偏振控制光强调制型点阵 SPR传感器研究
孙博书，黄子昊，王晓萍，刘玉玲，刘旭
（浙江大学现代光学仪器国家重点实验室，浙江大学光电系，浙江杭州 310027）
摘要 介绍了一种偏振控制光强调制型点阵 SPR 传感器，分析了入射角度、金膜厚度、起偏 器设置、光源波长及数据处理方式对传感器灵敏度和线性范围的影响，并对 632.8nm 与 740nm 两种光源传感器系统进行了实验测试与分析。结果表明，偏振控制光强调制型点阵 SPR 传感器可将光经过表面等离子共振所产生的偏振态变化转化为光强变化来测量， 选取适 合的光源波长和入射角度，采用简单的光学结构与机械结构，就能使其获得较高的灵敏度， 且测量范围控制方便，制作成本较低。偏振控制光强调制型点阵 SPR 传感器可广泛应用于 生物分子相互作用分析和环境监测、食品安全、药物分析、生物医疗等领域的高通量检测。 关键词 光学传感器； 点阵 SPR 传感器；偏振控制；生物检测；高通量检测
中图分类号 O436 文献标识码 A
Intensity-modulated surface plasmon resonance array sensor
based on polarization control
SUN Bo-shu, HUANG Zi-hao, WANG Xiao-ping, LIU Yu-ling, LIU Xu
(State Key Laboratory for Modern Optical Instrumentation, Department of Optical Engineering &Information Science, Zhejiang University, Hangzhou 310027,China)
Abstract Intensity-modulated surface plasmon resonance (SPR) array sensor based on polarization control was introduced. The impacts of incident angle, gold firm thickness, polarizer angle, wavelength and data processing on its sensitivity and measuring range were analyzed and sensor systems with wavelength set 632.8nm and 740nm were experimentally studied. It is concluded that Intensity-modulated SPR array sensor turns the polarization state change of light wave during the excitation of surface plasmons into intensity change to detect and in an easily controllable measurement range, an appropriate parameter selection can be set and produce high sensitivity with a simple optical and mechanical structure and lower production costs. This scheme can be widely applied to the high-throughput detection of bimolecular interaction analysis, environment monitoring, food safety, pharmaceutical analysis, biomedical engineering and other fields.
Keywords SPR sensor? high-throughput biosensor? polarization control? biological detection
收稿日期：
基金项目：国家863资助项目(2007AA09Z114，2009AA06Z406)；浙江省科技计划优先主题（2007C13066） 作者简介：孙博书(1985-),女， 硕士研究生， 主要从事SPR生物传感器的研究. E-mail:sunboshu1206@https://www.doczj.com/doc/6c16555139.html, 通讯作者：王晓萍（1962-），女，教授. E-mail:xpwang@https://www.doczj.com/doc/6c16555139.html,
1 引言
表面等离子共振(Surface Plasmon Resonance, SPR)传感技术与生物免疫技术相结合构建 的 SPR 生物检测技术，因其具有免标记、实时无损检测等优点在药物筛选、环境监测、生 物化学等领域显示了巨大的应用潜力 [1] 。同时随着生命科学研究的发展，基于 SPR 的高通 量检测技术已成为研究热点。SPR 传感器有四种不同的调制方法，分别为角度调制，波长调 制，光强调制及相位调制。对于高通量的点阵式 SPR 传感器，若采用角度调制或波长调制， 则需要采用机械转角扫描 [2] 或窄带滤光器波长扫描 [3] ，使得系统结构复杂、体积大，同时由 于可动部件的存在降低了系统可靠性和稳定性；相位调制方法尽管有很高的灵敏度， 但是要 求能够实时高精度检测波面相位，故光路系统复杂，对机械部件精度要求高 [4] ；而单纯利用 p 光的普通光强调制方法，结构简单，测量算法简便，实时性好，但是其性能受环境因素影 响大，测量灵敏度低 [5] 。
20 世纪 90 年代初期，欧美很多国家开始研究 SPR 的高通量检测技术， 基于多种调制方 式的 SPR 高通量检测仪器不断涌现，并在蛋白质组学、基因研究等领域得到了应用 [6] 。国 内对该项技术的研究主要集中在角度调制法和利用 p光的光强调制法上， 且在仪器稳定性和 测量精度等方面亟待提高 [7] 。
SPR 反射光中同时包含了 p光和 s 光的相位差信息及p光振幅的变化信息 [8] ，即反射光 的偏振态变化信息。本文研究的偏振控制光强调制型点阵 SPR 传感器，将 SPR 反射光的偏 振态信息转化为光强信号进行检测，与其他调制方式相比，无需引入角度或波长扫描，具有 光路系统与机械结构简单，测量范围方便可调、灵敏度较高等特点。
2 传感器结构与偏振控制原理
图 1 给出了偏振控制光强调制型点阵 SPR 传感器的结构示意图，经过非直角起偏器后 的平行光束作为 SPR 传感器的入射光，照射到传感器的金膜表面并产生表面等离子共振。 当金膜表面不同点阵上样品的折射率不同时，相应点反射光的椭圆偏振光形态也不同。通常 以某个折射率的样品为基准，进行传感器消光点的调试与设置；首先使该样品的反射光经
1/4 玻片成为线偏振光，并要求 1/4玻片的快轴方向与出射椭圆偏振光长轴方向一致，然后 再经过与线偏振光正交放置的检偏器，在探测器对应位置上得到反射信号的消光点， 这个折 射率称为消光折射率 [9] 。
消光点可以通过改变1/4 波片及检偏器的旋向，即波片及检偏器相对于 s 光振动方向的
旋转角度进行设置。调试依据为公式 1、2：
-1 22 2 1 =tan ( 2 - extionction_s extionction_p waveplate extionction_s extionction_p
E E θ E E g cos arg ) extionction_p extionction_s E E ?? ?? ?÷ ?÷ ?÷ ?÷ è? è
? g (1) -1 π =tan + 2 ' extinction_p polarizer ' extinction_s E θ E ?? ?÷ ?÷ è? (2)
其中，θwaveplate 及 θpolarize 分别代表波片及检偏器相对于 s 光振动方向的旋转角度。
E extionction_p 及 E extionction_s 分别为金膜反射后对应于消光折射率的 p 光及 s 光光矢量，E ’ extinction_s 及
E ’ extinction_p 分别为经过玻片后对应于消光折射率的p 光及s
光光矢量。
图1 偏振控制光强调制型点阵SPR 传感器结构示意图
Fig. 1 Structure of the intensity-modulated SPR array sensor based on polarization control.
在点阵传感器中，对应于金膜表面其它折射率样品的反射光，由于偏振态不同，在经过 上述设置的玻片和检偏器后，将产生不同程度的消光，得到不同强度的反射光即可在成像系 统中得到明暗不同的点。将消光点作为基准暗点，即可得出折射率-光强曲线，由此实现了 SPR 反射光偏振态的变化转化为光强的变化，方便进行测量 [10] 。
偏振控制光强调制型SPR 传感器的测量范围调整方便，如图 2 所示。 在不改变入射光波 长及入射角度的情况下，可以通过旋转波片及检偏器改变消光折射率，该折射率值即为相应
传感器测量范围的下限，因此改变消光点即改变了传感器的测量范围。
图2不同消光折射率的光强—折射率曲线(波长632.8nm, 入射角74°，金膜40nm，起偏器60°)
Fig. 2 Light intensity– RI curve corresponding to different extinction RI with wavelength 632.8nm,incident
angle 74°, gold film thickness 40nm,and input polarizer set 60°.
3 仿真与计算
在分析原理与结构的基础上， 运用 MathCAD 软件进行了传感器性能指标的计算与仿真， 分析了入射角度、金膜厚度、起偏器角度、波长等参数对灵敏度和测量范围的影响，并讨论 了对于一定波长的光源，相应传感器的合适参数组合。在仿真和分析中，将蒸馏水（折射率 为 1.33RIU）作为消光折射率。
3.1 入射角度对传感器性能的影响
固定光源波长为 632.8nm，改变入射光的角度，仿真得到一组光强与折射率的关系曲线 如图 3 所示。由图可知入射角为 73°时，曲线灵敏度最高。此外，由图可看出，入射角度 对曲线测量范围有略微影响。
图3不同入射角所对应的光强-折射率曲线(入射光波长632.8nm，金膜厚度40nm，起偏角60°)
Fig. 3 Light intensity– RI curve corresponding to different incident angles under the condition of wavelength
632.8nm, gold film thickness 40nm,and input polarizer 60°.
3.2 金膜厚度对传感器性能的影响
固定光源波长为 632.8nm，改变金膜厚度，仿真得到一组光强与折射率的关系曲线如图 4 所示。综合曲线灵敏度和测量范围，40nm 为较为适合的金膜厚度。综合制作工艺以及仿 真结果，金膜厚度可控制在 40n m±5nm。经仿真分析，对于其他波长的光源，40n m±5nm 同样是较为合适的金膜厚度。同时对于高通量点阵式 SPR 传感器，为保证测量准确度，要 求金膜具有良好的均匀性。
图4不同金膜厚度的光强-折射率曲线(入射光波长632.8nm，入射角73°，起偏器角度设置60°)
Fig. 4 Light intensity– RI curve corresponding to different gold film thickness under the condition of
wavelength 632.8nm, input polarizer60deg and the incident angle 73 °.
3.3 起偏器角度对传感器性能的影响
固定光源波长为 632.8nm，改变起偏器角度，仿真得到一组光强与折射率的关系曲线如 图 5 所示。当透光轴相对于 s 光振动方向成 55~60°角时，得到的光强曲线灵敏度较好。对 于其他波长的光源，最优起偏器角度可设置在 50~60°之间，在此范围内，起偏器角度的变 化对曲线的灵敏度有细微影响。
图5 不同起偏器角度所对应光强—折射率曲线 (入射光波长632.8nm，入射角73°，金膜厚度40nm) Fig. 5 Light intensity– RI curve corresponding to different input polarizer set with wavelength 632.8nm,
incident angle 73 ° and gold film thickness 40nm.
3.4 不同光源波长对传感器性能的影响
由入射角度对传感器性能影响分析可知， 对应于某种波长，入射角度可改变曲线的测量 范围，故此仿真中入射角的设置，均使测量范围始于 1.33 附近。由图 6 所示的仿真结果可 以得出，波长增大，灵敏度亦随之增大，而测量范围减小。即在测量范围允许的条件下，要 得到更高的灵敏度和更好的线性度，可采用更高波长的光源。同时考虑到光路调试的简洁， 在实际应用中尽可能采用可见光波段。从以上分析可知，在诸多因素中，光源波长对传感器 灵敏度的影响最大。
图6 不同波长的光强—折射率曲线(不同波长所对应的入射角： 600nm -76°， 630nm -72.5°， 650nm -71.5°，
680nm-70°，700nm-69°，750nm-67°)
Fig. 6 Light intensity – RI curve corresponding to different wavelength with incident angles 76°,72.5°,71.5°, 70°,69°and 67°corresponding to the wavelength 600nm, 630nm,650nm,680nm,700nm and 750nm respectively.
3.5 数据处理与分析
为了消除光源、环境因素等对传感器性能的影响，需要对 CCD 所测得的原始数据进行
处理 [11] 。由于在实际测量时，金膜表面为空气的全反射光强是较稳定且易获得的，故将此 光强作为基准，对发射光强信号进行如式 3 所示的归一化处理，可降低光源波动的影响。
dark air dark
signal relative I I I I I - - = （3）
式中，I relative 为数据处理后的相对光强；I signal 为样品的 SPR 反射光强，I air 为金空气的 SPR 反射光强，I dark 为探测器的暗信号。从式 3 可见，I air 越小归一化后得到的灵敏度越高。 但受限于实际 CCD 能测到的最小光强值和动态范围，I air 越小，引入的噪声也将越严重，故 归一化能达到的灵敏度也是有限制的。
根据以上对偏振控制光强调制型 SPR 传感器各参数的分析，可以选择合适的传感器参 数组合，使偏振控制光强调制型 SPR 传感器得到较佳的性能指标。首先波长的选择要兼顾 测量范围及灵敏度，根据 SPR 传感器的常用测量范围（1.33—1.37） [12] 我们选取 740nm 波 长光源，在此条件下，分析得到其它的参数分别为：入射角 72°、金膜厚度 40nm 、起偏器 相对于 s 光旋转 50°。图 7 比较了光源波长为 740nm 时，偏振控制光强调制 SPR 传感器与 纯 p 光光强调制 SPR 传感器的灵敏度，可知偏振控制光强调制型 SPR 传感器的灵敏度远远 高于纯 p 光光强调制型 SPR 传感器。
图7 740nm波长下偏振控制光强调制SPR传感器灵敏度曲线 （实线） 及单纯使用p光进行光强调制的SPR
传感器的灵敏度曲线（虚线）
Fig. 7 Sensitivity curves with 700nm wavelength of intensity-modulated SPR sensor based on polarization control (real line) and intensity modulation SPR sensors using TM wave only(dashed line).
4 实验装置和实验分析
根据传感器结构，搭建了如图 8 所示的实验装置，为比较光源波长的影响，实验分别选 取 632.8nm和 740nm的 LED，并根据仿真结果，分别选取合适的入射角、金膜厚度、起偏 器角度进行实验研究。
图8 偏振控制光强调制点阵SPR传感器实验平台
Fig. 8Experimental platform of intensity-modulated SPR array sensor based on polarization control
4.1 实验结果 1（632.8nm 光源）
采用波长 632.8nm LED 光源，消光折射率 1.33RIU，根据仿真分析可以所得，当光线入 射角为 74°、金膜厚度为 40nm、起偏器角度设置为 60°时，传感器能够达到最佳灵敏度和 测量范围； 在此条件下， 计算得到 1/4 玻片的角度应为31.863°， 检偏器角度应为 112.969°。
在实验装置上，根据以上仿真结果调整传感器各组件参数。实验样品为不同质量浓度的 蔗糖溶液。用蒸馏水设置和调试消光点，玻片及检偏器实际转角分别为 33°和 111°，与理 论计算存在一点偏差。 实验数据经归一化处理后，得到如图 9 所示蔗糖浓度—相对光强曲线 及线性拟合曲线。
图9 波长632.8nm时，蔗糖浓度-相对光强实验曲线及线性拟合曲线
Fig. 9 Experiment results of relative light intensity– RI curve and linear fitting curve with wavelength632.8nm.
由图可知，蔗糖溶液在 4%到 20%范围内有很好的线性，在线性范围内的相关系数为 0.996，蔗糖测量灵敏度为 0.04相对光强/蔗糖浓度（%）。
4.2 实验结果 2（740nm 光源）
由仿真分析可知，增大光源波长可以显著提高传感器灵敏度。因此采用波长为 740nm 的 LED 光源进行实验，消光折射率 1.33RIU，根据仿真分析，使其达到最佳灵敏度及测量 范围的设置为：入射角 72°，金膜厚度 40nm，起偏器设置 50 度，仿真所得波片旋转角度 -42.823°，检偏器旋转角度 114.767°。
实验样品同样为不同质量浓度的蔗糖溶液。当蒸馏水所对应折射率 1.33RIU消光时，玻 片及检偏器实际转角分别为-35°和 113°。实验数据经归一化处理后，得到如图 10所示蔗
糖浓度—相对光强曲线及线性拟合曲线。
图10 波长740nm下蔗糖浓度—相对光强实验曲线及线性拟合曲线
Fig. 10 Experiment results of relative light intensity– RI curve and linear fitting curve with wavelength
632.8nm.
从上图可得，蔗糖溶液在2%到18%范围内有较好的线性，在线性范围内的相关系数为 0.983，蔗糖测量灵敏度为 0.53相对光强/蔗糖浓度（%） 。
比较光源波长740nm与632.8nm的两条蔗糖浓度—相对光强实验曲线及线性拟合曲线， 可知 740nm光源波长传感器的灵敏度明显高于 632.8nm波长， 传感器的测量范围基本相同。 由实验可知，适当选取传感器参数可以在一定的测量范围内大大提高传感器灵敏度。并且， 光源波长的增加对传感器灵敏度的增强贡献最大。
5 传感器设计
在以上仿真分析与构建实验装置的基础上，进行了集成化偏振控制光强调制点阵 SPR
传感器的设计，其机构如图 11 所示。在后续的研究工作中，将在金膜表面进行待测物质的 特异性抗原或抗体的生物修饰，构建点阵式 SPR 生物传感器，实现样品组分的高通量检测。
图11 偏振控制光强调制SPR点阵传感器机械设计示意图
Fig.11 Mechanical design of intensity-modulated SPR array sensor based on polarization control
6 结论
通过偏振控制光强调制型点阵 SPR 传感器的仿真设计与实验研究， 可以得出如下结论：
(1) 偏振控制光强调制型点阵 SPR 传感器将反射光的偏振态变化转化为光强变化进行 测量，与纯p 光光强调制型 SPR 传感器相比，同时利用了反射光信号中的相位和振幅信息， 测量灵敏度得到显著提高，同时通过改变消光折射率就可方便地调整测量范围。
(2) 偏振控制光强调制型点阵 SPR 传感器，避免了入射角扫描或波长扫描的复杂结构， 具有光路系统与机械结构简单，系统稳定性、成本低等特点。
(3) 通过仿真和计算，分析了传感器参数对灵敏度、测量范围的影响，并得出了适合的 传感器参数组合：光源波长应取 700-740nm，金膜厚度应控制在 40n m±5nm，起偏器角度 可设置在 50-60°，入射光角度应根据光源波长的不同具体分析。
(4) 偏振控制光强调制 SPR 点阵传感器结合生物免疫技术，可以构建进行样品多组分、 高通量检测的 SPR 生物传感器，广泛应用于环境监测、食品安全、药物分析、生物医疗等
领域，极具应用价值。
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文章创新点：
1. 对于偏振控制型光强调制点阵 SPR 传感器的分析与研究为国内首例。由于此种类型 的 SPR 传感器结构简单，同时灵敏度高、系统稳定性强，可同时检测分析多个样品或多个 组分，故极具商用开发价值。
2. 对比国外相关文章，本论文详细讨论了偏振控制光强调制点阵 SPR 传感器的入射角 度、金膜厚度、起偏器设置、光源波长及数据处理方式对传感器性能的影响，为此种传感器 的具体设计提供依据。同时，本文中选取的参数组合在达到高灵敏度的同时覆盖了 SPR 传 感器的常用测量范围（1.33-1.37） ，故有更佳的可应用性。
3. 对比国外的相关文章，本论文采用价格相对低廉的 LED 光源及其它光学元器件，实 现了同样较为满意的实验结果，为实现传感器的小型化、低功耗创造了条件。同时，对此种 类型的传感器进行了完整的集成化设计。
一. 选择题 [ A ]1、（基础训练2）一束光是自然光和线偏振光的混合光，让它垂直通过一偏振片．若以此入射光束为轴旋转偏振片，测得透射光强度最大值是最小值的5倍，那么入射光束中自然光与线偏振光的光强比值为 (A) 1 / 2． (B) 1 / 3． (C) 1 / 4． (D) 1 / 5． 【提示】自然光I 0通过一偏振片后，透射的偏振光光强恒为2 I ；线偏振光I 1通过一偏 振片后，透射的偏振光光强为α212 cos I I =；所以max 1I I I 2= +0；min I I 2 =0； 依题意， max min I 5I =，解得：01I 1 I 2 = [ D ]2、（基础训练6）自然光以60°的入射角照射到某两介质交界面时，反射光为 完全线偏振光，则知折射光为 （A ）完全线偏振光且折射角是30° （B ）部分偏振光且只是在该光由真空入射到折射率为3的介质时，折射角是30° （C ）部分偏振光，但须知两种介质的折射率才能确定折射角 （D ）部分偏振光且折射角是30° 【提示】依题意，入射角为布儒斯特角B i =60°， 根据0 90=+γB i ，得折射角为009030B i γ=-= [ D ] 3、（自测提高 1）某种透明媒质对于空气的临界角(指全反射)等于45°，光从空气射向此媒质时的布儒斯特角是 (A) °． (B) °． (C) 45°． (D) °． (E) °． 【提示】 B 0 054.7 i 2n tg ;2sin45 1 n sin90n sin n =∴=== ===，，得依题意：介空 介介空临介n n i B θ
[ B ] 4、（自测提高3）一束光强为I 0的自然光，相继通过三个偏振片P 1、P 2、P 3后，出射光的光强为I ＝I 0 / 8。已知P 1和P 3的偏振化方向相互垂直，若以入射光线为轴，旋转P 2，要使出射光的光强为零，P 2最少要转过的角度是 （A ）30° （B ）45° （C ）60° （D ）90° 【提示】 如图，设出射光的光强为I ＝I 0 / 8时，P 1和P 2的夹角为α； 自然光I 0相继通过三个偏振片后的出射光强为： 2202 000 111cos cos (90)sin 2288 I I I I ααα=-==， 解得： 0 45=α 所以，P 2最少逆时针转过0 45，即可使出射光的光强为零。 二. 填空题 5、（基础训练8）要使一束线偏振光通过偏振片之后振动方向转过90°，至少需要让这束光通过 2 块理想偏振片．在此情况下，透射光强最大是原来光强的 1/4 倍 ． 【提示】（1）依题意，入射光的振动方向、P 1、P 2的相对位置如图所 示，可使线偏振光通过偏振片之后振动方向转过90°。 （2）偏振光通过2块偏振片后的透射光强为： ααα2sin 4 )90(cos cos 20 02202I I I = -=， 可见，当0 29045αα==，时，透射光强最大，是原来光强的1/4倍。 6、（自测提高 5）如图所示的杨氏双缝干涉装置，若用单色自然光照射狭缝S ，在屏幕上能看到干涉条纹．若在双缝S 1和S 2的一侧分别加一同质同厚的偏振片P 1、P 2，则当P 1与P 2的偏振化方向相互 平 行 时，在屏幕上仍能看到很清晰的干涉条纹． 【提示】为了看到清晰的条纹，两束光必须满足相干条件：频率相同，振动方向相同，相位差恒定。 为了满足“振动方向相同”，两个偏振片的方向要相互平行。 P 2 P 1S 1 S 2 S P 3 P
电气系\计算机系\詹班 《大学物理》（光的偏振）作业5 一．选择题 1. 两偏振片堆叠在一起，一束自然光垂直入射时没有光线通过。当其中一偏振片以入射光线为轴慢慢转动180°时透射光强度发生的变化为 (A) 光强单调增加； (B) 光强先增加，然后减小，再增加，再减小至零 (C) 光强先增加，后又减小至零； (D) 光强先增加，后减小，再增加。 【 D 】 2．一束光强为I 0的自然光，相继通过三个偏振片P 1、P 2、P 3后，出射 光的光强为I= I 0/8，已知P 1和P 3的偏振化方向相互垂直，若以入射光线为轴，旋转P 2，要使出射光的光强为零，P 2最少要转过的角度是 （A ）30° （B ）45° （C ）60° （D ）90° [ B ] [参考解] 设P 1与 P 2的偏振化方向的夹角为α ，则 82sin 8sin cos 2020220I I I I === ααα ，所以4/πα=，若I=0 ，则需0=α或πα= 。可得。 3．一束光是自然光和线偏振光的混合光，让它垂直通过一偏振片，若以此入射光束为轴旋转偏振片，测得透射光强度最大值是最小值的5倍，那么入射光束中自然光与线偏振光的光强比值为 （A ）1/2 （B ）1/5 （C ）1/3 （D ）2/3 【 A 】 4．自然光以60°的入射角照射到某两介质交界面时，反射光为完全偏振光，则知折射光为 （A ）完全偏振光且折射角是30° （B ）部分偏振光且只是在该光由真空入射到折射率为3的介质时，折射角是30° （C ）部分偏振光，但须知两种介质的折射率才能确定折射角 （D ）部分偏振光且折射角是30°
常用的五类光纤传感器基本原理解析 根据被调制的光波的性质参数不同，这两类光纤传感器都可再分为强度调制光纤传感器、相位调制光纤传感器、频率调制光纤传感器、偏振态调制光纤传感器和波长调制光纤传感器。 1）强度调制型光纤传感器 基本原理是待测物理量引起光纤中传输光光强的变化，通过检测光强的变化实现对待测量的测量。恒定光源发出的强度为I的光注入传感头，在传感头内，光在被测信号的作用下其强度发生了变化，即受到了外场的调制，使得输出光强的包络线与被测信号的形状一样，光电探测器测出的输出电流也作同样的调制，信号处理电路再检测出调制信号，就得到了被测信号。 这类传感器的优点是结构简单、成本低、容易实现，因此开发应用的比较早，现在已经成功的应用在位移、压力、表面粗糙度、加速度、间隙、力、液位、振动、辐射等的测量。强度调制的方式很多，大致可分为反射式强度调制、透射式强度调制、光模式强度调制以及折射率和吸收系数强度调制等等。一般反射式强度调制、透射式强度调制、折射率强度调制称为外调制式，光模式称为内调制式。但是由于原理的限制，它易受光源波动和连接器损耗变化等的影响，因此这种传感器只能用于干扰源较小的场合。 2）相位调制型光纤传感器 基本原理是：在被测能量场的作用下，光纤内的光波的相位发生变化，再用干涉测量技术将相位的变化转换成光强的变化，从而检测到待测的物理量。相位调制型光纤传感器的优点是具有极高的灵敏度，动态测量范围大，同时响应速度也快，其缺点是对光源要求比较高同时对检测系统的精密度要求也比较高，因此成本相应较高。 目前主要的应用领域为：利用光弹效应的声、压力或振动传感器；利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器；利用电致伸缩的电场、电压传感器；利用赛格纳克效应的旋转角速度传感器(光纤陀螺)等。
光的偏振 一、光的偏振的相关知识 (1)自然光：太阳、电灯等普通光源发出的光，包含着在垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，而且沿各个方向振动的光波的强度都相同，这种光叫做自然光． (2)偏振：光波只沿某一特定的方向振动，称为光的偏振 (3)偏振光：在垂直于传播方向的平面上，只沿某个特定方向振动的光，叫做偏振光．光的偏振证明光是横波．自然光通过偏振片后，就得到了偏振光． 二、光的偏振的理解 1、偏振光的产生方式 (1)自然光通过起偏器：通过两个共轴的偏振片观察自然光，第一个偏振片的作用是把 自然光变成偏振光，叫起偏器．第二个偏振片的作用是检验光是否为偏振光，叫检偏器． (2)自然光射到两种介质的交界面上，如果光入射的方向合适，使反射光和折射光之间 的夹角恰好是90°时，反射光和折射光都是偏振光，且偏振方向相互垂直． 特别提醒不能认为偏振片就是刻有狭缝的薄片，偏振片并非刻有狭缝，而是具有一种特征，即存在一个偏振方向，只让平行于该方向振动的光通过，其他振动方向的光被吸收了． 2、偏振光的理论意义及应用 (1)理论意义：光的干涉和衍射现象充分说明了光是波，但不能确定光波是横波还是纵 波．光的偏振现象说明了光波是横波． (2)应用：照相机镜头、立体电影、消除车灯眩光等． 三、相关练习 1、如图所示，偏振片P的透振方向(用带有箭头的实线表示)为竖直方向．下列四种入射光束中，能在P的另一侧观察到透射光的是() A．太阳光 B．沿竖直方向振动的光 C．沿水平方向振动的光 D．沿与竖直方向成45°角振动的光 答案ABD 解析偏振片只让沿某一方向振动的光通过，当偏振片的透振方向与光的振动方向不同时，透射光的强度不同，它们平行时最强，而垂直时最弱．太阳光是自然光，光波可沿任何方向振动，所以在P的另一侧能观察到透射光；沿竖直方向振动的光，振动方向与偏振片的透振方向相同，当然可以看到透射光；沿水平方向振动的光，其振动方向与透振方向垂直，所以看不到透射光；沿与竖直方向成45°角振动的光，其振动方向与透
第二十章 光的偏振自测题答案 一、 选择题： ACABB BCCDB DBCBD DDABC 二、填空题： 2I ，I/8,线偏振光，横，光轴，2212cos cos αα，圆，大于，624844.4800'=， 600，3I 0/16,3, 91.7 , 8.6，5um 三、计算题 1、自然光通过两个偏振化方向间成 60°的偏振片，透射光强为 I 1。今在 这两个偏振片之间再插入另一偏振片，它的偏振化方向与前两个偏振片均成 30°角，则透射光强为多少？ 解：设入射的自然光光强为0I ，则透过第1个偏振片后光强变为2I 0， 3分 透过第2个偏振片后光强变为1020I 60cos 2 I =， 3分 由此得 10 210I 860cos I 2I == 3分 上述两偏振片间插入另一偏振片，透过的光强变为 11020202I 25.2I 4 930cos 30cos 2I I === 3分 2、 自然光入射到两个互相重叠的偏振片上。如果透射光强为（1）透射光最大强度的三分之一,（2）入射光强度的三分之一，则这两个偏振片的偏振化方向间的夹角是多少？ 解：（1）设入射的自然光光强为0I ，两偏振片同向时，透过光强最大，为2 I 0。
当透射光强为2 I 31I 01?=时，有 2分 6 I cos 2I I 0201==θ 2分 两个偏振片的偏振化方向间的夹角为 44543 1arccos 01'==θ 2分 （2）由于透射光强 3 I cos 2I I 02202==θ 4分 所以有 61363 2arccos 02'==θ 2分 3、投射到起偏器的自然光强度为0I ，开始时，起偏器和检偏器的透光轴方向平行．然后使检偏器绕入射光的传播方向转过30°，45°，60°，试分别求出在上述三种情况下，透过检偏器后光的强度是0I 的几倍? 解：由马吕斯定律有 0o 2018 330cos 2I I I == 4分 0ο2024 145cos 2I I I == 4分 0ο2038160cos 2I I I == 4分 所以透过检偏器后光的强度分别是0I 的83,41,8 1倍． 4、使自然光通过两个偏振化方向夹角为60°的偏振片时，透射光强为1I ，今在这两个偏振片之间再插入一偏振片，它的偏振化方向与前两个偏振片均成30°，问此时透射光I 与1I 之比为多少? 解：由马吕斯定律 ο20160cos 2I I =8 0I = 4分
《光的偏振》计算题 1. 将三个偏振片叠放在一起，第二个与第三个的偏振化方向分别与第一个的偏振化方向成45?和90?角． (1) 强度为I 0的自然光垂直入射到这一堆偏振片上，试求经每一偏振片后的光强和偏振状态． (2) 如果将第二个偏振片抽走，情况又如何？ 解：(1) 自然光通过第一偏振片后，其强度 I 1 = I 0 / 2 1分 通过第2偏振片后，I 2＝I 1cos 245?＝I 1/ 4 2分 通过第3偏振片后，I 3＝I 2cos 245?＝I 0/ 8 1分 通过每一偏振片后的光皆为线偏振光，其光振动方向与刚通过的偏振片的偏振化方向平 行． 2分 (2) 若抽去第2片，因为第3片与第1片的偏振化方向相互垂直，所以此时 I 3 =0. 1分 I 1仍不变． 1分 2. 两个偏振片叠在一起，在它们的偏振化方向成α1＝30°时，观测一束单色自然光．又在α2＝45°时，观测另一束单色自然光．若两次所测得的透射光强度相等，求两次入射自然光的强度之比． 解：令I 1和I 2分别为两入射光束的光强．透过起偏器后，光的强度分别为I 1 / 2 和I 2 / 2马吕斯定律，透过检偏器的光强分别为 1分 1211 cos 21αI I =', 2222cos 2 1αI I =' 2分 按题意，21I I '='，于是 222121cos 2 1cos 21ααI I = 1分 得 3/2cos /cos /221221==ααI I 1分 3. 有三个偏振片叠在一起．已知第一个偏振片与第三个偏振片的偏振化方向相互垂直．一束光强为I 0的自然光垂直入射在偏振片上，已知通过三个偏振片后的光强为I 0 / 16．求第二个偏振片与第一个偏振片的偏振化方向之间的夹角． 解：设第二个偏振片与第一个偏振片的偏振化方向间的夹角为θ．透过第一个偏 振片后的光强 I 1＝I 0 / 2． 1分 透过第二个偏振片后的光强为I 2，由马吕斯定律， I 2＝(I 0 /2)cos 2θ 2分 透过第三个偏振片的光强为I 3， I 3 ＝I 2 cos 2(90°－θ ) = (I 0 / 2) cos 2θ sin 2θ = (I 0 / 8)sin 22θ 3分 由题意知 I 3＝I 2 / 16 所以 sin 22θ = 1 / 2， ()2/2sin 211-=θ＝22.5° 2分 4. 将两个偏振片叠放在一起，此两偏振片的偏振化方向之间的夹角为o 60，一束光强为I 0 的线偏振光垂直入射到偏振片上，该光束的光矢量振动方向与二偏振片的偏振化方向皆成30°角． (1) 求透过每个偏振片后的光束强度； (2) 若将原入射光束换为强度相同的自然光，求透过每个偏振片后的光束强度．
光纤通信系统中的偏振效应 随着通信技术的飞速发展，电信运营商们正在不断地提高WDM系统中单信道的传输速率，以满足人们对通信带宽的需求。目前，单波长传输速率为10Gb/s的WDM系统正在建设使用中，而传输速率为40Gb/s的WDM系统也已经进入了人们的视野。 在传输速率提高的同时，通信系统对光纤中的偏振模色散（PMD）、电光调制器中的偏振相关调制（PDM），以及光放大器中的偏振相关增益（PDG）等一系列由偏振引起的损害也越来越敏感1。这些损害主要是由光纤本身的缺陷造成的，在理想化的光纤中，传输光的偏振态（SOP）不会发生变化，这些由偏振效应引起的损害也很容易消除。而在实际使用的标准通信光纤中，传输光的偏振态是沿光纤不断变化的（一般来说，普通光纤的输出光为椭圆偏振光，椭圆度不断变化，主轴相对于参考方向成任意角度），产生这种变化的原因是光纤中由热应力、机械应力以及纤芯的不规则性等因素引起的不规则双折射。更糟糕的是，光纤中的双折射效应是随温度、压力、应力以及其它环境因素不断变化的，这就大大增加了偏振相关损害的不可预知性。由于偏振相关损害是随时间变化的，消除他们的方法必须是动态的、可适应随机变化的。动态偏振控制 用于PMD补偿的动态偏振控制器是克服这些损害的最重要的器件，它能够将任意给定的偏振态转变为任何希望得到的偏振态。除了插入损耗低、回波损耗高等优点外，理想的动态偏振控制器还应具备以下几个重要的性能参数： 1、高响应速度是对快速变化的偏振态进行跟踪的必备要素。外界环境会对已铺设的光缆造成不同程度的影响，如火车经过时的振动对沿铁路铺设的光缆、海浪拍击对海底光缆都会产生很大的影响，使光缆中传输光的偏振状态发生快速变化。目前，使用PMD记录仪现场测量，已经可以观测到量级为几个毫秒的快速起伏变化。因此，用于PMD 补偿的动态偏振控制器的响应时间必需小于1ms。在实际应用中，动态偏振控制器的响应时间要求小于100μs。 2、启动损耗，它量度了启动偏振控制器时所引入的插入损耗，定义为在所有可能的启动条件下最大插入损耗和最小插入损耗的差值。由于所有偏振相关损害的补偿机制都是利用反馈信号来激活偏振控制器进行动态偏振控制的，所以，控制器启动时所产生的损耗和波动都可能会使反馈信号产生错误，从而直接导致仪器的性能下降。另外，在使用偏振控制器进行PDL测量的仪器中，启动损耗还会限制仪器测量的分辨率和准确度。类似的，偏振控制器自身的PDL也会使反馈信号产生错误，使补偿的软件、硬件设计变得非常复杂。 3、宽工作带宽对密集波分复用（DWDM）系统来说是非常重要的。足够宽的工作带宽可以使偏振控制器在不同信道具有相同的工作性能，这样不仅可以简化系统的设计，降低系统成本，而且使系统带宽扩展成为可能。 4、偏振控制器的无中断调节也是非常重要的一个特性。因为，在对光网络中，任何偏振状态的重置都可能引起不可预料的信号中断。 目前，商用的偏振控制器根据其技术原理可分为三类：一种是由多个延迟固定、方位角可变的波片组成的；另一种由单个延迟可调、方位角可变的波片组成；还有一种由多个方位角固定、延迟可调的波片组成。 其中，基于固定延迟波片的偏振控制器是波长敏感的，依靠机械旋转来调节波片的偏振控制器调节速度非常慢，除了这些固有的限制外，以上三种方法原则上都是可行的，但具体的实现手段将直接决定产品的性能、成本和可靠性。
光的偏振参考解答 一 选择题 1．一束光强为I 0的自然光，相继通过三个偏振片P 1、P 2、P 3后，出射光的光强为I= I 0/8，已知P 1和P 3的偏振化方向相互垂直，若以入射光线为轴，旋转P 2，要使出射光的光强为零，P 2最少要转过的角度是 （A ）30° （B ）45° （C ）60° （D ）90° [ B ] [参考解] 设P 1与 P 2的偏振化方向的夹角为α ，则8 2s i n 8s i n c o s 202 0220I I I I === ααα ，所以4/πα=，若I=0 ，则需0=α或πα= 。可得。 2．一束光是自然光和线偏振光的混合光，让它垂直通过一偏振片，若以此入射光束为轴旋转偏振 片，测得透射光强度最大值是最小值的5倍，那么入射光束中自然光与线偏振光的光强比值为 （A ）1/2 （B ）1/5 （C ）1/3 （D ）2/3 [ A ] [参考解] 设自然光与线偏振光的光强分别为I 1与 I 2 ，则 1212 1 521I I I ?=+ ，可得。 3．某种透明媒质对于空气的全反射临界角等于45°，光从空气射向此媒质的布儒斯特角是 （A ）35.3° （B ）40.9° （C ）45° （D ）54.7° [ D ] [参考解] 由n 1 45sin = ，得介质折射率2=n ；由布儒斯特定律，21t a n 0==n i ，可得。 4．自然光以60°的入射角照射到某两介质交界面时，反射光为完全偏振光，则知折射光为 （A ）完全偏振光且折射角是30° （B ）部分偏振光且只是在该光由真空入射到折射率为3的介质时，折射角是30° （C ）部分偏振光，但须知两种介质的折射率才能确定折射角 （D ）部分偏振光且折射角是30° [ D ] [参考解] 由布儒斯特定律可知。
光纤传感器的制作工艺及工程应用研究 陈涛 深圳太辰光通信股份有限公司广东深圳518040 摘要：光纤传感器是以光纤为基础制作的新型传感器设备，具有抗电磁干扰能力强、电绝缘性好、耐腐蚀、测量范围广、体积小以及传输容量大等优点，常用于检测位移、温度、偏振、压力等，现代光纤传感器能在高压环境下代替人工完成作业，因此被广泛用于医疗、交通、电力、机械、航空航天等各个领域。如今光纤传感技术的应用推动通信技术的飞速发展，在众多产业有重要的地位。基于此，本文将着重分析探讨光纤传感器的制作工艺及其应用要点。 关键词：光纤传感器；制作；应用 1、光纤传感器基本原理概述 光纤传感器主要分为传感型和传光型等两类，其中传感型的传感器主要是利用被测对象的物理和化学的状态变化来引起光纤传输特性的变化，并通过传光特性来检测光纤中所传输光波的强度、相位等的变化，最终确定被测对象的状态。而传光型的传感器主要是利用被测对象的状态变化，引起光变换器件工作状态的变化，通过利用传光特性来检测光变换器中光纤所传输光波参数的变化，最终确定被测对象的状态。 1）典型的光纤传感器光源有发光二极管和半导体激光器；白炽灯也可用于某些化学传感器。2）光纤包括石英光纤、玻璃光纤和塑料光纤，其中石英光纤和玻璃光纤主要用于红外波段，塑料光纤则主要用于可见光波段；在某些传感器中还需要用专门研制的特殊光纤。3）光纤器件是为了使信号被限制在纤芯范围内传输，或是为了改变光的某些参数使其更适合于测量的部件，典型的光纤器件有光纤耦合器、滤波器、衰减器等，在一些简单的光纤传感器中有时没有光纤器件。4）传感元件是根据被测信号来调制光纤传输光参数的部件，它有时候是光纤本身，如拉曼散射式光纤温度传感器。5）探测器是用来对光信号进行检测的器件，一般包括光电二极管、光电三极管、光电池、光电雪崩二极管、光电倍增管等。6）信号处理单元接收光电探测器输出的电信号，将其还原为被测信号，
5光的偏振参考答案 《大学物理(下)》作业 No.5 光的偏振 一选择题 1.一束光强为I 0的自然光,相继通过三个偏振片P 1、P 2、P 3后,出射光的光强为I= I 0/8,已知P 1和P 3的偏振化方向相互垂直,若以入射光线为轴,旋转P 2,要使出射光的光强为零,P 2最少要转过的角度是 (A )30° (B )45° (C )60° (D )90° [ B ] [参考解] 设P 1与 P 2的偏振化方向的夹角为α ,则8 2s i n 8s i n c o s 202 0220I I I I === ααα ,所以4/πα=,若I=0 ,则需0=α或2 π α= 。可得。 2.一束光是自然光和线偏振光的混合光,让它垂直通过一偏振片,若以此入射光束为轴旋转偏振 片,测得透射光强度最大值是最小值的5倍,那么入射光束中自然光与线偏振光的光强比值为 (A )1/2 (B )1/5 (C )1/3 (D )2/3 [ A ] [参考解] 设自然光与线偏振光的光强分别为I 1与 I 2 ,则 1212 1 521I I I ?=+ ,可得。 3.某种透明媒质对于空气的全反射临界角等于45°,光从空气射向此媒质的布儒斯特角是 (A )35.3° (B )40.9° (C )45° (D )54.7° [ D ] [参考解] 由n 145sin = ,得介质折射率2=n ;由布儒斯特定律,21 t a n 0==n i ,可得。 4.自然光以60°的入射角照射到某两介质交界面时,反射光为完全偏振光,则知折射光为
(A )完全偏振光且折射角是30° (B )部分偏振光且只是在该光由真空入射到折射率为3的介质时,折射角是30° (C )部分偏振光,但须知两种介质的折射率才能确定折射角 (D )部分偏振光且折射角是30° [ D ] [参考解] 由布儒斯特定律可知。 二填空题 1.一束自然光从空气投射到玻璃表面上(空气折射率为1),当折射角为30°时,反射光是完全偏振光,则此玻璃的折射率等于 3 。 [参考解] 由布儒斯特定律,t a n 60 1 n n == ,可得。 2.如图所示,一束自然光入射到折射率分别为n 1和n 2的两种介质的交界面上,发生反射和折射,已知反射光是完全偏振光,那么折射角r 的值为 2 1 arctan n n 。 [参考解] 由由布儒斯特定律,1 2tan n n = ?且折射光和反射光垂直,故21arctan 22n r n ππ ?=-=-。 3.在双折射晶体内部,有某种特定的方向称为晶体的光轴,光在晶体内部沿光轴传播时, o 光 和 e 光的传播速度相等。 三计算题 1. 三个偏振片P 1、P 2、P 3按此顺序叠在一起,P 1、P 3的偏振化方向保持相互垂直,P 1与 P 2的偏振化方向的夹角为α ,P 2可以入射光线为轴转动。今以强度为I 0的单色自然光垂直入射在偏振片上,不考虑偏振片对可透射分量的反射和吸收。 (1)求穿过三个偏振片后的透射光强度I 与α角的函数关系;
第五章 光的偏振 1. 试确定下面两列光波 E 1=A 0[e x cos （wt-kz ）+e y cos （wt-kz-π/2）] E 2=A 0[e x sin （wt-kz ）+e y sin （wt-kz-π/2）]的偏振态。 解 ：E 1 =A 0[e x cos(wt-kz)+e y cos(wt-kz-π/2)] =A 0[e x cos(wt-kz)+e y sin(wt-kz)] 为左旋圆偏振光 E 2 =A 0[e x sin(wt-kz)+e y sin(wt-kz-π/2)] =A 0[e x sin(wt-kz)+e y cos(wt-kz)] 为右旋圆偏振光 2. 为了比较两个被自然光照射的表面的亮度，对其中一个表面直接进行观察，另一个表面 通过两块偏振片来观察。两偏振片透振方向的夹角为60°。若观察到两表面的亮度相同，则两表面的亮度比是多少？已知光通过每一块偏振片后损失入射光能量的10%。 解∶∵亮度比 = 光强比 设直接观察的光的光强为I 0, 入射到偏振片上的光强为I ，则通过偏振片系统的光强为I'： I'=(1/2)I (1-10%)cos 2600?(1-10%) 因此： ∴ I 0/ I = 0.5×(1-10%)cos 2600?(1-10%) = 10.125%. 3. 两个尼科耳N 1和N 2的夹角为60°，在他们之间放置另一个尼科耳N 3，让平行的自然光通过这个系统。假设各尼科耳对非常光均无吸收，试问N 3和N 1 的偏振方向的夹角为何值时，通过系统的光强最大？设入射光强为I 0，求此时所能通过的最大光强。 解：设：P 3与P 1夹角为α，P 2与P 1的夹角为 θ = 600 I 1 = 21 I 0 I 3 = I 1cos 2α = 02I cos 2α I 2 = I 3cos 2(θ-α) = 0 2I cos 2αcos 2(θ-α) 要求通过系统光强最大，即求I 2的极大值 I 2 = I 2cos 2αcos 2(θ-α) = 0 2I cos 2α[1-sin 2(θ-α)] = 08 I [cosθ+ cos （2α-θ）] 2 由 cos （2α-θ）= 1推出2α-θ = 0即α = θ/2 = 30° ∴I 2max = 21 I 0 cos 2αcos 2(θ-α) = 21 I 0 cos 230° cos 230° = 9 32 I 0 4. 在两个理想的偏振片之间有一个偏振片以匀角速度ω绕光的传播方向旋转（见题 5.4图），若入射的自然光强为I 0，试证明透射光强为 N 1 题5.3图
偏振控制器 对于光纤环形偏振控制器， 22R r N m π αλ=?定量地表示所设计光纤圈与光纤结构参数的关系。上式中， ()() 311120.251n P P v α=-+， 对二氧化硅作纤芯和包层的单模光纤，0.133α= 对应等效4λ波片m=4，取N=2；等2λ波片m=2，取N=4，这样两者具有相同的弯曲半径。 将光纤中传输的波长 1.55m λμ=，普通单模光纤包层直径2125r m μ=代入，算得16.85R mm =。将光纤按严格的工艺缠绕在直径为33.7mm 的鼓轮周向槽中，每个光纤圈即可等效为光学波片的作用。 电缆桥架的革命——谈综合布线工程中开放式桥架的运用 随着通信技术的飞速发展，电信运营商们正在不断地提高 WDM 系统中单信道的传输速率，以满足人们对通信带宽的需求。目前，单波长传输速率为 10Gb/s 的 WDM 系统正在建设使用中，而传输速率为 40Gb/s 的 WDM 系统也已经进入了人们的视野。 在传输速率提高的同时，通信系统对光纤中的偏振模色散（ PMD ）、电光调制器中的偏振相关调制（ PDM ），以及光放大器中的偏振相关增益（ PDG ）等一系列由偏振引起的损害也越来越敏感 1 。这些损害主要是由光纤本身的缺陷造成的，在理想化的光纤中，传输光的偏振态（ SOP ）不会发生变化，这些由偏振效应引起的损害也很容易消除。而在实际使用的标准通信光纤中，传输光的偏振态是沿光纤不断变化的（一般来说，普通
光纤的输出光为椭圆偏振光，椭圆度不断变化，主轴相对于参考方向成任意角度），产生这种变化的原因是光纤中由热应力、机械应力以及纤芯的不规则性等因素引起的不规则双折射。更糟糕的是，光纤中的双折射效应是随温度、压力、应力以及其它环境因素不断变化的，这就大大增加了偏振相关损害的不可预知性。由于偏振相关损害是随时间变化的，消除他们的方法必须是动态的、可适应随机变化的。 动态偏振控制 用于 PMD 补偿的动态偏振控制器是克服这些损害的最重要的器件，它能够将任意给定的偏振态转变为任何希望得到的偏振态。除了插入损耗低、回波损耗高等优点外，理想的动态偏振控制器还应具备以下几个重要的性能参数： 1 、高响应速度是对快速变化的偏振态进行跟踪的必备要素。外界环境会对已铺设的光缆造成不同程度的影响，如火车经过时的振动对沿铁路铺设的光缆、海浪拍击对海底光缆都会产生很大的影响，使光缆中传输光的偏振状态发生快速变化。目前，使用 PMD 记录仪现场测量，已经可以观测到量级为几个毫秒的快速起伏变化。因此，用于 PMD 补偿的动态偏振控制器的响应时间必需小于1ms。在实际应用中，动态偏振控制器的响应时间要求小于100μs 。 2 、启动损耗，它量度了启动偏振控制器时所引入的插入损耗，定义为在所有可能的启动条件下最大插入损耗和最小插入损耗的差值。由于所有偏振相关损害的补偿机制都是利用反馈信号来激活偏振控制器进行动态偏振控制的，所以，控制器启动时所产生的损耗和波动都可能会使反馈信号产生错误，从而直接导致仪器的性能下降。另外，在使用偏振控制器进行 PDL 测量的仪器中，启动损耗还会限制仪器测量的分辨率和准确度。类似的，偏振控制器自身的 PDL 也会使反馈信号产生错误，使补偿的软件、硬件设计变得非常复杂。 3、宽工作带宽对密集波分复用( DWDM )系统来说是非常重要的。足够宽的工作带宽可以使偏振控制器在不同信道具有相同的工作性能，这样不仅可以简化系统的设计，降低系统成本，而且使系统带宽扩展成为可能。 4、偏振控制器的无中断调节也是非常重要的一个特性。因为，在对光网络中，任何偏振状态的重置都可能引起不可预料的信号中断。 目前，商用的偏振控制器根据其技术原理可分为三类：一种是由多个延迟固定、方位角可变的波片组成的；另一种由单个延迟可调、方位角可变的波片组成；还有一种由多个方位角固定、延迟可调的波片组成。 其中，基于固定延迟波片的偏振控制器是波长敏感的，依靠机械旋转来调节波片的偏振控制器调节速度非常慢，除了这些固有的限制外，以上三种方法原则上都是可行的，但具体的实现手段将直接决定产品的性能、成本和可靠性。
第十四章 光的偏振和晶体光学 1. 一束自然光以30度角入射到玻璃-空气界面，玻璃的折射率 1.54n =，试计算（1）反射 光的偏振度；（2）玻璃-空气界面的布儒斯特角；（3）以布儒斯特角入射时透射光的偏振度。 解：光由玻璃到空气，354.50sin 1sin ,30,1,54.11212121=??? ? ??-====θθθn n n n o ①()()()() 06305.0tan 1tan ,3528.0sin 1sin 212212-=+-==+-- =θθθθθθθθp s r r 002 22 2 min max min max 8.93=+-=+-=p s p s r r r r I I I I P ②o B n n 3354.11tan tan 1121 =?? ? ??==--θ ③()() 4067.0sin 1sin ,0,57902120 21=+-- ===-==θθθθθθθθs p B B r r 时， 02 98364 .018364.011 ,8364.01=+-===-=P T r T p s s 注：若2 21 122,,cos cos p p s s t T t T n n ηηθθη=== )(cos ,212 2 22 2 0min 0max θθ-=+-= ==p s s p s p s p T T t t t t P I T I I T I 或故 2. 自然光以布儒斯特角入射到由10片玻璃片叠成的玻片堆上，试计算透射光的偏振度。 解：每片玻璃两次反射，故10片玻璃透射率( ) 20 22010.83640.028s s T r =-== 而1p T =，令m m I I in ax τ=，则m m m m I I 110.02689 0.94761I I 10.02689ax in ax in p ττ---= ===+++
对于光纤环形偏振控制器， 22R r N m παλ=?定量地表示所设计光纤圈与光纤结构参数的关系。上式中， ()()311120.251n P P v α=-+， 对二氧化硅作纤芯和 包层的单模光纤，0.133α= 对应等效4λ波片m=4，取N=2；等2λ波片m=2，取N=4，这样两者具有相同的弯曲半径。 将光纤中传输的波长 1.55m λμ=，普通单模光纤包层直径2125r m μ=代入，算得16.85R m m =。将光纤按严格的工艺缠绕在直径为33.7mm 的鼓轮周向槽中，每个光纤圈即可等效为光学波片的作用。 电缆桥架的革命——谈综合布线工程中开放式桥架的运用 随着通信技术的飞速发展，电信运营商们正在不断地提高 WDM 系统中单信道的传输速率，以满足人们对通信带宽的需求。目前，单波长传输速率为 10Gb/s 的 WDM 系统正在建设使用中，而传输速率为 40Gb/s 的 WDM 系统也已经进入了人们的视野。 在传输速率提高的同时，通信系统对光纤中的偏振模色散（ PMD ）、电光调制器中的偏振相关调制（ PDM ），以及光放大器中的偏振相关增益（ PDG ）等一系列由偏振引起的损害也越来越敏感 1 。这些损害主要是由光纤本身的缺陷造成的，在理想化的光纤中，传输光的偏振态（ SOP ）不会发生变化，这些由偏振效应引起的损害也很容易消除。而在实际使用的标准通信光纤中，传输光的偏振态是沿光纤不断变化的（一般来说，普通光纤的输出光为椭圆偏振光，椭圆度不断变化，主轴相对于参考方向成任意角度），产生这种变化的原因是光纤中由热应力、机械应力以及纤芯的不规则性等因素引起的不规则双折射。更糟糕的是，光纤中的双折射效应是随温度、压力、应力以及其它环境因素不断变化的，这就大大增加了偏振相关损害的不可预知性。由于偏振相关损害是随时间变化的，消除他们的方法必须是动态的、可适应随机变化的。 动态偏振控制 用于 PMD 补偿的动态偏振控制器是克服这些损害的最重要的器件，它能够将任意给定的偏振态转变为任何希望得到的偏振态。除了插入损耗低、回波损耗高等优点外，理想的动态偏振控制器还应具备以下几个重要的性能参数：
利用MATLAB，仿真偏振控制器（利用邦加球算法），验证固定偏振态到任意偏振态的转换，其结果布满整个邦加球-MATLAB simulation using polarimetric controller (with), fixed ball algorithm to any polarization transformation of polarization, and the result is full of whole nations plus the ball clear clc %QHQ subplot(1,2,1) [x,y,z]=sphere; mesh(x,y,z); xlabel('S1') ylabel('S2') zlabel('S3') box on colormap(bone); hold on %入射光 %I=[1;0;0;1]; %右旋圆偏振光(可见)
%I=[1;0;0;-1]; %左旋圆偏振光 %I=[1;1;0;0]; %水平线偏振光 %I=[1;-1;0;0]; %垂直线偏振光(可见) %I=[1;0;1;0]; %45度线偏振光 I=[1;0;-1;0]; %-45度线偏振光(可见) %I=[1;-0.2;-0.5;0.8994]; %某一椭圆偏振光plot3(I(2),I(3),I(4),'*') %画出入射光的偏振态位置%各波片的方位角 theta1=rand(1,5000)*pi-pi/2; theta2=rand(1,5000)*pi-pi/2; theta3=rand(1,5000)*pi-pi/2; subplot(1,2,2) [x,y,z]=sphere; mesh(x,y,z); xlabel('S1') ylabel('S2') zlabel('S3') axis([-1,1,-1,1,-1,1]); box on colormap(bone); %求出射光的偏振态 hold on
光的偏振（附答案） 一． 填空题 1. 一束光垂直入射在偏振片P 上,以入射光为轴旋转偏振片,观察通过偏振片P 的光强的变化过程. 若入射光是自然光或圆偏振光, 则将看到光强不变；若入射光是线偏振光, 则将看到明暗交替变化, 有时出现全暗；若入射光是部分偏振光或椭圆偏振光, 则将看到明暗交替变化, 但不出现全暗. 2. 圆偏振光通过四分之一波片后, 出射的光一般是线偏振光. 3. 要使一束线偏振光通过偏振片之后振动方向转过90度角,则至少需要让这束光通过2块理想偏振片,在此情况下,透射光强最大是原来的1/4 倍. 4. 两个偏振片叠放在一起,强度为I 0的自然光垂直入射其上,若通过两个偏振片后的光强为I/8,则此两偏振片的偏振化方向间的夹角为（取锐角）是60度,若在两片之间再插入一片偏振片, 其偏振化方向间的夹角（取锐角）相等,则通过三个偏振片后的投射光强度为9/32 I 0. 5. 某种透明媒质对于空气的临界角（指全反射）等于450, 则光从空气射向此媒质的布儒斯特角是54.70, 就偏振状态来说反射光为完全偏振光, 反射光矢量的振动方向垂直入射面, 透射光为部分偏振光. 6. 一束自然光从空气透射到玻璃表面上（空气折射率为1）, 当折射角为300时, 反射光是完全偏振光, 则此玻璃的折射率等于1.732. 7. 一束钠自然黄光(λ=589.3×10-9m)自空气(设n=1)垂直入射方解石晶片的表面,晶体厚度为0.05 mm, 对钠黄光方解石的主折射率n 0=1.6584、n e =1.4864, 则o 、e 两光透过晶片后的光程差为 8.6 μm , o 、e 两光透过晶片后的相位差为91.7 rad. 8. 在杨氏双缝干涉实验中, 若用单色自然光照射狭缝S, 在屏幕上能看到干涉条纹. 若在双缝S 1和 S 2后分别加一个同质同厚度的偏振片P 1、P 2, 则当P 1与P 2的偏振化方向互相平行或接近平行时, 在屏幕上仍能看到清晰的干涉条纹. 二． 计算题 9. 有一束自然光和线偏振光组成的混合光, 当它通过偏振片时改变偏振片的取向, 发现透射光强可以变化7倍. 试求入射光中两种光的光强度各占总入射光强的比例. 解：设入射光的光强为0I , 其中线偏振光的光强为01I ,自然光的光强为02I .在该光束透过偏振片后, 其光强由马吕斯定律可知:
本技术新型提出了一种电控高精度偏振控制器，包括光纤以及基座，基座上转动安装有第一叶桨及第二叶桨，第一叶桨通过第一转动连接器连接有第一伺服电机，第二叶桨通过第二转动连接器连接有第二伺服电机；基座上设有位于第一伺服电机一侧的第一穿纤座，以及位于第二伺服电机尾端的第二穿纤座；光纤穿过第一穿纤座及第一伺服电机后，于第一叶桨与第二叶桨上进行环绕，并穿过第二伺服电机及第二穿纤座；改善了现有的光纤偏振器采用手动方式调节造成调节精度降低的情况。 技术要求 1.一种电控高精度偏振控制器，包括光纤(1)，其特征在于：包括基座(2)，所述基座(2)上转动安装有第一叶桨(3)及第二叶桨(4)，所述第一叶桨(3)通过第一转动连接器(5)连接有第一伺服电机(6)，所述第二叶桨(4)通过第二转动连接器(7)连接有第二伺服电机(8)；所述基座(2)上设有位于第一伺服电机(6)一侧的第一穿纤座(9)，以及位于第二伺服电机(8)尾端的第二穿纤座(10)；所述光纤(1)穿过第一穿纤座(9)及第一伺服电机(6)后，于第一叶桨(3)与第二叶桨(4)上进行环绕，并穿过第二伺服电机(8)及第二穿纤座(10)。 2.根据权利要求1所述的一种电控高精度偏振控制器，其特征在于：所述第一叶桨(3)与第二叶桨(4)之 间的相对夹角范围为0～270°。
3.根据权利要求2所述的一种电控高精度偏振控制器，其特征在于：所述第一叶桨(3)、第二叶桨(4)均包括穿线座(11)以及固接在穿线座(11)上的缠绕盘(12)，所述缠绕盘(12)内设有用于缠绕光纤(1)的环形架；所述缠绕盘(12)上还设有可拆卸的压盖(13)，所述压盖(13)通过锁紧螺帽(14)锁紧在缠绕盘(12)上。 4.根据权利要求3所述的一种电控高精度偏振控制器，其特征在于：所述光纤(1)于第一叶桨(3)上的缠绕圈数为3圈。 5.根据权利要求3所述的一种电控高精度偏振控制器，其特征在于：所述光纤(1)于第二叶桨(4)上的缠绕圈数为2圈。 6.根据权利要求1～5任意一项所述的一种电控高精度偏振控制器，其特征在于：所述基座(2)包括底板(21)，所述底板(21)上间隔设有用于安装第一转动链接器的第一支撑板(22)以及用于安装第二转动链接器的第二支撑板(23)；所述底板(21)上设有位于第一支撑板(22)与第二支撑板(23)之间连接支座(24)，所述连接支座(24)用于转动连接第一叶桨(3)及第二叶桨(4)。 7.根据权利要求1所述的一种电控高精度偏振控制器，其特征在于：所述第一穿纤座(9)与第二穿纤座(10)均包括固定安装于基座(2)上的支架(15)，支架(15)上开设有穿过光纤(1)的半孔，所述支架(15)上安装有用于压紧光纤(1)的压块(16)。 8.根据权利要求7所述的一种电控高精度偏振控制器，其特征在于：所述支架(15)呈“凸”字形结构。 技术说明书 一种电控高精度偏振控制器 技术领域 本技术新型涉及偏振控制器领域，具体涉及一种电控高精度偏振控制器。 背景技术 偏振控制器主要用于控制、改变光的偏振态，可将任意偏振态的输入偏振光转变为输出端制定的偏振状态，采用波片改变光的波长的偏振态。现有的光纤偏振控制器采用手动方式进行粗略调节造成调节精度降低的情况。 实用新型内容