，并具有跟踪快速变化的能力。动，并具有跟踪快速变化的能力。第59页，本讲稿共65页波长调制波长调制一 一般原理二 热色物质颜色变化的波长调制三 磷光光谱变化的波长调制四 黑体辐射的波长调制五 滤波器参数变化的波长调制第60页，本讲稿共65页图图1.2.3-17 热色物质颜色变化的波长调制热色物质颜色变化的波长调制（1）利用热色物质的颜色变化进行波长调制，这）利用热色物质的颜色变化进行波长调制，这种调制的原理如图种调制的原理如图1.2.3-17 a 所示。所示。第61页，本讲稿共65页60 W 的钨丝灯光经过光纤进入热变色溶液（如溶于异丙醇的钨丝灯光经过光纤进

36、入热变色溶液（如溶于异丙醇溶液中的溶液中的CoCl3 6H2 O，其反射光被另一光纤接收后，分两束分，其反射光被另一光纤接收后，分两束分别经过波长为别经过波长为650 nm 和和800 nm 的滤光片，最后由光电探测器接收。的滤光片，最后由光电探测器接收。这种热变色溶液的光强与温度的关系如图这种热变色溶液的光强与温度的关系如图1.2.3-17 b 所示。温度为所示。温度为20o C 时，在时，在500 nm 处有个吸收峰，溶液呈红色；温度升到处有个吸收峰，溶液呈红色；温度升到75o C 时，在时，在650 nm 处也有一个吸收峰，溶液呈绿色。在波长为处也有一个吸收峰，溶液呈绿色。在波长为650

37、 nm 时，光强随温度变化最灵敏；在波长为时，光强随温度变化最灵敏；在波长为800 nm 时，光时，光强与温度无关。强与温度无关。因此，选这两个波长进行检测（即波长检测）因此，选这两个波长进行检测（即波长检测）就能确定外界物理量。就能确定外界物理量。（2）利用磷光（荧光）光谱的变化进行波长调制）利用磷光（荧光）光谱的变化进行波长调制调制原理调制原理第62页，本讲稿共65页图图1.2.3-19 黑体辐射的波长调制黑体辐射的波长调制 图图1.2.3-19 是黑体辐射的调制原理，它不需要外加光源，是黑体辐射的调制原理，它不需要外加光源，而且简单的由探头尖端（即黑体腔）收集黑体的光谱辐射，而且简单的由

38、探头尖端（即黑体腔）收集黑体的光谱辐射，然后通过光纤把这种宽频带的辐射传送到分光仪或光片，然后通过光纤把这种宽频带的辐射传送到分光仪或光片，根据普朗克提出的辐射亮度与波长的关系随温度变化的公根据普朗克提出的辐射亮度与波长的关系随温度变化的公式，通过双波长或单波长检测就能测出黑体的温度。式，通过双波长或单波长检测就能测出黑体的温度。（3 3）利用黑体辐射进行波长调制）利用黑体辐射进行波长调制第63页，本讲稿共65页（4）利用光器参数的变化进行波长调制利用光器参数的变化进行波长调制 其原理如下图所示。其原理如下图所示。图图1.2.3-20 光器参数变化的波长调制光器参数变化的波长调制第64页，本讲

39、稿共65页图图1.2.3-20 b 是另一种改变光参数的方法。其调制原是另一种改变光参数的方法。其调制原理是：当白色光通过处于正交偏振态之间的铌酸锂理是：当白色光通过处于正交偏振态之间的铌酸锂晶体时，由于外界因素（如温度等）的变化，晶体晶体时，由于外界因素（如温度等）的变化，晶体产生双折射，采用栅状滤色片就能检测波长（颜色）产生双折射，采用栅状滤色片就能检测波长（颜色）的变化，其具体关系为的变化，其具体关系为 I=sin2(no-ne)d/式中，式中，Io 为光源强度；为光源强度；I 为透射光强度；为透射光强度；no 为寻常光为寻常光折射率；折射率；ne 为非寻常光折射率；为非寻常光折射率；d 为晶体厚度；为晶体厚度；为为波长。光强的变化是由于波长。光强的变化是由于no-ne 的变化而引起的，它的变化而引起的，它与温度有关。与温度有关。第65页，本讲稿共65页