基于复合光涡旋的晶体电流传感器的制作方法

本发明涉及一种晶体电流传感器，特别是涉及一种sagnac干涉仪型的晶体电流传感器，应用于磁场测量及电流传感的技术领域。

背景技术：

目前，多数光学电流互感器的原理都是基于法拉第磁光效应，其在实用化过程中遇到了一对矛盾：一方面石英光纤的维尔德常数较低，为了提高灵敏度需增加光纤环的缠绕匝数；另一方面，光纤匝数的增加会额外的引入线性双折射，引入的线性双折射使得光纤电流互感器的灵敏度降低，过大的线性双折射甚至会抑制法拉第效应。

光涡旋光束可以有无限多个本征态，并且本征态之间是相互正交的，这就相当于为我们提供了一个新的通信维度，是未来可能采用的最具潜力的通信方式之一。另外，考虑到目前全光纤电流传感器所遇到的线性双折射问题以及光涡旋光束在高灵敏度传感和高精确度测量中的潜在应用价值，研究如何利用光涡旋光束实现对电流的高灵敏度、高精确度的检测与传感具有重大的研究意义，成为亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种基于复合光涡旋的晶体电流传感器，是一种全新的、有别于传统电流检测方式的基于复合光涡旋的晶体电流传感装置。本发明充分利用光涡旋在传输过程中可以保持很好的圆偏振态的特性，利用法拉第磁光效应引起光束偏振态的改变能在复合光斑中直接体现的原理，有效解决因线性双折射使得光纤电流互感器的灵敏度降低的问题，从而实现电流传感的功能。

为达到上述发明创造目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于复合光涡旋的晶体电流传感器，包括激光发射单元、前端非偏振分束器、复合光束生成单元、晶体传感单元和检测单元，激光发射单元的输出端连接前端非偏振分束器的输入端，复合光束生成单元的输入端和输出端皆连接前端非偏振分束器的信号端，前端非偏振分束器的输出端连接晶体传感单元的输入端，晶体传感单元的输出端连接检测单元的输入端；激光发射单元用于输出线偏振态的基模高斯光束，激光发射单元输出的线偏振态的基模高斯光束的波长在复合光束生成单元可调制的光波长范围内；前端非偏振分束器使线偏振态的基模高斯光束直接通过，向复合光束生成单元输入线偏振态的基模高斯光束；

复合光束生成单元用于将接收到的线偏振态的基模高斯光束转换成光涡旋光束，复合光束生成单元先将接收到的线偏振态的基模高斯光束转换成圆偏振态的基模高斯光束，再将圆偏振态的基模高斯光束均分成两路线偏振光，然后将两路线偏振光调制成光涡旋光束，再合束并转换为圆偏振态的复合光涡旋光束，然后输出至前端非偏振分束器；

前端非偏振分束器还能将来自复合光束生成单元生成的复合光涡旋光束反射至晶体传感单元；晶体传感单元主要包括晶体，晶体传感单元用于将来自复合光束生成单元生成的复合光涡旋光束通入晶体中，并施加沿晶体光轴方向的磁场，使施加磁场后产生法拉第磁光效应，然后将施加磁场前后的复合光涡旋光束反射至检测单元；检测单元用于探测来自晶体传感单元的施加磁场前后的复合光涡旋光束的光强分布，并计算加磁场前后光斑的偏转角，然后利用检测单元的数据处理模块和检测单元外联的上位机，通过对光斑的偏转度的大小计算，对应所加电流的大小，从而实现对电流的传感检测。

作为优选的技术方案，激光发射单元主要包括共轴设置的保偏宽带可调谐激光器、单模保偏跳线和光纤准直器，且激光发射单元的各光学器件都与前端非偏振分束器共轴设置，光纤准直器输出端作为激光发射单元的输出端连接前端非偏振分束器的输入端；保偏宽带可调谐激光器用于产生线偏振态的基模高斯光；单模保偏跳线连接保偏宽带可调谐激光器，用于输出激光，并保持光的偏振态不变；光纤准直器用于将光束进行准直并扩束，使光纤准直器输出端发射出的激光形成一束平行的线偏振态的基模高斯光束。

作为优选的技术方案，激光发射单元的输出端输出的光束处于水平状态，复合光束生成单元能将接收到的线偏振态的基模高斯光束转换成圆偏振态的基模高斯光束并均分成两路，一路为一束水平线偏振光，另一路为一束垂直线偏振光，并将两路线偏振光调制成光涡旋光束，再合束并转换为圆偏振态的复合光涡旋光束。作为进一步优选的技术方案，复合光束生成单元主要包括四分之一玻片、偏振分束器、道威棱镜、液晶空间光调制器、半波片和反射镜，其中四分之一玻片、偏振分束器、道威棱镜和前端非偏振分束器保持共轴位置关系设置；液晶空间光调制器是反射式纯相位调制的液晶空间光调制器，激光发射单元输出的线偏振态的基模高斯光束的波长在液晶空间光调制器可调制的光波长范围内；四分之一玻片入射面还作为出光面，四分之一玻片的一个侧面作为复合光束生成单元的输入端和输出端的共用端，并连接前端非偏振分束器的输入端和输出端的共用端；四分之一玻片的另一个侧面也作为输出端和接收端的共用端，与偏振分束器的信号端连接；道威棱镜设置在偏振分束器和液晶空间光调制器之间形成一路光处理装置，在偏振分束器和液晶空间光调制器之间还设有反射镜和半波片组成的另一路光处理装置；四分之一玻片用于将来自激光发射单元经过前端非偏振分束器导入的线偏振态的基模高斯光束转换成圆偏态的基模高斯光束，然后输入至偏振分束器；偏振分束器将四分之一玻片输出的圆偏态的基模高斯光束分成等光强的一束水平线偏振光和一束垂直线偏振光，其中水平线偏振光直接通过道威棱镜向液晶空间光调制器方向入射；反射镜和半波片用于反射垂直线偏振光，并将垂直线偏振光转换为水平线偏振光，然后也向液晶空间光调制器方向入射；经偏振分束器、反射镜和半波片得到的两束水平线偏光同时入射到液晶空间光调制器，经相位调制后生成两束携带轨道角动量的同旋向的光涡旋光束，其中一路光涡旋光束经道威棱镜后旋向反向，之后两路旋向相反的光涡旋光束再经过偏振分束器向四分之一玻片传输，四分之一玻片将得到的两路相互正交的线偏振态的反旋向光涡旋光束转换为左右旋圆偏振光，得到复合光涡旋光束，再经过前端非偏振分束器向晶体传感单元的输入端方向入射。

作为优选的技术方案，晶体传感单元的晶体采用锗酸铋晶体。

作为优选的技术方案，晶体传感单元主要由磁铁系统、后端非偏振分束器、晶体和反射镜组成，其中晶体、后端非偏振分束器和前端非偏振分束器保持共轴设置，其中磁铁系统用于产生沿晶体光轴方向的磁场；后端非偏振分束器将施加磁场前后反射回来的复合光涡旋光束反射至检测单元的输入端；复合光涡旋光束沿晶体的光轴方向入射，使施加磁场后产生法拉第磁光效应；反射镜将复合光涡旋光束反射后再通过晶体，使法拉第磁光效应加倍，然后将复合光涡旋光束通过后端非偏振分束器向检测单元的输入端传播。作为进一步优选的技术方案，磁铁系统用于施加不同大小电流后产生沿晶体光轴方向的不同强度的可变磁场。

作为优选的技术方案，检测单元主要包括线偏振片和红外相机，其中线偏振片、红外相机的镜头和后端非偏振分束器保持共轴设置；线偏振片用于提取入射的复合光涡旋光束的线偏振分量，得到光强分布呈花瓣状的光涡旋光环晶格；红外相机用于探测花瓣状的光涡旋光环晶格在施加磁场前后的改变，并捕捉施加磁场前后的光斑图像，采集在晶体传感单元中施加磁场前的复合光涡旋光束的光强分布和施加磁场后的复合光涡旋光束的光强分布数据。

作为优选的技术方案，检测单元的数据处理模块和检测单元外联的上位机能比较加磁场前后的复合光涡旋光束的光强分布。

作为优选的技术方案，通过检测单元的数据处理模块和检测单元外联的上位机，利用matlab仿真软件将在晶体传感单元中加磁场前后的光斑图片进行相关性分析，得到加磁场后花瓣状的复合光涡旋光环晶格的偏转角，通过偏转度的大小计算对应所加电流的大小，最后与所加电流大小进行曲线拟合，得到复合光涡旋光环晶格偏转角与所加电流的关系信息，从而实现对电流的传感检测。

本发明的工作原理：

本发明提出的利用复合光涡旋来实现电流的检测与传感，通过计算加磁场前后光斑的偏转角来测量电流的大小。相对于传统的光纤电流传感器通过旋转偏振分析仪或者测量光束的不同偏振态来求得线偏振光的法拉第偏转角的方法，本发明提供了一种实时的检测方法，通过一个高分辨率的红外相机快速的记录干涉光斑的改变量，光斑的偏转角随电流的增大而增加，并具有较好的线性关系，提高了测量精度和准确度。另外，光斑在强磁场下的的偏转角度值较小，没有超过理论偏转角度上限，因此可以对强磁场、大电流进行检测与传感。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.本发明装置能进行实时检测，操作简单；

2.本发明装置安装方便，占用空间小；

3.本发明装置提高了测量精度和准确度。

附图说明

图1为本发明优选实施例晶体电流传感器的结构示意图。

图2为本发明优选实施例晶体电流传感器的复合光束生成单元加线偏振片后得到的一阶到四阶花瓣状的光涡旋光环晶格示意图。

图3为本发明优选实施例晶体电流传感器的一阶和二阶花瓣状的光涡旋光环晶格加磁场前后偏转的示意图。

图4为本发明优选实施例晶体电流传感器的花瓣状的光涡旋光环晶格偏转角度大小与所加电流大小的关系示意图。

具体实施方式

本发明的优选实施例详述如下：

在本实施例中，参见图1，一种基于复合光涡旋的晶体电流传感器，包括激光发射单元a、前端非偏振分束器4、复合光束生成单元b、晶体传感单元c和检测单元d，激光发射单元a的输出端连接前端非偏振分束器4的输入端，复合光束生成单元b的输入端和输出端皆连接前端非偏振分束器4的信号端，前端非偏振分束器4的输出端连接晶体传感单元c的输入端，晶体传感单元c的输出端连接检测单元d的输入端；激光发射单元a用于输出线偏振态的基模高斯光束，激光发射单元a输出的线偏振态的高斯基模光束的波长在复合光束生成单元b可调制的光波长范围内；前端非偏振分束器4使线偏振态的基模高斯光束直接通过，向复合光束生成单元b输入线偏振态的基模高斯光束；复合光束生成单元(b)用于将接收到的线偏振态的基模高斯光束转换成光涡旋光束，复合光束生成单元(b)先将接收到的线偏振态的基模高斯光束转换成圆偏振态的基模高斯光束，再将圆偏振态的基模高斯光束均分成两路线偏振光，然后将两路线偏振光调制成光涡旋光束，再合束并转换为圆偏振态的复合光涡旋光束，然后输出至前端非偏振分束器4；前端非偏振分束器4还能将来自复合光束生成单元b生成的复合光涡旋光束反射至晶体传感单元c；晶体传感单元c主要包括晶体13，晶体传感单元c用于将来自复合光束生成单元b生成的复合光涡旋光束沿晶体(13)光轴方向通入晶体13中，并施加沿晶体光轴方向的磁场，使施加磁场后产生法拉第磁光效应，然后将施加磁场前后的复合光涡旋光束反射至检测单元d；检测单元d用于探测来自晶体传感单元c的施加磁场前后的复合光涡旋光束的光强分布，并计算加磁场前后光斑的偏转角，然后利用检测单元d的数据处理模块和检测单元d外联的上位机，通过对光斑的偏转度的大小计算，对应所加电流的大小，从而实现对电流的传感检测。其中，前端非偏振分束器4、复合光束生成单元b、晶体传感单元c、检测单元d沿着激光发射单元a发射激光的方向，按先后顺序在光路中依次放置。在本实施例电流传感装置中，基模高斯光束被分成两束光后，分别经相位调制后转换成光涡旋光束。两路光合束后得到复合光涡旋光束，检测复合光涡旋光束在加磁场前后花瓣状的光涡旋光环晶格的偏转度，通过偏转度的大小计算对应所加电流的大小，从而实现电流传感的功能。

在本实施例中，参见图1，激光发射单元a主要包括共轴设置的保偏宽带可调谐激光器1、单模保偏跳线2和光纤准直器3，且激光发射单元a的各光学器件都与前端非偏振分束器4共轴设置，光纤准直器3输出端作为激光发射单元a的输出端连接前端非偏振分束器4的输入端；保偏宽带可调谐激光器1用于产生线偏振态的基模高斯光；单模保偏跳线2连接保偏宽带可调谐激光器1，用于输出激光，并保持光的偏振态不变；光纤准直器3用于将单模跳线2输出的线偏振态的基模高斯光束进行准直并扩束，使光纤准直器3输出端发射出的激光形成一束平行的线偏振态的基模高斯光束。

在本实施例中，参见图1，激光发射单元a的输出端输出的光束处于水平状态，复合光束生成单元b能将接收到的线偏振态的基模高斯光束转换成圆偏振态的基模高斯光束并均分成两路，一路为一束水平线偏振光，另一路为一束垂直线偏振光，并将两路线偏振光调制成光涡旋光束，再合束并转换为圆偏振态的复合光涡旋光束，然后输出至前端非偏振分束器4。

在本实施例中，参见图1，复合光束生成单元b主要包括四分之一玻片5、偏振分束器6、道威棱镜7、液晶空间光调制器8、半波片9和反射镜10，其中四分之一玻片5、偏振分束器6、道威棱镜7和前端非偏振分束器4保持共轴位置关系设置；液晶空间光调制器8是反射式纯相位调制的液晶空间光调制器，激光发射单元a输出的线偏振态的基模高斯光束的波长在液晶空间光调制器8可调制的光波长范围内；四分之一玻片5入射面还作为出光面，四分之一玻片5的一个侧面作为复合光束生成单元b的输入端和输出端的共用端，并连接前端非偏振分束器4的输入端和输出端的共用端；四分之一玻片5的另一个侧面也作为输出端和接收端的共用端，与偏振分束器6的信号端连接；道威棱镜7设置在偏振分束器6和液晶空间光调制器8之间形成一路光处理装置，在偏振分束器6和液晶空间光调制器8之间还设有反射镜10和半波片9组成的另一路光处理装置；四分之一玻片5用于将来自激光发射单元a经过前端非偏振分束器4导入的线偏振态的基模高斯光束转换成圆偏态的基模高斯光束，然后向输入至偏振分束器6；偏振分束器6将四分之一玻片5输出的圆偏态的基模高斯光束分成等光强的一束水平线偏振光和一束垂直线偏振光，其中水平线偏振光直接通过道威棱镜向液晶空间光调制器8方向入射；反射镜10和半波片9用于反射垂直线偏振光，并将垂直线偏振光转换为水平线偏振光，然后也向液晶空间光调制器8方向入射；经偏振分束器6、反射镜10和半波片9得到的两束水平线偏光同时入射到液晶空间光调制器8，经相位调制后生成两束携带轨道角动量的同旋向的光涡旋光束，其中一路光涡旋光束经道威棱镜7后旋向反向，之后两路旋向相反的光涡旋光束再经过偏振分束器6向四分之一玻片5传输，四分之一玻片5将得到的两路相互正交的线偏振态的反旋向光涡旋光束转换为左右旋圆偏振光，得到复合光涡旋光束，再经过前端非偏振分束器4向晶体传感单元c的输入端方向入射。

本实施例的前端非偏振分束器4使线偏振态的基模高斯光束直接通过，并将复合光束生成单元b生成的复合光涡旋光束反射至晶体传感单元c。

在本实施例中，参见图1，晶体传感单元c的晶体13采用锗酸铋晶体，锗酸铋晶体13用于通入复合光涡旋光束，使施加磁场后产生法拉第磁光效应。晶体传感单元c主要由磁铁系统11、后端非偏振分束器12、晶体13和反射镜14组成，其中晶体13、后端非偏振分束器12和前端非偏振分束器4保持共轴设置，其中磁铁系统11用于产生沿晶体13光轴方向的磁场；后端非偏振分束器12将施加磁场后反射回来的复合光涡旋光束反射至检测单元d的输入端；复合光涡旋光束沿晶体13的光轴方向入射，使施加磁场后产生法拉第磁光效应；反射镜14将复合光涡旋光束反射后再通过锗酸铋晶体13，使法拉第磁光效应加倍，然后将复合光涡旋光束通过后端非偏振分束器12向检测单元d的输入端传播。磁铁系统11用于施加不同大小电流后产生沿晶体13光轴方向的不同强度的可变磁场。本实施例晶体传感单元c用于将非偏振分束器4反射来的复合光涡旋光束沿晶体光轴通入晶体中，并施加沿晶体光轴方向的磁场，之后将复合光涡旋光束输出至检测单元d。后端非偏振分束器12使复合光涡旋光束直接通过，并将施加磁场后反射回来的复合光涡旋光束反射至检测单元d。

在本实施例中，参见图1，检测单元d主要包括线偏振片15和红外相机16，其中线偏振片15、红外相机16的镜头和后端非偏振分束器12保持共轴设置；线偏振片15用于提取入射的复合光涡旋光束的线偏振分量，得到光强分布呈花瓣状的光涡旋光环晶格；红外相机16用于探测花瓣状的光涡旋光环晶格在施加磁场前后的改变，并捕捉施加磁场前后的光斑图像，采集在晶体传感单元c中施加磁场前的复合光涡旋光束的光强分布和施加磁场后的复合光涡旋光束的光强分布数据。

在本实施例中，参见图1，检测单元d的数据处理模块和检测单元d外联的上位机能比较加磁场前后的复合光涡旋光束的光强分布。本实施例通过检测单元d的数据处理模块和检测单元d外联的上位机，利用matlab仿真软件将在晶体传感单元c中加磁场前后的光斑图片进行相关性分析，得到加磁场后花瓣状的复合光涡旋光环晶格的偏转角，通过偏转度的大小计算对应所加电流的大小，最后与所加电流大小进行曲线拟合，得到复合光涡旋光环晶格偏转角与所加电流的关系信息，从而实现对电流的传感检测。本实施例检测单元d用于探测施加磁场前的复合光涡旋光束的光强分布和施加磁场后的复合光涡旋光束的光强分布，并比较加磁场前后的复合光涡旋光束的光强分布。

在本实施例中，参见图1，在进行实验时，首先要保证保偏宽带可调谐激光器1输出的光束处于水平状态，另外要确保激光发射单元a、前端非偏振分束器4、复合光束生成单元b的所有光学器件都共轴，最后要保证使复合光涡旋光束沿着锗酸铋晶体13的晶体光轴入射，磁场方向也要与锗酸铋晶体13的晶体光轴一致。

在本实施例中，参见图1，搭建基于液晶空间光调制器8生成复合光涡旋光束的干涉系统，对于生成各阶光涡旋模式，将保偏宽带可调谐激光器1作为光源，入射到加载了全息图的液晶空间光调制器8上，经过衍射后得到所需的光涡旋模式。

在本实施例中，参见图1，将圆偏态的基模高斯光束通过偏振分束器6分成等光强的两路线偏振光，一路水平线偏振光直接入射到液晶空间光调制器8生成相应的光涡旋模式，另一路垂直线偏振光经半波片9和反射镜10后转换为水平线偏振光，并入射到从液晶空间光调制器8生成同样的光涡旋模式，再经道威棱镜7得到反旋向的光涡旋模式。两路等阶反向的光涡旋光束经偏振分束器6合束后再经四分之一玻片5后得到圆偏振态复合光涡旋光束。

在本实施例中，参见图1，利用花瓣状的光涡旋光环晶格对磁场强度及电流大小进行检测。将锗酸铋晶体13放入磁铁系统11中，保持锗酸铋晶体13的晶体光轴与磁场方向一致。将生成的复合光涡旋光束沿锗酸铋晶体13的晶体光轴方向通入磁场中，在出射端加一个反射镜14，使复合光涡旋光束再次通过锗酸铋晶体13，并经后端非偏振分束器12反射后输出，在输出端加一个线偏振片15，提取光束的线偏分量，用红外相机16探测得到花瓣状的复合光涡旋光环晶格，参见图2，是本实施例晶体电流传感器的复合光束生成单元加线偏振片后得到的一阶到四阶花瓣状的光涡旋光环晶格示意图。

在本实施例中，参见图1，接通电流后，使磁铁系统11产生不同大小的磁场，再用红外相机16探测花瓣状的复合光涡旋光环晶格的形态。记录多组加磁场前后，不同大小电流情况下，花瓣状的复合光涡旋光环晶格的形态，参见图3，是本实施例晶体电流传感器的一阶和二阶花瓣状的光涡旋光环晶格加磁场前后偏转的示意图。

在本实施例中，参见图1，通电流后，磁铁系统11产生磁场，花瓣状的复合光涡旋光环晶格在加磁场前后有一定角度的偏转，偏转角度与电流大小有关。用红外相机16拍摄得到多组不同大小电流下，加磁场前后光场分布图片，利用matlab仿真软件将加磁场前后的光斑图片进行相关性分析，得到加磁场后花瓣状的复合光涡旋光环晶格的偏转角，最后与所加电流大小进行曲线拟合，得到复合光涡旋光环晶格偏转角与所加电流的关系，参见图4，是本实施例晶体电流传感器的花瓣状的光涡旋光环晶格偏转角度大小与所加电流大小的关系示意图，本实施例实现基于复合光涡旋的晶体电流传感。本实施例检测单元d集成了数据处理模块，能进行图像分析计算。参见图1，本实施例晶体电流传感器的激光发射单元a输出线偏振态的基模高斯光束。复合光束生成单元b将线偏振态的基模高斯光束分成两路，并将两路线偏振光调制成光涡旋光束，再合束并转换为圆偏振态的复合光涡旋光束。晶体传感单元c将复合光涡旋光束沿晶体光轴通入晶体13中，并施加电流产生的沿晶体光轴方向的可变磁场。检测单元d探测施加磁场前后的复合光涡旋光束的光强分布，复合光涡旋光束在施加磁场后发生偏转。＝

本实施例通过检测单元d的数据处理模块和检测单元d外联的上位机，利用matlab仿真软件将在晶体传感单元c中加磁场前后的光斑图片进行相关性分析，得到加磁场后花瓣状的复合光涡旋光环晶格的偏转角，通过偏转度的大小计算对应所加电流的大小，最后与所加电流大小进行曲线拟合，得到复合光涡旋光环晶格偏转角与所加电流的关系信息，从而实现对电流的传感检测。本实施例检测单元d用于探测施加磁场前的复合光涡旋光束的光强分布和施加磁场后的复合光涡旋光束的光强分布，然后利用检测单元d的数据处理模块和检测单元d外联的上位机比较加磁场前后的复合光涡旋光束的光强分布。本实施例晶体电流传感器仅仅作为信息采集终端，能利用上位机进行图像数据和信号的分析计算，无需集成复杂计算模块，功能简单，使用领域广泛。

上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明基于复合光涡旋的晶体电流传感器的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。