基于复合光涡旋的晶体电流传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于复合光涡旋的晶体电流传感器，其激光发射单元输出线偏振态基模高斯光束，复合光束生成单元将线偏振态的基模高斯光束分成两路，并将两路光调制成光涡旋光束，再合束并转换为圆偏振态的复合光涡旋光束，晶体传感单元将复合光涡旋光束沿晶体光轴通入晶体中，并施加电流产生沿晶体光轴方向的磁场，检测单元探测施加磁场前后的复合光涡旋光束的光强分布，复合光涡旋光束发生偏转，并通过偏转度大小计算对应所加电流大小，从而实现电流传感的功能。本发明专利技术利用光涡旋在传输过程中保持圆偏振态特性，利用法拉第磁光效应引起光束偏振态的改变能在复合光斑中直接体现的原理，有效解决因线性双折射使得光纤电流互感器灵敏度降低的问题。

【技术实现步骤摘要】
基于复合光涡旋的晶体电流传感器
本专利技术涉及一种晶体电流传感器，特别是涉及一种Sagnac干涉仪型的晶体电流传感器，应用于磁场测量及电流传感的

技术介绍
目前，多数光学电流互感器的原理都是基于法拉第磁光效应，其在实用化过程中遇到了一对矛盾：一方面石英光纤的维尔德常数较低，为了提高灵敏度需增加光纤环的缠绕匝数；另一方面，光纤匝数的增加会额外的引入线性双折射，引入的线性双折射使得光纤电流互感器的灵敏度降低，过大的线性双折射甚至会抑制法拉第效应。光涡旋光束可以有无限多个本征态，并且本征态之间是相互正交的，这就相当于为我们提供了一个新的通信维度，是未来可能采用的最具潜力的通信方式之一。另外，考虑到目前全光纤电流传感器所遇到的线性双折射问题以及光涡旋光束在高灵敏度传感和高精确度测量中的潜在应用价值，研究如何利用光涡旋光束实现对电流的高灵敏度、高精确度的检测与传感具有重大的研究意义，成为亟待解决的技术问题。
技术实现思路
为了解决现有技术问题，本专利技术的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种基于复合光涡旋的晶体电流传感器，是一种全新的、有别于传统电流检测方式的基于复合光涡旋的晶体电流传感装置。本专利技术充分利用光涡旋在传输过程中可以保持很好的圆偏振态的特性，利用法拉第磁光效应引起光束偏振态的改变能在复合光斑中直接体现的原理，有效解决因线性双折射使得光纤电流互感器的灵敏度降低的问题，从而实现电流传感的功能。为达到上述专利技术创造目的，本专利技术采用下述技术方案：一种基于复合光涡旋的晶体电流传感器，包括激光发射单元、前端非偏振分束器、复合光束生成单元、晶体传感单元和检测单元，激光发射单元的输出端连接前端非偏振分束器的输入端，复合光束生成单元的输入端和输出端皆连接前端非偏振分束器的信号端，前端非偏振分束器的输出端连接晶体传感单元的输入端，晶体传感单元的输出端连接检测单元的输入端；激光发射单元用于输出线偏振态的基模高斯光束，激光发射单元输出的线偏振态的基模高斯光束的波长在复合光束生成单元可调制的光波长范围内；前端非偏振分束器使线偏振态的基模高斯光束直接通过，向复合光束生成单元输入线偏振态的基模高斯光束；复合光束生成单元用于将接收到的线偏振态的基模高斯光束转换成光涡旋光束，复合光束生成单元先将接收到的线偏振态的基模高斯光束转换成圆偏振态的基模高斯光束，再将圆偏振态的基模高斯光束均分成两路线偏振光，然后将两路线偏振光调制成光涡旋光束，再合束并转换为圆偏振态的复合光涡旋光束，然后输出至前端非偏振分束器；前端非偏振分束器还能将来自复合光束生成单元生成的复合光涡旋光束反射至晶体传感单元；晶体传感单元主要包括晶体，晶体传感单元用于将来自复合光束生成单元生成的复合光涡旋光束通入晶体中，并施加沿晶体光轴方向的磁场，使施加磁场后产生法拉第磁光效应，然后将施加磁场前后的复合光涡旋光束反射至检测单元；检测单元用于探测来自晶体传感单元的施加磁场前后的复合光涡旋光束的光强分布，并计算加磁场前后光斑的偏转角，然后利用检测单元的数据处理模块和检测单元外联的上位机，通过对光斑的偏转度的大小计算，对应所加电流的大小，从而实现对电流的传感检测。作为优选的技术方案，激光发射单元主要包括共轴设置的保偏宽带可调谐激光器、单模保偏跳线和光纤准直器，且激光发射单元的各光学器件都与前端非偏振分束器共轴设置，光纤准直器输出端作为激光发射单元的输出端连接前端非偏振分束器的输入端；保偏宽带可调谐激光器用于产生线偏振态的基模高斯光；单模保偏跳线连接保偏宽带可调谐激光器，用于输出激光，并保持光的偏振态不变；光纤准直器用于将光束进行准直并扩束，使光纤准直器输出端发射出的激光形成一束平行的线偏振态的基模高斯光束。作为优选的技术方案，激光发射单元的输出端输出的光束处于水平状态，复合光束生成单元能将接收到的线偏振态的基模高斯光束转换成圆偏振态的基模高斯光束并均分成两路，一路为一束水平线偏振光，另一路为一束垂直线偏振光，并将两路线偏振光调制成光涡旋光束，再合束并转换为圆偏振态的复合光涡旋光束。作为进一步优选的技术方案，复合光束生成单元主要包括四分之一玻片、偏振分束器、道威棱镜、液晶空间光调制器、半波片和反射镜，其中四分之一玻片、偏振分束器、道威棱镜和前端非偏振分束器保持共轴位置关系设置；液晶空间光调制器是反射式纯相位调制的液晶空间光调制器，激光发射单元输出的线偏振态的基模高斯光束的波长在液晶空间光调制器可调制的光波长范围内；四分之一玻片入射面还作为出光面，四分之一玻片的一个侧面作为复合光束生成单元的输入端和输出端的共用端，并连接前端非偏振分束器的输入端和输出端的共用端；四分之一玻片的另一个侧面也作为输出端和接收端的共用端，与偏振分束器的信号端连接；道威棱镜设置在偏振分束器和液晶空间光调制器之间形成一路光处理装置，在偏振分束器和液晶空间光调制器之间还设有反射镜和半波片组成的另一路光处理装置；四分之一玻片用于将来自激光发射单元经过前端非偏振分束器导入的线偏振态的基模高斯光束转换成圆偏态的基模高斯光束，然后输入至偏振分束器；偏振分束器将四分之一玻片输出的圆偏态的基模高斯光束分成等光强的一束水平线偏振光和一束垂直线偏振光，其中水平线偏振光直接通过道威棱镜向液晶空间光调制器方向入射；反射镜和半波片用于反射垂直线偏振光，并将垂直线偏振光转换为水平线偏振光，然后也向液晶空间光调制器方向入射；经偏振分束器、反射镜和半波片得到的两束水平线偏光同时入射到液晶空间光调制器，经相位调制后生成两束携带轨道角动量的同旋向的光涡旋光束，其中一路光涡旋光束经道威棱镜后旋向反向，之后两路旋向相反的光涡旋光束再经过偏振分束器向四分之一玻片传输，四分之一玻片将得到的两路相互正交的线偏振态的反旋向光涡旋光束转换为左右旋圆偏振光，得到复合光涡旋光束，再经过前端非偏振分束器向晶体传感单元的输入端方向入射。作为优选的技术方案，晶体传感单元的晶体采用锗酸铋晶体。作为优选的技术方案，晶体传感单元主要由磁铁系统、后端非偏振分束器、晶体和反射镜组成，其中晶体、后端非偏振分束器和前端非偏振分束器保持共轴设置，其中磁铁系统用于产生沿晶体光轴方向的磁场；后端非偏振分束器将施加磁场前后反射回来的复合光涡旋光束反射至检测单元的输入端；复合光涡旋光束沿晶体的光轴方向入射，使施加磁场后产生法拉第磁光效应；反射镜将复合光涡旋光束反射后再通过晶体，使法拉第磁光效应加倍，然后将复合光涡旋光束通过后端非偏振分束器向检测单元的输入端传播。作为进一步优选的技术方案，磁铁系统用于施加不同大小电流后产生沿晶体光轴方向的不同强度的可变磁场。作为优选的技术方案，检测单元主要包括线偏振片和红外相机，其中线偏振片、红外相机的镜头和后端非偏振分束器保持共轴设置；线偏振片用于提取入射的复合光涡旋光束的线偏振分量，得到光强分布呈花瓣状的光涡旋光环晶格；红外相机用于探测花瓣状的光涡旋光环晶格在施加磁场前后的改变，并捕捉施加磁场前后的光斑图像，采集在晶体传感单元中施加磁场前的复合光涡旋光束的光强分布和施加磁场后的复合光涡旋光束的光强分布数据。作为优选的技术方案，检测单元的数据处理模块和检测单元外联的上位机能比较加磁场前后的复合光涡旋光束的光强分布。作为优选的技术方案，通过检测单元的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于复合光涡旋的晶体电流传感器，其特征在于：包括激光发射单元(A)、前端非偏振分束器(4)、复合光束生成单元(B)、晶体传感单元(C)和检测单元(D)，所述激光发射单元(A)的输出端连接前端非偏振分束器(4)的输入端，复合光束生成单元(B)的输入端和输出端皆连接前端非偏振分束器(4)的信号端，前端非偏振分束器(4)的输出端连接晶体传感单元(C)的输入端，晶体传感单元(C)的输出端连接检测单元(D)的输入端；激光发射单元(A)用于输出线偏振态的基模高斯光束，激光发射单元(A)输出的线偏振态的基模高斯光束的波长在复合光束生成单元(B)可调制的光波长范围内；前端非偏振分束器(4)使线偏振态的基模高斯光束直接通过，向复合光束生成单元(B)输入线偏振态的基模高斯光束；复合光束生成单元用于将接收到的线偏振态的基模高斯光束转换成光涡旋光束，复合光束生成单元(B)先将接收到的线偏振态的基模高斯光束转换成圆偏振态的基模高斯光束，再将圆偏振态的基模高斯光束均分成两路线偏振光，然后将两路线偏振光调制成光涡旋光束，再合束并转换为圆偏振态的复合光涡旋光束，然后输出至前端非偏振分束器(4)；前端非偏振分束器(4)还能将来自复合光束生成单元(B)生成的复合光涡旋光束反射至晶体传感单元(C)；晶体传感单元(C)主要包括晶体(13)，晶体传感单元(C)用于将来自复合光束生成单元(B)生成的复合光涡旋光束沿晶体(13)光轴方向通入晶体(13)中，并施加沿晶体光轴方向的磁场，使施加磁场后产生法拉第磁光效应，然后将施加磁场前后的复合光涡旋光束反射至检测单元(D)；检测单元(D)用于探测来自晶体传感单元(C)的施加磁场前后的复合光涡旋光束的光强分布，并计算加磁场前后光斑的偏转角，然后利用检测单元(D)的数据处理模块和检测单元(D)外联的上位机，通过对光斑的偏转度的大小计算，对应所加电流的大小，从而实现对电流的传感检测。...

【技术特征摘要】
1.一种基于复合光涡旋的晶体电流传感器，其特征在于：包括激光发射单元(A)、前端非偏振分束器(4)、复合光束生成单元(B)、晶体传感单元(C)和检测单元(D)，所述激光发射单元(A)的输出端连接前端非偏振分束器(4)的输入端，复合光束生成单元(B)的输入端和输出端皆连接前端非偏振分束器(4)的信号端，前端非偏振分束器(4)的输出端连接晶体传感单元(C)的输入端，晶体传感单元(C)的输出端连接检测单元(D)的输入端；激光发射单元(A)用于输出线偏振态的基模高斯光束，激光发射单元(A)输出的线偏振态的基模高斯光束的波长在复合光束生成单元(B)可调制的光波长范围内；前端非偏振分束器(4)使线偏振态的基模高斯光束直接通过，向复合光束生成单元(B)输入线偏振态的基模高斯光束；复合光束生成单元用于将接收到的线偏振态的基模高斯光束转换成光涡旋光束，复合光束生成单元(B)先将接收到的线偏振态的基模高斯光束转换成圆偏振态的基模高斯光束，再将圆偏振态的基模高斯光束均分成两路线偏振光，然后将两路线偏振光调制成光涡旋光束，再合束并转换为圆偏振态的复合光涡旋光束，然后输出至前端非偏振分束器(4)；前端非偏振分束器(4)还能将来自复合光束生成单元(B)生成的复合光涡旋光束反射至晶体传感单元(C)；晶体传感单元(C)主要包括晶体(13)，晶体传感单元(C)用于将来自复合光束生成单元(B)生成的复合光涡旋光束沿晶体(13)光轴方向通入晶体(13)中，并施加沿晶体光轴方向的磁场，使施加磁场后产生法拉第磁光效应，然后将施加磁场前后的复合光涡旋光束反射至检测单元(D)；检测单元(D)用于探测来自晶体传感单元(C)的施加磁场前后的复合光涡旋光束的光强分布，并计算加磁场前后光斑的偏转角，然后利用检测单元(D)的数据处理模块和检测单元(D)外联的上位机，通过对光斑的偏转度的大小计算，对应所加电流的大小，从而实现对电流的传感检测。2.根据权利要求1所述基于复合光涡旋的晶体电流传感器，其特征在于：激光发射单元(A)主要包括共轴设置的保偏宽带可调谐激光器(1)、单模保偏跳线(2)和光纤准直器(3)，且激光发射单元(A)的各光学器件都与前端非偏振分束器(4)共轴设置，所述光纤准直器(3)输出端作为所述激光发射单元(A)的输出端连接前端非偏振分束器(4)的输入端；保偏宽带可调谐激光器(1)用于产生线偏振态的基模高斯光，并保持光的偏振态不变；单模保偏跳线(2)用于输出激光；光纤准直器(3)用于将光束进行准直并扩束，使所述光纤准直器(3)输出端发射出的激光形成一束平行的线偏振态的基模高斯光束。3.根据权利要求1所述基于复合光涡旋的晶体电流传感器，其特征在于：所述激光发射单元(A)的输出端输出的光束处于水平状态，复合光束生成单元(B)能将接收到的线偏振态的基模高斯光束转换成圆偏振态的基模高斯光束并均分成两路，一路为一束水平线偏振光，另一路为一束垂直线偏振光，并将两路线偏振光调制成光涡旋光束，再合束并转换为圆偏振态的复合光涡旋光束。4.根据权利要求3所述基于复合光涡旋的晶体电流传感器，其特征在于：复合光束生成单元(B)主要包括四分之一玻片(5)、偏振分束器(6)、道威棱镜(7)、液晶空间光调制器(8)、半波片(9)和反射镜(10)，其中四分之一玻片(5)、偏振分束器(6)、道威棱镜(7)和前端非偏振分束器(4)保持共轴位置关系设置；液晶空间光调制器(8)是反射式纯相位调制的液晶空间光调制器，激光发射单元(A)输出的线偏振态的基模高斯光束的波长在液晶空间光调制器(8)可调制的光波长范围内；四分之一玻片(5)入射面还作为出光面，四分之一玻片(5)的一个侧面作为复合光束生成单元(B)的输入端和输出端的共用端，并连接前端非偏振分束器(4)的输入端和输出端的共用端；四分之一玻片(5)的另一...

【专利技术属性】
技术研发人员：王廷云，喻双凤，庞拂飞，李先进，郭强，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：上海,31