一种基于牛顿环金属光栅实现的光学电压互感器制造技术

本发明专利技术涉及一种基于牛顿环金属光栅实现的光学电压互感器，具体为一种基于牛顿环金属光栅实现电光相位延迟线性测量的光学电压互感器。牛顿环金属光栅刻槽为等间距的同心圆，由同心圆组成的圆环内径为8mm，外径为10mm。光栅周期为150nm，厚度为100nm，占空比为0.5；入射线偏振光经过电光晶体和四分之一波片，偏振面发生旋转，通过牛顿环金属光栅检偏；光栅将线偏振光转换为具有暗纹的圆形光斑，其暗纹的方向与线偏振光的偏振面垂直；通过四象限探测器检测光斑图像中暗纹的方向，实现对偏振面旋转角度的测量。

An Optical Voltage Transformer Based on Newton Ring Metal Grating

The invention relates to an optical voltage transformer based on Newton ring metal grating, in particular to an optical voltage transformer based on Newton ring metal grating for linear measurement of electro-optic phase delay. The groove of Newton ring metal grating is a concentric circle with equal spacing. The inner diameter and outer diameter of the circle consisting of concentric circles are 8 mm and 10 mm respectively. The grating period is 150 nm, the thickness is 100 nm and the duty cycle is 0.5. The polarization plane rotates when the incident linearly polarized light passes through the electro-optic crystal and quarter-wave plate, and the polarization is detected by Newton ring metal grating. The grating converts the linearly polarized light into a circular spot with dark stripes, whose direction of dark stripes is perpendicular to the polarization plane of linearly polarized light. Four-quadrant detector detects the direction of dark stripes in the spot image to measure the rotation angle of the polarization plane.

【技术实现步骤摘要】
一种基于牛顿环金属光栅实现的光学电压互感器
本专利技术涉及属于电力系统电压测量
，具体涉及一种基于牛顿环金属光栅实现对电光相位延迟角线性测量的光学电压互感器。
技术介绍
目前，光学电压互感器的基本原理主要有Pockels效应、Kerr效应、逆压电效应和集成光学型等，其中以基于Pockels效应的光学电压互感器最为常见。Pockels效应是指电光晶体在外加电场的作用下，晶体的折射率随电场发生线性变化，使得沿某一方向通过电光晶体的线偏振光产生电光相位延迟，延迟量与外加电场成正比，因而可以通过测量电光相位延迟得到待测电压。通常认为现有的技术还不能直接测量电光相位延迟，因此借助于偏光干涉检测模式，将相位延迟转换为光强变化，通过检测光强的大小间接测量电压。这一测量模式存在以下问题：1）测量范围小。仅能近似线性地测量有限的电光相位延迟，限制了互感器的测量范围；2)光功率相关性。测量准确度易受光功率波动的影响，降低互感器可靠性和长期运行的稳定性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于牛顿环金属光栅实现的光学电压互感器，可以对电光相位延迟角线性地测量，测量范围不受晶体半波电压的限制，测量结果与光功率无关。为实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种基于牛顿环金属光栅实现的光学电压互感器，包括光源、偏振片、电光晶体、四分之一波片、牛顿环金属光栅、四象限探测器；光源出射的光经偏振片产生线偏振光，线偏振光经电光晶体与四分之一波片使得线偏振光偏振面发生旋转；出射的线偏振光经牛顿环金属光栅转换为具有暗纹的圆形光斑，暗纹的方向与线偏振光偏振面方向严格垂直，且电光相位延迟角是暗纹旋转角度的2倍；通过四象限探测器测量光斑和暗纹的旋转角，即可实现电光相位延迟角的线性测量。在本专利技术一实施例中，所述牛顿环金属光栅刻槽为等间距的同心圆。在本专利技术一实施例中，所述同心圆组成的圆环内径为8mm，外径为10mm。在本专利技术一实施例中，所述牛顿环金属光栅厚度为100nm，占空比为0.5。在本专利技术一实施例中，所述牛顿环金属光栅的光栅周期，即同心圆金属条纹的间距小于入射光波长。在本专利技术一实施例中，所述牛顿环金属光栅的光栅周期为150nm。在本专利技术一实施例中，该光学电压互感器的工作原理为：光源经过起偏器得到线偏振光，线偏振光通过电光晶体，被分解为两个偏振方向正交的线偏振光o光和e光；由于两束偏振光的折射率不同，o光和e光在晶体内传播预定距离后产生电光相位延迟；四分之一波片将电光相位延迟转换为线偏振光偏振面的旋转，且旋转的角度正比于电场的大小；从四分之一波片出射的线偏振光经过牛顿环金属光栅，被分解为偏振方向互相垂直的TM波与TE波，仅有偏振方向与牛顿环金属光栅金属条纹垂直的TM波可以透过牛顿环金属光栅传播，其偏振方向为径向，从而形成具有暗纹的圆形光斑；暗纹的方向与线偏光的偏振面垂直，通过四象限探测器测量光斑和暗纹的旋转角，即可得出线偏光偏振面的旋转角度，计算出电场的大小。相较于现有技术，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术的一种基于牛顿环金属光栅实现的光学电压互感器，可以对电光相位延迟角线性地测量，测量范围不受晶体半波电压的限制，测量结果与光功率无关。附图说明图1为本专利技术原理图。图2为本专利技术牛顿环金属光栅的示意图。图3为偏振面为竖直方向的线偏光通过牛顿环金属光栅后形成的光斑图像。具体实施方式下面结合附图，对本专利技术的技术方案进行具体说明。本专利技术提供了一种基于牛顿环金属光栅实现的光学电压互感器，包括光源、偏振片、电光晶体、四分之一波片、牛顿环金属光栅、四象限探测器；光源出射的光经偏振片产生线偏振光，线偏振光经电光晶体与四分之一波片使得线偏振光偏振面发生旋转；出射的线偏振光经牛顿环金属光栅转换为具有暗纹的圆形光斑，暗纹的方向与线偏振光偏振面方向严格垂直，且电光相位延迟角是暗纹的旋转角度的2倍，通过四象限探测器测量光斑和暗纹的旋转角，即可实现电光相位延迟角的线性测量。所述牛顿环金属光栅刻槽为等间距的同心圆。所述同心圆组成的圆环内径为8mm，外径为10mm。所述牛顿环金属光栅厚度为100nm，占空比为0.5。所述牛顿环金属光栅的光栅周期，即同心圆金属条纹的间距小于入射光波长。所述牛顿环金属光栅的光栅周期为150nm。本专利技术光学电压互感器的工作原理为：光源经过起偏器得到线偏振光，线偏振光通过电光晶体，被分解为两个偏振方向正交的线偏振光o光和e光；由于两束偏振光的折射率不同，o光和e光在晶体内传播预定距离后产生电光相位延迟；四分之一波片将电光相位延迟转换为线偏振光偏振面的旋转，且旋转的角度正比于电场的大小；从四分之一波片出射的线偏振光经过牛顿环金属光栅，被分解为偏振方向互相垂直的TM波与TE波，仅有偏振方向与牛顿环金属光栅金属条纹垂直的TM波可以透过牛顿环金属光栅传播，其偏振方向为径向，从而形成具有暗纹的圆形光斑；暗纹的方向与线偏光的偏振面垂直，通过四象限探测器测量光斑和暗纹的旋转角，即可得出线偏光偏振面的旋转角度，计算出电场的大小。以下为本专利技术的具体实现过程。本专利技术的目的是提出一种基于牛顿环金属光栅实现的光学电压互感器，采用牛顿环金属光栅可以对电光相位延迟角线性地测量，测量结果与光功率的大小无关，仅与光强的分布有关。本专利技术如图1所示，由光源[1]、起偏器[2]、电光晶体[3]、四分之一波片[4]、牛顿环金属光栅[5]、四象限探测器[6]组成。光源和起偏器产生线偏振光，电光晶体与四分之一波片将待测电场大小转换为线偏光偏振面的旋转角度，牛顿环金属光栅将线偏振光转换为具有暗纹的圆形光斑。暗纹的方向与线偏光偏振面方向严格垂直，电光相位延迟角是暗纹的旋转角度的2倍。因此，通过四象限探测器测量光斑和暗纹的旋转角可以实现电光相位延迟角的线性测量。该光学电压互感器的工作原理如下：如图1所示，光源[1]经过起偏器[2]得到线偏振光，线偏振光通过电光晶体[3]，被分解为两个偏振方向正交的线偏振光o光和e光，由于两个偏振方向的折射率不同，o光和e光在晶体内传播一定距离后产生电光相位延迟。四分之一波片[4]将电光相位延迟转换为线偏振光偏振面的旋转，且旋转的角度正比于电场的大小。从四分之一波片出射的线偏振光经过牛顿环金属光栅[5]，形成有暗条纹的圆形光斑。暗条纹的方向与线偏光的偏振面垂直。通过四象限探测器检测暗纹的方向，可以得出线偏光偏振面的旋转角度，计算出电场的大小。牛顿环金属光栅的结构如图2所示，光栅刻槽为等间距的同心圆。同心圆组成的圆环内径为8mm，外径为10mm。光栅周期为150nm，厚度为100nm，占空比为0.5。线偏振光进入金属光栅，被分解为偏振方向互相垂直的TM波与TE波，仅有偏振方向与金属条纹垂直的TM波可以透过光栅传播，其偏振方向为径向；出射光为具有暗纹的圆环形光斑，其暗纹的方向与线偏振光的偏振面垂直，如图3所示。以上是本专利技术的较佳实施例，凡依本专利技术技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本专利技术技术方案的范围时，均属于本专利技术的保护范围。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于牛顿环金属光栅实现的光学电压互感器，其特征在于，包括光源、偏振片、电光晶体、四分之一波片、牛顿环金属光栅、四象限探测器；光源出射的光经偏振片产生线偏振光，线偏振光经电光晶体与四分之一波片使得线偏振光偏振面发生旋转；出射的线偏振光经牛顿环金属光栅转换为具有暗纹的圆形光斑，暗纹的方向与线偏振光偏振面方向严格垂直，且电光相位延迟角是暗纹旋转角度的2倍；通过四象限探测器测量光斑和暗纹的旋转角，即可实现电光相位延迟角的线性测量。

【技术特征摘要】
1.一种基于牛顿环金属光栅实现的光学电压互感器，其特征在于，包括光源、偏振片、电光晶体、四分之一波片、牛顿环金属光栅、四象限探测器；光源出射的光经偏振片产生线偏振光，线偏振光经电光晶体与四分之一波片使得线偏振光偏振面发生旋转；出射的线偏振光经牛顿环金属光栅转换为具有暗纹的圆形光斑，暗纹的方向与线偏振光偏振面方向严格垂直，且电光相位延迟角是暗纹旋转角度的2倍；通过四象限探测器测量光斑和暗纹的旋转角，即可实现电光相位延迟角的线性测量。2.根据权利要求1所述的一种基于牛顿环金属光栅实现的光学电压互感器，其特征在于，所述牛顿环金属光栅刻槽为等间距的同心圆。3.根据权利要求2所述的一种基于牛顿环金属光栅实现的光学电压互感器，其特征在于，所述同心圆组成的圆环内径为8mm，外径为10mm。4.根据权利要求2所述的一种基于牛顿环金属光栅实现的光学电压互感器，其特征在于，所述牛顿环金属光栅厚度为100nm，占空比为0.5。5.根据权利要求2所述的一种基于牛顿环金属光栅实现的光学电压互感器，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐启峰，黄奕钒，谢楠，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：福建,35