Электрооптические датчики (ЭОД).
Действие электрооптических датчиков основано на электрооптическом эффекте (ЭОЭ).
ЭОЭ – это изменение коэффициента преломления некоторых материалов под действием электрического поля.
Материалы, обладающие такими свойствами, называют электрооптическими материалами.
Электрооптические эффекты бывают двух видов:
1. Линейный электрооптический эффект Поккельса, при котором коэффициент преломления линейно зависит от силы электрического поля, приложенного к кристаллу, не имеющему внутренней симметрии: n1=k1U. Эффект Поккельса имеет место в пьезокристаллах.
2. Квадратичный электрооптический эффект Керра, при котором коэффициент преломления пропорционален квадрату силы поля вещества с внутренней симметрией: n2=k2U2.
Эффект Покельса проявляется в кристаллах необата лития LiNbO3- кристалл сегнетоэлектрика. Эффект Керра имеет место в нитроглицерине, сероуглероде.
ППЛС – плоско поляризованный луч света.
В технике часто используют эффект Поккельса из-за хорошей линейности.
Рассмотрим схему наблюдения ЭОЭ Поккельса.
Электрическое поле создает в электрооптическом веществе анизотропию (неодинаковость свойств материалов в разных направлений), порождающую двойное лучепреломление. Двойное лучепреломление изменяет поляризацию световой волны. А изменение поляризации широко используется в технике и, в частности, в ЭО датчиках.
На рисунке а и б показана структурная схема наблюдения электрооптического эффекта Поккельса (рис. а) и модуляции света при прохождении светового луча (рис. б). Под действием приложенного к электрооптическому кристаллу электрического поля становятся различными коэффициенты преломления по трем осям кристалла: ось z-оптическая ось, а оси x и y образуют с плоскостью поляризации углы в 45°. Неполяризованный свет лазерного диода(I) приобретает линейную поляризацию(II) после прохождения входного поляризатора П.
Линейно поляризованный свет(II) можно представить в виде двух составляющих x и y, имеющих одинаковые фазы. Когда электрическое поле отсутствует, направление поляризации света после прохождения через кристалл сохраняется и анализатор А, расположенный перпендикулярно входному поляризатору, не дает свету выйти из прибора. Если к кристаллу приложить электрическое напряжение, в нем создается электрическое поле напряженностью Е и, вследствие анизотропии, изменяется коэффициент преломления по осям x и y. Это приведет к различию составляющих скорости света вдоль этих осей и, в свою очередь, к различию фаз проходящего света по составляющим x и y. Разность фаз будет нарастать по мере прохождения света через кристалл. На выходе из кристалла результатом суммирования колебаний по составляющим x и y будет эллиптическиполяризованный свет (III). При этом только часть энергии выйдет из прибора через анализатор-энергия колебаний, имеющих плоскость поляризации, параллельную заданной анализатором.
Значит можно модулировать амплитуду световых волн при помощи электрического напряжения. Если разность хода по составляющим x и y станет равной ½ длине волны, то свет на выходе из кристалла станет линейно поляризованным в направлении, перпендикулярном поляризатору на входе, и интенсивность излучения станет максимальной (IV – линейная поляризация света после анализатора) .
Напряжение, дающее этот эффект, называют полуволновым.
В ЭО модуляторе удобнее использовать материалы с малым полуволновым напряжением.
Световая мощность на выходе анализатора определяется по формуле:
P=P0[1+sinπ(U/Uπ)], где Р0 – мощность света, излучаемого лазерным диодом; U – измеряемое напряжение; Uπ – полуволновое напряжение.
Рассмотрим структурные схемы ЭО датчиков для измерения электрического напряжения:
1.
2.
