传感器原理及其应用 - 传感器基础效应 - 图文

传感器的基础效应

物联网工程专业2011班

目录 光电效应 泡克耳斯效应 克尔效应

电致发光效应 电致发光效应 法拉第效应

磁光克尔效应 科顿-穆顿效应 塞曼效应 光磁效应 霍尔效应 磁阻效应

巨磁阻效应 塞贝克效应 珀尔帖效应 汤姆逊效应 压电效应 声音的多普勒效应

声电效应 声光效应 磁声效应 纳米效应 光弹效应

邹烈勇 陈黎妮 陈萍 黄慧莹 黄慧莹 谢晓君 李菁雯 杨紫霜 陈丹 王行健 陈昊 董扬帆 董扬帆 时红杰 陈霖 陈天恒 谢榕 陶焕 刘进 董涛 柯奕佳 余耀 戴敬禹

光电效应

邹烈勇

中文名称：光电效应 英文名称： photoelectric effect 现象 物质吸收光子并激发出自由电子的行为。 光电效应由德国物理学家赫兹于1887年发现，对发展量子理论起了根本性作用。 大约1900年，马克思·普朗克（Max Planck）对光电效应作出最初解释，并引出了光具有的能量包裹式能量（quantised）这一理论。 1902年，勒纳（Lenard）也对其进行了研究，指出光电效应是金属中的电子吸收了入射光的能量而从表面逸出的现象。但无法根据当时的理论加以解释。 1905年，爱因斯坦26岁时提出光子假设，成功解释了光电效应。 基本原理 外光电效应是指物质吸收光子并激发出自由电子的行为。当金属表面在特定的光辐照作用下，金属会吸收光子并发射电子。 历史 外光电效应 材料 应用 Ag-O-Cs，Cs-Sb 传感器上的应用：制成光电管，光电倍增管 生活中的应用：发光二极管（LED） 泡克耳斯效应

陈黎妮

英文名称 Pockels effect 1893年由德国物理学家F.C.A.泡克耳斯发现。一些晶体在纵向电场（电场方向理论来源 与光的传播方向一致）作用下会改变其各向异性性质，产生附加的双折射效应，称为电致双折射。例如把磷酸二氢钾晶体放置在两块平行的导电玻璃之间，导电玻璃板构成能产生电场的电容器，晶体的不加电场时，入射光在晶体内不发生双折，加电场时。晶体发生双折射。泡克耳斯效应与所加电场强度的一次方成正比。 耳斯效应（Pockels）：平面偏振光沿着处在外电场内的压电晶体的光轴传播时发生双折射现象，且两个主折射率之差与外电场强度成正比，这种电光效应即为泡克耳斯效应。 n1-n2=rE R为比例常数。 Pockels effect 也被称为线性电光效应 基本定义 一种电光效应。某些晶体在电场作用下会产生一个附加的双折射，这一双折射与外加电场强度成正比。1893年德国物理学家F.泡克耳斯首先研究了这种线性电光效应，由此而得名。 （1） 对于晶体，常用折射率椭球描述其折射率特性。在主轴坐标系中可以写为 。（1） 当有外加电场作用时，晶体的折射率发生改变，因而方程（1）各项的系数也有相应的改变，可以写为 基本原理 （2） 式（2）中分别对应折射率椭球方程中x2，y2，z2，yz，xz，xy各项系数的改变量;Ej（j=1，2，3）分别表示电场各分量Ex，Ey，Ez;γj为电光张量，可用一个3×6的矩阵表示，共有18个矩阵元，其中有些可能为零，有些彼此相关。这些关系依赖于晶体的对称性，只是在无中心对称的晶体中才产生这种效应（见晶体物理性能的对称性）。若光沿光轴传播，无外加电场时，没有双折射；若同时有平行于 z轴的电场作用，则有双折射产生。由式（2）可得 式中分别对应折射率椭球方程中x2，y2，z2，yz，xz，xy各项系数的改变量;Ej（j=1，2，3）分别表示电场各分量Ex，Ey，Ez;γj为电光张量，可用一个3×6的矩阵表示，共有18个矩阵元，其中有些可能为零，有些彼此相关。这些关系依赖于晶体的对称性，只是在无中心对称的晶体中才产生这种效应（见晶体物理性能的对称性）。若光沿光轴传播，无外加电场时，没有双折射；若同时有平行于 z轴的电场作用生。由式（2）可得 （3） （3） 式中no为晶体固有的寻常光折射率，ny'与nx'分别表示加电场后在晶体的感生主轴y‵与x‵方向的折射率。为使光波在x‵与y‵两方向的偏振分量之间的位相差为π，所需加的电压值称为半波电压，记为Vλ/2或Vπ，而 ， 不但可以省去一个偏振器，而且调Q电压只需， 5 4 （4） 式中λ为光在真空中的波长。 如上所述，光传播方向与电场方向平行的情况称为纵向电光效应。泡克耳斯盒就是利用纵向电光效应制成的一种快速电光开关。附图表示这种电光开关的一例。圆柱形电光晶体KD*P置于两偏振器P与A之间。圆柱的对称轴即为晶体的光轴方向。与光轴垂直的两端面是透明的。抾与·分别表示线偏振光的偏振方向平行于纸面和垂直于纸面。通过环形电极给晶体施加半波电压Vπ。当偏振器P与A的主轴平行时，光路是关闭的，因为在半波电压作用下，两偏振分量的位相推迟为π，这相当于偏振面旋转了90°。透过P与晶体的偏振光正是 A所不允许通过的。如果突然退掉晶体上的电压，光路立即变为通路。这种电光开关的响应时间小于1纳秒。将泡克耳斯盒置于脉冲激光器的谐振腔内，可做为调Q元件。 若光在晶体中的传播方向与电场垂直，则称为横向电光效应。在这种情况下，可通过增大纵宽比（通光方向长度／加电压方向的厚度）来降低有效半波电压。用于光波振幅调制的电光调制器常采用这种方式。利用泡克耳斯效应也可以做成电光偏转器，用以改变光束的传播方向。 材料 常用的具有泡克耳斯效应的压电材料是磷酸二氢钾（KH2PO4 简称kDP）等。 利用电光效应可以制作电光调制器，电光开关，电光光偏转器等，可用于光闸，激光器的Q开关和光波调制，并在高速摄影，光速测量，光通信和激光测距等激光技术中获得了重要应用。当加在晶体上的电场方向与通光方向平行，称为纵应用 向电光调制（也称为纵向运用）;当通光方向与所加电场方向相垂直，称为横向电光调制（也称为横向运用）。利用电光效应可以实现对光波的振幅调制和位相调制。 利用泡克耳斯效应制成的电光调制器或电光开关，能以25*109Hz的频率调制光度，如调制激光，可制成光纤电压和电场传感器。 克尔效应

陈萍

现象 历史 基本原理 中文名称：克尔效应 英文名称：Keer effect 光照射具有各向同性的透明物质（也可以是液体），在入射光垂直的方向上加以高电压将发生双折射，即一束入射光变成‘寻常’和‘异常’两束出射光。 1875年英国物理学家J·克尔发现光照射具有各向同性的透明物质（也可以是液体），在入射光垂直的方向上加以高电压将发生双折射现象。 放在电场中的物质，由于其分子受到电力的作用而发生取向（偏转），呈现各向异性，结果产生双折射，即沿两个不同方向物质对光的折射能力有所不同。 克尔效应又分为克尔电光效应﹑光学克尔效应和磁学克尔效应。 （1）克尔电光效应： 或直流克尔效应，是特殊情况下，电场是一种缓变的外部应用领域。 分类 （2）光学克尔效应： 电场是由于光本身， 这导致变异的折射率是成正比的地方辐射光。 （3）磁学克尔效应： 根据反映的磁材料具有轻微旋转偏振平面。 材料 具有各向同性的透明物质（也可以是液体） （1）传感器上的应用：制造几乎无惯性的光的开关——光闸 电场的极化作用非常迅速，在加电场后不到10-9秒内就可完成极化过程，撤去电场后在同样短的时间内重新变为各向同性。 （2）生活中的应用：高速摄影、光速测量和激光技术中。 应用

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