基于电致旋光效应的互易型电压/电场传感器光路系统技术方案

本发明专利技术公开了基于电致旋光效应的互易型电压/电场传感器光路系统，本发明专利技术利用以PbMoO4晶体为例的四方晶系、4/m点群晶体的电致旋光效应实现对电压场变化的敏感测量。集成传感单元包含光纤准直器、金属电极片I、敏感晶体、金属电极片II、反射镜和陶瓷基座等，是电致旋光效应的发生单元，同时具备光路径调整作用。集成传感单元采用光学集成方案，提高了敏感单元的可靠性，有效扩展了该方案的环境适应性，提高了实用性。本发明专利技术光路系统实现了光路的互易型设计，提高了系统的测量精度和抗干扰能力。能力。能力。

【技术实现步骤摘要】
基于电致旋光效应的互易型电压/电场传感器光路系统


[0001]本专利技术属于光学电压/电场传感
，具体涉及一种新型基于电致旋光效应的互易型电压/电场传感器光路系统设计。

技术介绍

[0002]目前光学电压传感器方案有Pockels效应利用外电场引起晶体折射率变化，然而由于晶体存在自然双折射现象，不均匀电场产生影响较明显；本专利技术提出基于电致旋光效应的测量方案，利用外电场引起晶体材料的旋光性变化，即具有电致旋光效应的材料在外电场的作用下，出射光偏振面相对于入射光旋转了一个角度。同时可通过选择只存在线性电致旋光效应的晶体来避免电光效应的影响。对于电致旋光效应的应用，有方案采用直通方案，直接将电压施加在晶体两侧通过起偏检偏来检测不同电压下入射光和出射光的旋转角度变化来测量电压电话，该方案可有效验证电致旋光效应的效果，但在工程化设计应用中具有敏感度低、抗干扰能力差和信号解调难度大等困难。

技术实现思路

[0003]本专利技术技术解决问题：克服现有技术的不足，提出一种基于电致旋光效应的互易型光学电压光路及传感单元设计，解决了现有技术方案光路复杂、抗干扰能力差和工程化应用不足的问题。
[0004]本技术方案是通过如下方式实现的：
[0005]基于电致旋光效应的互易型电压/电场传感器光路系统，包括：光源、光纤耦合器、Y波导、偏振分束器、保偏延迟线圈、λ/4波片、集成传感单元、光电探测器和信号处理单元；
[0006]光源、光纤耦合器、Y波导、偏振分束器、保偏延迟线圈、λ/4波片和集成传感单元依次通过光纤相连接；
[0007]光源发射光束经过光纤耦合器传输至Y波导并分光成两束线偏振光，两束线偏振光经偏振分束器后合成两束正交线偏振光，经保偏延迟线圈后，两束正交线偏振光经λ/4波片调整为左旋、右旋的圆偏振光，两束圆偏振光入射集成传感晶体单元；
[0008]集成传感晶体单元用于使两束圆偏振光受电场或电压作用发生旋光效应，并使光路原路返回；
[0009]返回光经λ/4波片、保偏延迟线圈、偏振分束器后，在Y波导处发生干涉，干涉光入射光纤耦合器，光纤耦合器将干涉光中的部分分光输出给光电探测器；
[0010]所述光电探测器与所述光纤耦合器相连接；
[0011]信号处理单元接收光电探测器输出的电信号，根据电信号确定相位调制信号，相位调制信号用于控制Y波导的调试相位φ
t
；
[0012]光电探测器将光信号转变为电信号后，对电信号进行解调处理得到电压或电场产生的相位信息，从而得到电压或电场信息。
[0013]优选地，光源发射光束为消光比≥15dB的高偏光。
[0014]优选地，所述集成传感单元包括：含光纤准直器、金属电极片I、敏感晶体、金属电极片II、反射镜和陶瓷基座；
[0015]光纤准直器、金属电极片I、电致旋光效应敏感晶体、金属电极片II和反射镜依次沿轴向通过光学固定工艺顺次粘接，然后固定于陶瓷基座上；
[0016]两束圆偏振光入射进集成传感晶体单元，先经过光纤准直器准直后进入敏感晶体，敏感晶体采用纵向调制方式，敏感晶体两侧金属电极片I和金属电极片II与入射光垂直；
[0017]所述金属电极片I和金属电极片II与待测装置的电压极板正负极相连接或置于待测装置的电场中；
[0018]光纤准直器的出射光能够经敏感晶体入射到反射镜上，并原路径返回。
[0019]优选地，敏感晶体的材料为PbMoO4、Pb5Si4(VO4)2或Pb5Ge4(VO4)2中的任意一个。
[0020]优选地，金属电极片I和金属电极片II电极面与电场方向垂直。
[0021]优选地，敏感晶体的两端面镀金属电极作为金属电极片I和金属电极片II；
[0022]采用在金属电极片I和金属电极片II中间打孔方式或在与敏感晶体接触一侧镀透明导电膜，使得光纤准直器的出射光能够经敏感晶体入射到反射镜上，并原路径返回。
[0023]优选地，金属电极片I和金属电极片II上孔径的取值范围0.2～0.5mm。
[0024]优选地，金属电极片II外侧面镀金属反射膜作为反射镜。
[0025]优选地，待测装置的电压极板的电压U确定方法，具体为：
[0026]U＝Δφnλ/πγ
l
[0027][0028]其中，n为敏感晶体的折射率，λ为光源出射光束的波长，γ
l
为敏感晶体材料的电致旋光系数，敏感晶体上入射光和出射光的旋转角度为4Δφ；I为光电探测器接收到的光强，φ
t
为Y波导的调试相位，I0为光源的光强。
[0029]优选地，待测装置的电场强度E确定方法，具体为：
[0030]E＝Δφnλ/πγ
l
L
[0031][0032]其中，γ
l
为敏感晶体材料的电致旋光系数，L为敏感晶体光传输方向的长度，n为敏感晶体的折射率，λ为光源出射光束的波长；敏感晶体上入射光和出射光的旋转角度为4Δφ；I为光电探测器接收到的光强，φ
t
为Y波导的调试相位，I0为光源的光强。
[0033]本专利技术与现有技术相比的优点在于：
[0034]本专利技术利用具有电致旋光效应，但无自然旋光性、电光效应等其他干扰光学效应的晶体特性，设计了反射式光路系统，增加了电致旋光效应产生的旋转角度，提高了效应的敏感性和测量角度。通光互易型光路设计，加强了系统的抗干扰能力。利用光学集成化设计，提高了传感单元的集成化程度，促进了光学电压传感器的工程化应用实现。
附图说明
[0035]图1所示为本专利技术的光路系统图；
[0036]图2所示为本专利技术的集成传感单元图；
[0037]图3所示为本专利技术的敏感晶体通光通电方式示意图。
具体实施方式
[0038]为了使本专利技术所解决的技术问题、技术方案及有益效果更佳清楚明白，以下结合附图及实施例，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，并不用于限定本专利技术。
[0039]本专利技术中所述的互易型电压/电场传感器光路系统，基于电致旋光效应来精确测量电压/电场。所述完整光路部分设计为：
[0040]如图1所示，本专利技术完整光路包含光源1、光纤耦合器2、Y波导3、偏振分束器4、保偏延迟线圈5、λ/4波片6、集成传感单元7和光电探测器8组成，具体实施过程中，光源1可采用具有较高的光谱宽度的超辐射发光二极管，以减小寄生干涉，同时光源应配置电流输出稳定的驱动电路设计，目的为获得较稳定的尾纤输出光功率和波长稳定性，进而得到高信噪比的干涉信号。光源的类型有多种，实施例可以选择多种类型，对光源的类型不加以限定。
[0041]信号处理单元9接收光电探测器8输出的电信号，根据电信号确定相位调制信号，相位调制信号用于控制Y波导3的调试相位φ
t
；
[0042]光源1、光纤耦合器2、Y波导3、偏振分束器4、保偏延本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于电致旋光效应的互易型电压/电场传感器光路系统，其特征在于，包括：光源(1)、光纤耦合器(2)、Y波导(3)、偏振分束器(4)、保偏延迟线圈(5)、λ/4波片(6)、集成传感单元(7)、光电探测器(8)和信号处理单元(9)；光源(1)、光纤耦合器(2)、Y波导(3)、偏振分束器(4)、保偏延迟线圈(5)、λ/4波片(6)和集成传感单元(7)依次通过光纤相连接；光源(1)发射光束经过光纤耦合器(2)传输至Y波导(3)并分光成两束线偏振光，两束线偏振光经偏振分束器(4)后合成两束正交线偏振光，经保偏延迟线圈(5)后，两束正交线偏振光经λ/4波片(6)调整为左旋、右旋的圆偏振光，两束圆偏振光入射集成传感晶体单元(7)；集成传感晶体单元(7)用于使两束圆偏振光受电场或电压作用发生旋光效应，并使光路原路返回；返回光经λ/4波片(6)、保偏延迟线圈(5)、偏振分束器(4)后，在Y波导(3)处发生干涉，干涉光入射光纤耦合器(2)，光纤耦合器(2)将干涉光中的部分分光输出给光电探测器(8)；所述光电探测器(8)与所述光纤耦合器(2)相连接；信号处理单元(9)接收光电探测器(8)输出的电信号，根据电信号确定相位调制信号，相位调制信号用于控制Y波导(3)的调试相位φ
t
；光电探测器(8)将光信号转变为电信号后，对电信号进行解调处理得到电压或电场产生的相位信息，从而得到电压或电场信息。2.根据权利要求1所述的基于电致旋光效应的互易型电压/电场传感器光路系统，其特征在于，光源(1)发射光束为消光比≥15dB的高偏光。3.根据权利要求1所述的基于电致旋光效应的互易型电压/电场传感器光路系统，其特征在于，所述集成传感单元(7)包括：含光纤准直器(71)、金属电极片I(72)、敏感晶体(73)、金属电极片II(74)、反射镜(75)和陶瓷基座(76)；光纤准直器(71)、金属电极片I(72)、电致旋光效应敏感晶体(73)、金属电极片II(74)和反射镜(75)依次沿轴向通过光学固定工艺顺次粘接，然后固定于陶瓷基座(76)上；两束圆偏振光入射进集成传感晶体单元(7)，先经过光纤准直器(71)准直后进入敏感晶体(73)，敏感晶体(73)采用纵向调制方式，敏感晶体(73)两侧金属电极片I(72)和金属电极片II(74)与入射光垂直；所述金属电极片I(72)和金属电极片II(74)与待测装置的电压极板正负极相连接或置于待测装置的电场中；光纤准直器(71)的出射光能够经敏感晶体(7...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨娅姣，曾令强，马云龙，谭金权，龙娅，赵冬颖，赵立凯，马嫒，刘朝阳，王明，于朋娇，魏辰刚，张鑫，
申请(专利权)人：北京航天时代光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：