[發明專利]光電集成三維電場傳感器系統

有效

• 申請號: 201110123298.1
• 申請日: 2011-05-12
• 公開（公告）號: CN102288839A
• 公開（公告）日: 2011-12-21
• 發明（設計）人: 曾嶸;王博;牛犇;余占清;何金良
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G01R29/12
• 分類號: G01R29/12
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 廖元秋

技術領域

本發明屬于電場測量技術領域，涉及一種基于電光效應的光電集成電場傳感器，可應用于三維電場的測量，尤其適于高電場幅值情況下的抵近測量。

背景技術

電場測量正面臨著越來越多的需求：在電磁兼容領域，射頻電場的測量可用于研究電子設備所產生的電磁輻射，同時可檢測外界電場對電子設備本身的影響，此類電場具有幅值低和頻率高的特點。在電力系統中，直流、工頻及瞬態電場的測量可用于評估設備的絕緣安全，研究局部放電及電暈放電等現象，此類電場具有幅值高和頻帶寬(DC-100MHz)的特點。在核電磁脈沖領域，電磁輻射的測量可用于研究核電磁輻射的危害及其防護，此類電場上升沿可達數ns，幅值可達數kV/m。傳統的電磁式電場傳感器已無法滿足電場測量對帶寬、響應速度、電磁兼容等方面的要求。誕生于20世紀80年代的光電集成電場傳感器，經過近30年的發展，可以滿足上述各領域電場測量的要求。

值得主意的是，目前關于光電集成電場傳感器的研究主要集中于一維測量，即僅適用于電場方向已知的測量。由于電場強度為矢量，至少測量二維電場才能滿足方向未知的電場測量要求：對于平行平面場和旋轉球面場，必須測量二維電場才能得出電場強度矢量；對于其他方向未知的電場，需要測量三維電場才能求得電場強度矢量。為解決此問題，有人研制了三維電場傳感器[K?Tajima，R?Kobayashi等，“基于馬赫-曾德干涉儀的各向同性光學電場傳感器的發展”，IEICE?Transactions?Electron，2002，E85-C(4)：961-967]，圖1是其截面剖示圖，本質上是將三個一維電場傳感頭S固定在三棱柱101的三個面上，102是圓柱形的封裝管殼。圖2是該三維電場傳感器系統示意圖，激光源103中的光束分別通過輸入光纖104進入3支傳感頭，三支傳感頭分別測量三個方向的電場。從波導中輸出的光通過輸出光纖105傳輸至光接收機106，即可獲得三個方向的電場，經過一定的算法可求得合成場強。

但是，已有的這種三維電場傳感器的空間分辨率差，三支傳感頭分別位于截面邊長為cm量級的三棱柱的三個面上，在應用中把所測的合成場強看做是三棱柱中心處的電場強度矢量，這種近似會帶來較大誤差。此外，這種傳感器的工藝復雜，傳感頭的感應方向需要與三棱柱的邊成54.7°的角度。因此，上述已知方案受空間分辨率等因素的限制，無法完成強電場抵近測量。

已有共路干涉儀型傳感器系統的結構如圖3所示，包括激光源207、輸入保偏光纖208、傳感頭S、輸出保偏光纖209、偏振分束器210和光探測器211。其中傳感頭S采用Z向傳光的鈮酸鋰(LiNbO₃)晶體212，在晶體表面利用鈦(Ti)金屬擴散法制作沿Z方向的直通光波導213。

該傳感器的工作原理為：激光源207產生的線偏振光通過輸入保偏光纖208進入光波導213后按照TE和TM兩種模式傳輸；在X或Y方向電場的作用下，兩種模式的傳播常數β_TE和β_TM將發生互補的變化，使波導出射的光變成橢圓偏振光；通過輸出保偏光纖209將橢圓偏振態傳輸至偏振分束器210，經過檢偏后偏振態信號轉變為光強度信號。光強度信號傳輸至光探測器211后轉變為電壓信號，該電壓信號與外加電場成正弦函數關系。傳感器的傳遞函數如式1所示。

其中k₁和k₂分別為傳感器在X和Y方向電場作用下的刻度因數；為傳感器的光學偏置點，取決于光波導的尺寸；b為傳感器的消光比，取決于光纖與光波導的耦合工藝；A反映了光路損耗及光電轉換系數。由式1可知，這種共路干涉儀型電場傳感器同時受到X和Y兩個方向電場的調制作用，只能應用于方向已知的電場測量。

發明內容

本發明的目的旨在克服已有技術的不足之處，提供一種光電集成三維電場傳感器系統，適用于檢測三維電場，具有工藝簡單，空間分辨率高的優點，可以實現抵近測量。

本發明提出的一種光電集成三維電場傳感器系統，該系統包括激光源、保偏光纖耦合器、輸入保偏光纖、起偏器、保偏尾纖、傳感頭、偏振分束器、輸出單模光纖和光接收機。其中，激光源的輸出端依次通過保偏光纖耦合器、輸入保偏光纖、起偏器、第一段保偏尾纖與傳感頭的輸入端相連，傳感頭的輸出端依次通過第二段保偏尾纖、信號偏振分束器、輸出單模光纖與光接收機的輸入端相連；其特征在于，該傳感頭為在沿垂直光軸方向切割與沿平行光軸方向通光的鈮酸鋰板的表面通過鈦金屬擴散形成三條平行貫穿的光波導；在第一光波導的表面敷兩側設垂直的偶極子天線和電極，在第三光波導的表面敷設屏蔽電極。