3 Пример реализации метода в виде датчика этой физической величины

Реализация датчика напряжения на основе эффекта Поккельса.

Чувствительным элементом устройства является ячейка Поккельса, принцип работы которой показан на рисунке 6.

Рисунок 6 – Принцип работы ячейки Поккельса

Между поляроидами П₁ и П₂, главные плоскости которых взаимно перпендикулярны помещается двулучепреломляющий кристалл. Направление электрического поля в ячейке составляет угол π/4 с главными плоскостями П₁ и П₂. Величина напряженности электрического поля подбирается такой, чтобы на длине ячейки набиралась оптическая разность хода между обыкновенным и необыкновенным лучами, равная λ/2. Тогда при приложении к ячейке электрического поля 16лоскость колебаний падающего на нее луча света повернется на π/2 и вышедший из ячейки луч пройдет через поляроид П₂. В отсутствии электрического поля свет через кристалл не проходит.

На рисунке 7 приведена схема устройства для измерения напряжения по интенсивности монохроматического света, прошедшего через оптически анизотропный (одноосный или двуосный) кристалл, помещенный в электрическое поле.

Рисунок 7 – Схема датчика напряжения

1 – источник света; 2 – поляризатор; 3 – ячейка Поккельса; 4 – анализатор; 5 – фотоприемник; 6 – измерительный прибор(вольтметр); 7 – кольцевые электроды.

Измерение напряжения с использованием электрооптического эффекта Поккельса основано на возникновении двулучепреломления поляризованного света, распространяющегося в электрическом поле, создаваемом измеряемым напряжением.

Возникновение линейного электрооптического эффекта поясняется на рисунке 6. Поляризованный луч света, образуемый с помощью источника света 1 и поляризатора 2, проходит через электрическое поле, создаваемое при помощи кольцевых электродов, к которым приложено измеряемое напряжение. При этом луч света направлен перпендикулярно вектору напряженности этого поля. После анализатора 4 свет попадает в фотоприемник 5, где он преобразуется в электрический сигнал, измеряемый прибором 6.

Линейный электрооптический эффект Поккельса наблюдается в пьезоэлектрических кристаллах, находящихся в электрическом поле. В зависимости от направления вектора напряженности электрического поля возникает продольный или поперечный эффект Поккельса. Продольный эффект сильнее всего проявляется в кристаллах дигидрофосфата аммония NH₄H₂PO₄ или гидрофосфата калия KH₂PO₄. Поперечный эффект сильно проявляется в кристаллах ниобата лития LiNbO₃, которые используются в электрооптических модуляторах света.

Интенсивность света на выходе преобразователя Поккельса можно определить из выражения

(3)

где r₆₃ — электрооптический коэффициент кристалла; n₀ — его показатель преломления при отсутствии электрического поля;  — длина волны излучения лазера; Е_X — напряженность электрического поля; l_П — эффективная длина преобразователя Поккельса.

Статическая характеристика преобразователя Поккельса показана на рисунке 7.

Рисунок 7 – Статическая характеристика преобразователя

Следует отметить, что в описанном выше устройстве для измерения напряжения, в принципе, может использоваться любой пьезоэлектрический несимметричный кристаллический материал, который обладает двойным лучепреломлением. Главными факторами, которые определяют возможность использования монокристалла как датчика напряжения, является его область прозрачности, величина двулучепреломления и величина изменения двулучепреломления с наведением электрического.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной курсовой работе был рассмотрен эффект Поккельса (линейный электрооптический), рассмотрен его принцип и продемонстрирован метод измерения физических величин на его основе. Также приведен пример реализации данного метода в качестве датчика, который, как правило, кодирует изменения исследуемого параметра через изменения интенсивности регистрируемого оптического сигнала. Главное преимущество на современном этапе данного эффекта - это его эффективное применение в волоконно-оптических системах (волоконно-оптические системы передачи данных и волоконно-оптические датчики). Главной проблемой использования данного эффекта является его реализация, зачастую существуют более дешевые методы измерения тех или иных физических величин, а погрешность измерения зависит от качества двулучепреломляющих кристаллов и источников излучения.