[發(fā)明專利]一種集成BGO晶體光波導的閉環(huán)電場檢測系統(tǒng)

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• 申請?zhí)枺?/td>: 202010141723.9
• 申請日: 2020-03-04
• 公開（公告）號: CN111337759A
• 公開（公告）日: 2020-06-26
• 發(fā)明（設計）人: 王瑾;陳秋荻;楊銘;張宇;胡煌;龍丹;韓炎暉
• 申請（專利權）人: 中國地質(zhì)大學（武漢）;北京東方計量測試研究所
• 主分類號: G01R29/12
• 分類號: G01R29/12
• 代理公司: 武漢知產(chǎn)時代知識產(chǎn)權代理有限公司 42238
• 代理人: 郝明琴

本發(fā)明公開了一種集成BGO晶體光波導的閉環(huán)電場檢測系統(tǒng)，包括寬譜光源超輻射發(fā)光二極管、三端口環(huán)形器、起偏器、相位調(diào)制器、準直器、法拉第旋光鏡、BGO集成光波導電場傳感器、光電探測器、信號處理單元、保偏光纖，本發(fā)明采用飛秒激光技術加工制作反射式非對稱的BGO晶體集成光波導結(jié)構(gòu)，減小了基于Pockels效應的BGO晶體電場傳感器的體積；采用閉環(huán)檢測系統(tǒng)，通過光波導結(jié)構(gòu)參數(shù)設計和方波相位調(diào)制，將系統(tǒng)的靜態(tài)工作點控制在線性部分，可以提高電場測量系統(tǒng)的靈敏度，消除外界環(huán)境因素帶來的誤差相位差；采用階梯波調(diào)制產(chǎn)生反饋相位差，可以進一步減小系統(tǒng)的非線性誤差，同時增大系統(tǒng)的動態(tài)范圍。

技術領域

本發(fā)明屬于電場測量技術領域，具體涉及一種集成BGO晶體光波導的閉環(huán)電場檢測系統(tǒng)。

背景技術

電場測量在高電壓、高功率脈沖、高能量物理學、靜電防護等研究領域都具有重要意義。傳統(tǒng)有源電場傳感器具有體積大、易漂移、受電磁干擾大的缺點。隨著光電技術的發(fā)展，光學電場傳感器的研究受到了人們的重視，相比傳統(tǒng)有源電場傳感器，其具有尺寸小、精度高、靈敏度高、線性動態(tài)范圍大、頻率響應寬等優(yōu)點，光學電場傳感器具有廣泛的應用前景和研究價值。

光學電場傳感器的傳感原理是利用電光晶體的Pockels效應。當電場施加到電光晶體上時，晶體的折射率發(fā)生變化，晶體中傳輸?shù)募す鈱a(chǎn)生相位差。通過干涉效應將光的相位變化轉(zhuǎn)化為光強度變化，即可實現(xiàn)待測電場對光信號的強度調(diào)制。

現(xiàn)有的光學電場傳感器中研究較為成熟的大致有以下兩種：

集成光波導型電場傳感器，通常采用具有電光效應的電光晶體制作光波導作為傳感單元。由于鈮酸鋰具有較大的電光系數(shù)，且易于制備光波導，通常被選為集成光波導型電場傳感器的波導材料。集成光波導電場傳感器通常采用M-Z干涉結(jié)構(gòu)，根據(jù)光路的不同可以分為直通型和反射型集成光波導電場傳感器，根據(jù)Y波導結(jié)構(gòu)不同，又可分為對稱型和非對稱型。由于光學傳感器中使用的光學材料本身具有應力、光照、溫度等相關性，在實際使用過程中，外界環(huán)境因素會對傳感系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成影響。在測量時，系統(tǒng)需要對工作點進行調(diào)控來實現(xiàn)線性測量與誤差的消除。傳統(tǒng)的集成光波導電場傳感器通常使用可調(diào)諧波長的激光器，通過調(diào)諧工作波長來調(diào)控系統(tǒng)的工作點。但是由于可調(diào)諧激光器本身也是溫度敏感型原件，在使用波長調(diào)控工作點時會受溫度影響，使得可調(diào)諧激光器無法準確的調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作點從而消除外界環(huán)境影響帶來的誤差。

非集成的電光晶體型光學電場傳感器。由于BGO晶體具有理論上無熱釋電效應、無旋光性、無自然雙折射的特性，這類傳感器通常采用BGO晶體作為傳感單元制作光學電場傳感器，由于BGO晶體的折射率會受到應力、溫度的影響，因而需要設計光路來對誤差進行補償。現(xiàn)有的較為成熟的補償方法有雙光路法、地電位晶體補償法、準互易反射式補償法。這一類型的光學電場傳感器需要較多的光學元件和精密的光路調(diào)試與可靠的固定封裝，體積較大，材料及加工成本較高。

光學電場傳感器因其性能較好而受到了廣泛的研究，但由于穩(wěn)定性的問題，還沒有得到廣泛的應用。影響光學電場傳感器穩(wěn)定性的因素主要在于其使用的電光晶體存在一定的自然雙折射及加工過程中引入的應力雙折射，當受到溫度、應力等外界因素影響時，會產(chǎn)生額外的相位差從而引起測量誤差。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術的不足，提供一種測量精準、誤差小的集成BGO晶體光波導的閉環(huán)電場檢測系統(tǒng)，本發(fā)明采用的技術方案是：

一種集成BGO晶體光波導的閉環(huán)電場檢測系統(tǒng)，其特征在于，包括：寬譜光源超輻射發(fā)光二極管、三端口環(huán)形器、起偏器、相位調(diào)制器、準直透鏡、BGO集成光波導電場傳感器、光電探測器和信號處理模塊；所述寬譜光源超輻射發(fā)光二極管與三端口環(huán)形器的第一端口連接，所述起偏器與三端口環(huán)形器的第二端口連接，所述相位調(diào)制器與起偏器的尾纖45°對軸熔接，所述準直透鏡與相位調(diào)制器連接，所述BGO集成光波導電場傳感器置于準直透鏡的透射光路上，所述光電探測器與三端口環(huán)形器的第三端口連接，所述信號處理模塊與光電探測器連接。