[發明專利]一種基于微納光纖倏逝場及電光聚合物的電場傳感器

有效

• 申請號: 201710286741.4
• 申請日: 2017-04-27
• 公開（公告）號: CN106896277B
• 公開（公告）日: 2020-03-17
• 發明（設計）人: 謝樹果;張崇輝;郝旭春;王天恒
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01R29/12
• 分類號: G01R29/12
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 楊學明;顧煒

本發明涉及一種基于微納光纖倏逝場及電光聚合物的電場傳感器，包括激光光源、中段拉伸為微納光纖的單模光纖、電光聚合物、光電探測器。激光光源通過單模光纖與包裹在電光聚合物的微納光纖連接，當光沿著微納光纖傳輸時有一大部分能量以倏逝場的形式進行傳輸，微納光纖增強了光場與外界物質相互作用，外界電場的變化會引起包裹微納光纖的電光聚合物的折射率的變化，即微納光纖周圍環境的折射率發生變化。微納光纖與電光聚合物之間折射率的變化會導致倏逝場能量的損耗發生變化。最終使用光電探測器對輸出光的強度進行檢測，就可以得出外界電場信息。

技術領域

本發明屬于光纖元件及光纖傳感領域，具體涉及一種基于微納光纖倏逝場及電光聚合物的電場傳感器。

背景技術

電場測量在諸多科學研究和工程技術領域均具有重要意義。隨著通信技術的飛速發展，惡劣的電磁環境會直接影響系統和設備的正常運行，因此電場強度的測量在電磁兼容方面占有重要地位。

傳統的電場測量方法在實際應用中表現出諸多缺點，現有電磁測量系統通常使用有源金屬探頭，這不僅會對被測電磁場產生干擾，還會使測量信號受到電磁噪聲的干擾，導致無法測得正確結果。此外，傳統電磁測量器件還存在體積過大、頻率響應范圍過窄等問題。電場測量屬于介入測量，傳感器的介入會畸變待測點電場。當傳感器在狹小空間內靠近電子設備表面進行抵近測量時，傳感器對待測電場的畸變會更顯著。電場畸變程度和范圍與傳感器介質的介電常數和電導率有關，傳統電場傳感器不免帶有金屬導體，由于感應電場的擾動使被測場產生畸變，從而限制了測量值的正確性和空間分辨率。同時當測量天線近場數值時，傳統探測器和天線之間的多次反射會造成所有天線遠場參數測量結果都有誤差。

從不受電磁干擾影響這一點出發，僅在測量部分需要少量介質材料的光學電場傳感器，在電場測量中的應用特別具有吸引力。光電電場傳感器利用外加電場改變介質的光學特性從而對光信號進行調制，通過光信號相位幅值等的變化來檢測電場信號，此類型傳感器具有電磁兼容性強、對源場干擾小等優點。采用光學電場傳感器，可以使得整個電場測量系統變成超小型，并具有不會干擾被測電場、器件工作穩定可靠、體積小、易集成等優點，同時還可通過光纖連接實現遠距離控制與監測。

光纖作為構建光子學器件最基本的結構單元，也逐漸進入微型化發展的階段，微納光纖在實現傳統光纖功能外，還具有很多不同于普通光纖的特性。當光纖的直徑達到微納量級時，光纖內的光場有很大一部分能量分布在光纖之外，稱為倏逝場。這部分光纖之外的倏逝場與環境發生相互作用后，可根據輸出光的強度或相位信息得到待測量數據，其靈敏度非常高。因此微納光纖非常適合設計制作結構緊湊靈敏度高的傳感器。

作為傳感介質的非線性光學材料中，基于電光效應的電光材料一直是較為重要的研究領域之一。早期研究的電光材料多為無機或者半導體晶體材料，這類材料電光系數通常較小，制作工藝比較復雜。從80年代末人們開始關注聚合物器件，利用各種不同的極化手段使聚合物具有各向異性，從而獲得二階非線性效應。極化后的聚合物又稱為電光聚合物，在外部電場的作用下，材料的折射率會隨外加電場的改變而改變。它具有介電系數小、折射率調整范圍大、調制速率高、易于加工、成本低廉等優點。

相比于傳統的電學電場傳感器，光學電場傳感器在解決現代工業中電場測量的新問題、新情況時具有非常明顯的優勢，比如抗電磁干擾等惡劣環境，同時新材料的誕生和光纖光學的深入研究也給電場傳感器更大的發展空間。

發明內容

本發明的目的解決現有技術中結構復雜且制作過程相對復雜的問題，本發明是結合微納光纖倏逝場傳輸的光學特性和電光聚合物隨外加電場變化折射率發生變化的特性，提出一種基于微納光纖倏逝場及電光聚合物的電場傳感器。該傳感器具有靈敏度高、結構簡單、體積小、結構緊湊等優點，具有廣泛的應用前景。