一种光学探头与电磁场测量设备及它们的测量方法技术

本发明专利技术公开了一种光学探头与电磁场测量设备及它们的测量方法。光学探头包括准直器、起偏器、石英波片、电光晶体、高反射率介质片、入射光纤、以及石英玻璃管。按照准直器、起偏器、石英波片、电光晶体以及高反射率介质片的顺序依次组装在石英玻璃管中，入射光纤连接到准直器并固定在玻璃管管壁上。本发明专利技术具有体积小、集成度高、对被测电磁场干扰小、抗干扰能力强、空间分辨率高、动态范围大、响应带宽大、动态范围大、灵敏度可根据需要设计调节等优点。本发明专利技术还公开所述光学探头的测量方法、具有所述光学探头的电磁场测量设备、所述电磁场测量设备的测量方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电磁场测量领域的一种光学探头与电磁场测量设备及其它们的测量方法，尤其涉及一种灵敏度可调的用于电磁场测量的光学探头、所述光学探头的测量方法、具有所述光学探头的电磁场测量设备、所述电磁场测量设备的测量方法。
技术介绍
电磁场测量在各种科学
都是一个关键部分，过程控制、医学设备的电场监测、弹道控制、电磁兼容测量、微波集成电路测试、强电场测量等都是电磁场传感器的应用领域。传统的电磁场测量系统通常使用有源金属探头,这会扰乱被测电磁场从而导致测量精度下降，同时该种传感器对电磁噪声特别敏感，在带宽、抗干扰能力以及侵入性等方面存在着明显的缺陷和不足。用光学方法来测量电磁场有其独有的优势，这是由于光信号在传播时几乎不受外界电磁波的影响，有很强的抗干扰能力，所以能很好的解决电磁兼容问题，同时由于光的波长极短、频率极高，使得测量电磁场的光器件具有尺寸小、重量轻和空间分辨率高等特点。专利CN 102472785和专利CN 103105541B均公开了一种用于电磁场测量的方法和装置，利用激光进入到材料并且材料的折射率随着被测电磁场的强度的变化而变化的特性，再通过对激光信号的测量和分析来获得电磁场的信息。该技术具有侵入性小、空间分辨率高、大带宽、抗电磁干扰等巨大的优势，应用前景广阔。但上述两种技术仅仅利用电光晶体作为传感探头，需外接偏振控制器、光学分析仪等分离光器件，并且仅仅利用电光晶体的断面反射的获得反射信号，从而其反射信号光光强较小易受外界扰动的影响。同时该技术未对入射激光的偏振态进行控制，无法保证探头工作在最佳工作点以及根据工作场合的需求来实现对探针灵敏度的选择，因此提出一种集成度更高、稳定性更好、灵敏度可调的用于电磁场测量的微型光学探头十分必要。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提供了一种灵敏度可调的用于电磁场测量的光学探头、所述光学探头的测量方法、具有所述光学探头的电磁场测量设备、所述电磁场测量设备的测量方法，所述光学探头具有体积小、集成度高、对被测电磁场干扰小、抗干扰能力强、空间分辨率高、动态范围大、响应带宽大、动态范围大、灵敏度可根据需要设计调节等优点。本专利技术通过以下技术方案实现：一种灵敏度可调的用于电磁场测量的光学探头，其包括准直器、起偏器、石英波片、电光晶体、高反射率介质片、入射光纤、以及石英玻璃管；按照准直器、起偏器、石英波片、电光晶体以及高反射率介质片的顺序依次组装在石英玻璃管中，入射光纤连接到准直器并固定在玻璃管管壁上。作为上述方案的进一步改进，入射光纤通过点胶固定在玻璃管管壁上；准直器、起偏器、石英波片、电光晶体以及高反射率介质片通过胶固集成在石英玻璃管中。作为上述方案的进一步改进，石英波片的快轴与起偏器的偏振通光轴夹角成45°。本专利技术还提供上述任意灵敏度可调的用于电磁场测量的光学探头的测量方法，通过石英波片调节入射到电光晶体的激光的偏振状态，再利用电光晶体在电磁场中的泡克尔斯效应改变在电磁场中传输的光束的偏振态，使得自高反射率介质片反射的光学信号携带有电磁场的幅度信息，从而通过对光学信号的解调获得被测电磁场的信息。作为上述方案的进一步改进，入射光纤连接到准直器对入射激光进行聚焦准直；准直后的激光经过起偏器和石英波片，通过选择石英波片的类型调节入射激光的初始偏振态；之后激光入射到电光晶体，电光晶体在被测电磁场的作用下，产生电光效应，其光学折射率分布发生变化，导致在其中传输的激光的偏振特性随着被测电磁场变化，从而被测电磁场的电场信号加载到激光光束上；激光光束再经过高反射率介质片被反射，反射后的激光会再次经过电光晶体对其偏振态的调制；之后石英波片和起偏器将被测电磁场信号对激光光束的偏振态调制转化为光强信号的变化，从而经探针输出的光信号通过光电转换和分析检测后获得被测电磁场的信息。进一步地，光学探头根据实际应用场合中被测电磁场场强的动态范围和灵敏度的需要设计选择不同的石英波片，调节入射到电光晶体的激光的偏振状态，使得被测电磁场对激光处于不同的调制工作点，使得光学探头的测量灵敏度不同。本专利技术还提供一种电磁场测量设备，其包括频谱分析仪、光电探测器、激光器、光环行器、光学探头；光学探头为上述任意灵敏度可调的用于电磁场测量的光学探头：激光器发射的激光通过光环行器入到处于被测电磁场中的光学探头，光学探头将调制后载有被测电磁场的激光反射，反射后激光再经过光环行器进入到光电探测器，被光电转换为射频信号后进入到频谱分析仪。本专利技术还提供上述电磁场测量设备的测量方法，通过石英波片调节入射到电光晶体的激光的偏振状态，再利用电光晶体在电磁场中的泡克尔斯效应改变在电磁场中传输的光束的偏振态，使得自高反射率介质片反射的光学信号携带有电磁场的幅度信息，从而通过对光学信号的解调获得被测电磁场的信息。作为上述方案的进一步改进，入射光纤连接到准直器对入射激光进行聚焦准直；准直后的激光经过起偏器和石英波片，通过选择石英波片的类型调节入射激光的初始偏振态；之后激光入射到电光晶体，电光晶体在被测电磁场的作用下，产生电光效应，其光学折射率分布发生变化，导致在其中传输的激光的偏振特性随着被测电磁场变化，从而被测电磁场的电场信号加载到激光光束上；激光光束再经过高反射率介质片被反射，反射后的激光会再次经过电光晶体对其偏振态的调制；之后石英波片和起偏器将被测电磁场信号对激光光束的偏振态调制转化为光强信号的变化，从而经探针输出的光信号通过光电转换和分析检测后获得被测电磁场的信息。进一步地，光学探头根据实际应用场合中被测电磁场场强的动态范围和灵敏度的需要设计选择不同的石英波片，调节入射到电光晶体的激光的偏振状态，使得被测电磁场对激光处于不同的调制工作点，使得光学探头的测量灵敏度不同。本专利技术的优点在于：所述的微型光学探针具有尺寸小、对被测天线单元侵入性低、抗干扰能力强、空间分辨率高、动态范围大、响应带宽大、动态范围大等优点，且多个离散光学元器件集成在光学探头中，集成度高，反射信号强，工作更加稳定可靠，并且可以根据所应用的场合设计相应灵敏度和工作动态范围的光学探头。附图说明图1为本专利技术较佳实施例提供的电磁场测量设备的结构示意图。图2为图1中电磁场测量设备的灵敏度可调的用于电磁场测量的光学探头的结构示意图。具体实施方式以下结合实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不限定本专利技术。请参阅图1，图1为本专利技术较佳实施例提供的电磁场测量设备的结构示意图，也即电磁场测量设备的灵敏度可调的用于电磁场测量的微型光学探头的工作方式示意图。电磁场测量设备包括频谱分析仪1、光电探测器2、激光器3、光环行器4、光学探头5。光学探头5为灵敏度可调的用于电磁场测量的光学探头。激光器3发射的激光通过光环行器4进入到处于被测电磁场中的光学探头5，光学探头5将调制后载有被测电磁场的激光反射，该激光再经过光环行器4进入到光电探测器2，被光电转换为射频信号后进入到频谱分析仪1，从而获得与被测电磁场幅度成一定比例关系的电学信号，通过分析和处理该电学信号便可获得被测电磁场的信息。所述灵敏度可调的用于电磁场测量的微型光学探头5的结构如图2所示。光学探头5主要由准直器8、起偏器9、石英波片10、电光晶体11、入射光纤13、高反射率介质片本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种灵敏度可调的用于电磁场测量的光学探头；其特征在于：其包括准直器(8)、起偏器(9)、石英波片(10)、电光晶体(11)、高反射率介质片(12)、入射光纤(13)、以及石英玻璃管(6)；按照准直器(8)、起偏器(9)、石英波片(10)、电光晶体(11)以及高反射率介质片(12)的顺序依次组装在石英玻璃管(6)中，入射光纤(13)连接到准直器(8)并固定在玻璃管(6)管壁上。

【技术特征摘要】
1.一种灵敏度可调的用于电磁场测量的光学探头；其特征在于：其包括准直器(8)、起偏器(9)、石英波片(10)、电光晶体(11)、高反射率介质片(12)、入射光纤(13)、以及石英玻璃管(6)；按照准直器(8)、起偏器(9)、石英波片(10)、电光晶体(11)以及高反射率介质片(12)的顺序依次组装在石英玻璃管(6)中，入射光纤(13)连接到准直器(8)并固定在玻璃管(6)管壁上。2.如权利要求1所述的灵敏度可调的用于电磁场测量的光学探头，其特征在于：入射光纤(13)通过点胶(7)固定在玻璃管(6)管壁上；准直器(8)、起偏器(9)、石英波片(10)、电光晶体(11)以及高反射率介质片(12)通过胶固集成在石英玻璃管(6)中。3.如权利要求1所述的灵敏度可调的用于电磁场测量的光学探头，其特征在于：石英波片(10)的快轴与起偏器(9)的偏振通光轴夹角成45°。4.一种如权利要求1至3中任意一项所述的灵敏度可调的用于电磁场测量的光学探头的测量方法，其特征在于：通过石英波片(10)调节入射到电光晶体(11)的激光的偏振状态，再利用电光晶体(11)在电磁场中的泡克尔斯效应改变在电磁场中传输的光束的偏振态，使得自高反射率介质片(12)反射的光学信号携带有电磁场的幅度信息，从而通过对光学信号的解调获得被测电磁场的信息。5.如权利要求4所述的灵敏度可调的用于电磁场测量的光学探头的测量方法，其特征在于：入射光纤(13)连接到准直器(8)对入射激光进行聚焦准直；准直后的激光经过起偏器(9)和石英波片(10)，通过选择石英波片(10)的类型调节入射激光的初始偏振态；之后激光入射到电光晶体(11)，电光晶体(11)在被测电磁场的作用下，产生电光效应，其光学折射率分布发生变化，导致在其中传输的激光的偏振特性随着被测电磁场变化，从而被测电磁场的电场信号加载到激光光束上；激光光束再经过高反射率介质片(12)被反射，反射后的激光会再次经过电光晶体(11)对其偏振态的调制；之后石英波片(10)和起偏器(9)将被测电磁场信号对激光光束的偏振态调制转化为光强信号的变化，从而经探针输出的光信号通过光电转换和分析检测后获得被测电磁场的信息。6.如权利要求5所述的灵敏度可调的用于电磁场测量的光学探头的测量方法，其特征在于：...

【专利技术属性】
技术研发人员：张业斌，田晓光，王昌雷，武帅，张思敏，盛永鑫，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第三十八研究所，
类型：发明
国别省市：安徽;34