[發明專利]基于復合光渦旋的晶體電流傳感器

有效

• 申請號: 201710377187.0
• 申請日: 2017-05-25
• 公開（公告）號: CN107064595B
• 公開（公告）日: 2019-08-06
• 發明（設計）人: 王廷云;喻雙鳳;龐拂飛;李先進;郭強
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: G01R15/24
• 分類號: G01R15/24;G02B27/28
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 顧勇華

本發明公開了一種基于復合光渦旋的晶體電流傳感器，其激光發射單元輸出線偏振態基模高斯光束，復合光束生成單元將線偏振態的基模高斯光束分成兩路，并將兩路光調制成光渦旋光束，再合束并轉換為圓偏振態的復合光渦旋光束，晶體傳感單元將復合光渦旋光束沿晶體光軸通入晶體中，并施加電流產生沿晶體光軸方向的磁場，檢測單元探測施加磁場前后的復合光渦旋光束的光強分布，復合光渦旋光束發生偏轉，并通過偏轉度大小計算對應所加電流大小，從而實現電流傳感的功能。本發明利用光渦旋在傳輸過程中保持圓偏振態特性，利用法拉第磁光效應引起光束偏振態的改變能在復合光斑中直接體現的原理，有效解決因線性雙折射使得光纖電流互感器靈敏度降低的問題。

技術領域

本發明涉及一種晶體電流傳感器，特別是涉及一種Sagnac干涉儀型的晶體電流傳感器，應用于磁場測量及電流傳感的技術領域。

背景技術

目前，多數光學電流互感器的原理都是基于法拉第磁光效應，其在實用化過程中遇到了一對矛盾：一方面石英光纖的維爾德常數較低，為了提高靈敏度需增加光纖環的纏繞匝數；另一方面，光纖匝數的增加會額外的引入線性雙折射，引入的線性雙折射使得光纖電流互感器的靈敏度降低，過大的線性雙折射甚至會抑制法拉第效應。

光渦旋光束可以有無限多個本征態，并且本征態之間是相互正交的，這就相當于為我們提供了一個新的通信維度，是未來可能采用的最具潛力的通信方式之一。另外，考慮到目前全光纖電流傳感器所遇到的線性雙折射問題以及光渦旋光束在高靈敏度傳感和高精確度測量中的潛在應用價值，研究如何利用光渦旋光束實現對電流的高靈敏度、高精確度的檢測與傳感具有重大的研究意義，成為亟待解決的技術問題。

發明內容

為了解決現有技術問題，本發明的目的在于克服已有技術存在的不足，提供一種基于復合光渦旋的晶體電流傳感器，是一種全新的、有別于傳統電流檢測方式的基于復合光渦旋的晶體電流傳感裝置。本發明充分利用光渦旋在傳輸過程中可以保持很好的圓偏振態的特性，利用法拉第磁光效應引起光束偏振態的改變能在復合光斑中直接體現的原理，有效解決因線性雙折射使得光纖電流互感器的靈敏度降低的問題，從而實現電流傳感的功能。

為達到上述發明創造目的，本發明采用下述技術方案：

一種基于復合光渦旋的晶體電流傳感器，包括激光發射單元、前端非偏振分束器、復合光束生成單元、晶體傳感單元和檢測單元，激光發射單元的輸出端連接前端非偏振分束器的輸入端，復合光束生成單元的輸入端和輸出端皆連接前端非偏振分束器的信號端，前端非偏振分束器的輸出端連接晶體傳感單元的輸入端，晶體傳感單元的輸出端連接檢測單元的輸入端；激光發射單元用于輸出線偏振態的基模高斯光束，激光發射單元輸出的線偏振態的基模高斯光束的波長在復合光束生成單元可調制的光波長范圍內；前端非偏振分束器使線偏振態的基模高斯光束直接通過，向復合光束生成單元輸入線偏振態的基模高斯光束；

復合光束生成單元用于將接收到的線偏振態的基模高斯光束轉換成光渦旋光束，復合光束生成單元先將接收到的線偏振態的基模高斯光束轉換成圓偏振態的基模高斯光束，再將圓偏振態的基模高斯光束均分成兩路線偏振光，然后將兩路線偏振光調制成光渦旋光束，再合束并轉換為圓偏振態的復合光渦旋光束，然后輸出至前端非偏振分束器；

前端非偏振分束器還能將來自復合光束生成單元生成的復合光渦旋光束反射至晶體傳感單元；晶體傳感單元主要包括晶體，晶體傳感單元用于將來自復合光束生成單元生成的復合光渦旋光束通入晶體中，并施加沿晶體光軸方向的磁場，使施加磁場后產生法拉第磁光效應，然后將施加磁場前后的復合光渦旋光束反射至檢測單元；檢測單元用于探測來自晶體傳感單元的施加磁場前后的復合光渦旋光束的光強分布，并計算加磁場前后光斑的偏轉角，然后利用檢測單元的數據處理模塊和檢測單元外聯的上位機，通過對光斑的偏轉度的大小計算，對應所加電流的大小，從而實現對電流的傳感檢測。