基于克尔材料的高压电场强度测量系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种基于克尔材料的高压电场强度测量系统，依次包括激光源，相位物体，第一透镜，克尔材料元件，第二透镜及测量元件，所述相位物体、所述第一透镜、所述克尔材料元件、所述第二透镜以及测量元件构成4f系统，所述克尔材料元件在所述第一透镜与所述第二透镜的公共焦平面上。通过激光光斑能量变化可快速准确获得高压电场强度参数。本实用新型专利技术还公开了一种高压电场强度的测量方法。公开了一种高压电场强度的测量方法。公开了一种高压电场强度的测量方法。

【技术实现步骤摘要】
基于克尔材料的高压电场强度测量系统


[0001]本技术涉及电场强度测量领域，具体地说，涉及高压电场强度的测量装置。

技术介绍

[0002]1875年，苏格兰物理学家John Kerr发现某些物质在电场的作用下，其分子受到电场的作用会发生取向偏转，从而呈现各向异性，结果产生了双折射，这就是克尔电光效应(Kerr，John,”A new relation between electricity and light:Dielectrified media birefringent”,1985,4.50(332):337
‑
348)。克尔效应自被发现以来，由于其电场极化作用的速度非常快、分子取向转换非常迅速的特点，在许多领域都获得了重要应用。
[0003]2015年，T Kamiya等人提出了一种利用气体克尔效应来测量交流高压的测量装置(Kamiya,T.,et al."High voltage measuring apparatus based on kerr effect in gas."2015,IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation 22(2):760
‑
765)，利用SF6、N2、CO2和CF3等气体的克尔效应，测量了130kV、50Hz的交流电压。但这种装置对系统的调制频率要求较高。

技术实现思路

[0004]本技术提供了一种基于克尔材料的高压电场强度测量系统，可以精确快速测量高压电场强度参数。
[0005]根据本技术所提供的测量装置，依次包括激光源，相位物体，第一透镜，克尔材料元件，第二透镜及测量元件，所述相位物体、所述第一透镜、所述克尔材料元件、所述第二透镜以及测量元件构成4f系统，所述克尔材料元件在所述第一透镜与所述第二透镜的公共焦平面上。
[0006]优选地，相位物体与克尔材料元件分别在第一透镜两侧的焦平面上。
[0007]优选地，克尔材料元件与测量元件分别在第二透镜两侧的焦平面上。
[0008]优选地，相位物体与克尔材料分别在第一透镜两侧的焦平面上。
[0009]优选地，克尔材料与测量元件分别在第二透镜两侧的焦平面上。
[0010]优选地，相位物体对激光源的激光束的相位调制为π/2。
[0011]优选地，第一透镜和所述第二透镜焦距相同，测量元件为能量计。
[0012]优选地，测量系统还包括参考光路，参考光路包括分光镜和能量计，其中分光镜设置于相位物体与第一透镜之间，测量元件为为CCD、LCoS、或DMD中的一种。
[0013]本技术在根据上述测量系统，利用高压电场对克尔材料光学折射率变化的影响，可以通过测量克尔材料对激光调制前后的光斑信息，快速准确地得出高压电场强度信息。
附图说明
[0014]附图1为本技术一实施例的测量装置示意图；
[0015]附图2为本技术又一实施例的测量装置示意图
[0016]附图3为本技术克尔材料调制前后光斑半径与能量变化的图。
[0017]其中：
[0018]1激光源；2相位物体；3第一凸透镜；4克尔材料元件；5第二透镜；6测量元件；7分光镜；8能量计
具体实施方式
[0019]有关本技术的前述及其他
技术实现思路
、特点与功效，在以下配合参考图式的一优选实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本技术。下面结合附图对本技术作进一步详细的说明：
[0020]如图1所示，为本技术一实施例中基于克尔材料的高压电场强度测量系统的示意图。测量系统包括激光源1，相位物体2，第一透镜3，克尔材料元件4，第二透镜5，以及测量元件6，其中，克尔材料元件在第一透镜3和第二透镜5的公共焦平面上，克尔材料元件可以是磷酸二氢钾晶体、立方钙钛矿型晶体钛酸钡、钛酸锶、玻璃、硝酸苯、间硝基甲苯、二氧化碳等材料。本实施例中，第一透镜3与第二透镜5的焦距相同，且相位物体2在第一透镜3相对克尔材料元件另一侧的焦平面上，测量元件6在第二透镜5相对克尔材料元件的另一侧焦平面上。测量元件6为能量计，这里仅为示例，并不局限于此。
[0021]在进行对高压电场强度进行测量时，需分别获取没有高压电场情形下激光束参考信息，以及获取有高压电场时克尔材料调制后的激光束信息，通过没有高压电场情形下激光束参考信息和有高压电场时克尔材料调制后的激光束信息进行运算获得高压电场强度信息。获取没有高压情形下激光束参考信息与获取有高压电场时克尔材料调制后的激光束信息的步骤不分先后。具体来说，获取激光束参考信息即在没有高压电场的情况下，直接通过测量元件6记录经相位物体2调制后的激光源1发出的激光束信息的光斑；将克尔元件材料置于高压电场内，通过测量元件记录经相位物体2与克尔材料调制后的激光光斑，通过前后两次光斑的能量变化可以计算出克尔材料的非线性相移分为两小步：首先根据下式得到S
L
，S
L
为高压电场中克尔材料出射面激光光场的电场分布；
[0022]I(x,y)＝|λfFT
‑1S
L
(u,v)H(u,v)|2[0023]f为焦距，λ为激光波长，FT
‑
1为逆傅里叶变换，H(u,v)为4f系统相干光学系统的传递函数，这些为已知参量，I(x，y)为测量元件获取的参数；其次根据下式获得非线性相移
[0024][0025]其中S(u,v)为克尔材料入射面激光光场的电场分布，为已知参量。
[0026]在获得非线性相移后，再根据下式得到高压电场下克尔材料的非线性光学参数(三阶非线性折射率)：
[0027][0028]n2为高压电场下三阶非线性折射率，L为克尔材料的厚度，I(u,v)为入射到克尔材
料的光强，为非线性光学相移，k为波矢，其中I(x，y)与I(u，v)为线性关系，可通过参考光光强与测量元件获取的光强得到二者关系I(x，y)＝T*I(u，v)；进而Δn＝|n2‑
n1|，n1为未加高压电场时克尔材料的折射率。
[0029]进一步根据克尔材料的非线性光学参数激光波长之间的关系计算出高压电场强度信息。
[0030]Δn＝λKE2[0031]K为克尔系数，E为高压电场强度；进一步的根据电场产生的原理可以得到高压电压值，比如电场为平行板电容器之间的电场，本技术可测得的高压电压值在千伏以上。
[0032]如图2所示，为本技术又一实施例中基于克尔材料的高压电场强度测量系统的示意图。与图1所示不同的是，本实施例中增设了参考光路，参考光路上设有分光镜7和能量计8，测量元件6为CCD、LCoS、或DMD中的一种。能量计8获取的能量与测量元件6直接读取的灰度参数成线性关系。
[0033]根据图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于克尔材料的高压电场强度测量系统，依次包括激光源，相位物体，第一透镜，克尔材料元件，第二透镜及测量元件，其特征在于，所述相位物体、所述第一透镜、所述克尔材料元件、所述第二透镜以及测量元件构成4f系统，所述克尔材料元件在所述第一透镜与所述第二透镜的公共焦平面上。2.根据权利要求1所述的基于克尔材料的高压电场强度测量系统，其特征在于，所述相位物体与所述克尔材料元件分别在所述第一透镜两侧的焦平面上。3.根据权利要求1所述的基于克尔材料的高压电场强度测量系统，其特征在于，所述克尔材料元件与所述测量元件分别在所述第二透镜两侧的焦平面上。4.根据权利要求1所述的基于克尔材料的高压电场强度测量系统，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋瑛林，吴幸智，储祥勇，
申请(专利权)人：苏州微纳激光光子技术有限公司，
类型：新型
国别省市：