一种基于单臂直列光路结构的微集成型电场测量传感器的制作方法

本发明涉及高电位、高场强、易触电危险区域中的电场强度检测技术领域，具体的说是一种基于单臂直列光路结构的微集成型电场测量传感器。

背景技术：

在工业输、变、配电领域，核工业技术领域，航空航天领域，以及其他军民技术领域，出于相关系统、设备运行可靠性和人员安全防护需要，需要快速、精确的实现特定区域内电场强度分布特性的测量。由于测量对象的特殊性，要求相关测量设备具有对待测点电场分布畸变影响小、测量装置前端电气隔离彻底、测量快速准确、受外界温、湿度等环境因素影响小，长时工作特性稳定、耐电磁干扰、电晕放电干扰强的特点。

目前对电场测量而言，主要有两类解决方案：一类是采用接触型测量装置，通过前端环形、针型、或者其它形式的分压单元直接探测电信号，并将电信号转换成场强信号：另一类是采取光学方法，利用电光晶体材料的电光效应(pockels效应或kerr效应)，将电场强度转化为光学信号，进而实现电场的测量。

对于前一类接触型电场测量方法而言，存在的突出问题是电磁隔离不彻底，在高场强或高电位区域中，难以从根本保证设备和人员安全，有发生电击的隐患；加之前端部件几何尺寸较大，容易造成待测电场的明显畸变，并且难以通过对测量结果进行修正补偿而彻底消除畸变误差，往往存在较大的系统误差；此外，对于随时间呈快速变化的电场而言(比如放电环境或雷击波等瞬态电场)，在测量上也往往因为自身时间常数较大，反应迟滞而不能有效测量。对于后一类电场性测量方法而言，目前存在的突出问题是测量精度偏低，测量误差较大，其中电光晶体内部残余双折射和要求极高的光路加工过程是导致误差较大的主要原因。比如普遍采用的马赫曾德(mz)型光纤型电场传感器，采用了双臂原理，要求一对光臂间保持极好的加工精度，长度上相差半个波长距离，此外，由于其测量原理，导致了晶体加工中残余双折射和固有双折射现象会对测量结果构成明显影响，使得其适用性和测量精度受到限制。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种基于单臂直列光路结构，且结构简单、几何尺寸小、电隔离彻底、无明显系统误差、反应灵敏、抗干扰能力强的的微集成型电场测量传感器，用以有效解决目前电光型电场测量传感器存在的两个技术难题：(1)传感器对电光晶体中自然双折射和残余双折射敏感，容易因此而导致误差引入；(2)传感器对加工精度要求高、容易因加工和装配过程中各类工艺误差而导致测量结果中存在系统误差。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于单臂直列光路结构的微集成型电场测量传感器，包括输入耦合器、起偏器、检偏器、输出耦合器和探测天线；所述输入耦合器、起偏器、单臂直列光路、检偏器和输出耦合器制备在以铌酸锂晶体为基体的内部，并依次按光路方向排列，所述输入耦合器用于将外部输入的线偏单色光转换成平行光束，并入射至所述起偏器，所述起偏器与所述检偏器之间流出一端距离作为单臂直列光路，所述起偏器输出的光束在进入所述单臂直列光路时被分解为寻常光和非常光，所述单臂直列光路用于传输所述寻常光和非常光，所述检偏器用于对所述寻常光和非常光沿偏振方向重新形成分量，并重新组合成线偏光束，所述输出耦合器用于将来自检偏器的线偏光束汇聚成满足布鲁斯科角的点光源，并输出至单模光纤，所述探测天线连接在所述单臂直列光路对应的铌酸锂晶体外部。

所述起偏器的偏振方向与所述铌酸锂晶体的光轴方向之间具有45°夹角。

所述探测天线采用双极天线，包括天线本体和天线基座，所述天线基座为铂金涂覆层，在铌酸锂晶体表面沿光路方向排布；所述天线本体由所述天线基座沿晶体z轴方向向外延伸。

本发明具有以下优点及有益效果：

1、本发明采用单臂直列光路结构，避免了现有双臂结构下光波导分支夹角、分支宽度、耦合夹角、耦合长度、臂长、光波导边缘光滑度等多个关键部件极高的制备精度要求。

2、本发明利用“双折射”原理进行工作，“双折射”有助于实现测量而不再是误差成分，避免了现有技术中“双折射”导致的测量误差引入，提高了电场测量精度；双折射后所形成光分量是测量系统的一部分，双折射越明显、越有利于实现测量，而不再是将双折射看作误差成分。

3、本发明的中极间光路段直接利用电光晶体形成，不需要制备光波导，简化了制备工艺难度，也同时避免了光波导界面不光滑(或不严整)导致的通光损耗，因此，该段晶体中无各类掺杂成分，避免了掺杂工艺，也杜绝了强电场下杂相成分激发对通光特性的负面影响。

4、本发明由于承担z轴向电场的极间光路段无需任何掺杂处理，因此避免了强电场下的载流子激发引起的通光损伤，以及高温下掺杂引发热释电效应的诸多负面影响，使得该发明可以在强电场环境下持续稳定工作。

附图说明

图1是电场测量传感器结构简图；

图2是电场测量系统组成示意图；

图3是典型测量结果(以50hz工频交流场和交直流混合场为例)波形图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

电场测量传感器是本发明的核心，其结构简图如图1所示，包括输入耦合器、第一偏振器(偏振器1)、单臂直列光路(极间光路段，是偏振器1和偏振器2之间留有的一端距离，材质为铌酸锂晶体)、第二偏振器(偏振器2)、输出耦合器和探测天线6部分。整个传感器以铌酸锂晶体为基体，采用掩膜刻蚀和钛热扩散原理，通过钛元素扩散掺杂控制，在铌酸锂晶体内部制备形成耦合器、起偏器(偏振器1)、单臂直列光路、检偏器(偏振器2)和输出耦合器5个部件，各部件按光路方向排列，光路方向和铌酸锂晶体y轴(xyz轴都是铌酸锂晶体本身固有的，是晶体的轴向)保持一致。探测天线采用双极天线类型，通过微加工工艺实现制备，其中天线基座为铂金涂覆层，在铌酸锂晶体表面沿光路方向排布，天线本体由基座沿晶体z轴方向，向外延伸。

输入耦合器的主要作用是将来自单模保偏光纤的线偏单色光转换成平行光束，该平行光束入射至起偏器。由于装配中严格保持起偏器偏振方向和铌酸锂晶体光轴方向(z轴方向)之间具有45°夹角，因此光束在铌酸锂晶体入射面处将被分解为寻常光(o光)和非常光(e光)，并继续沿铌酸锂晶体y轴传播，进入极间光路段。在外电场中，由探测于天线对空间电场电力线分布的调制，将在晶体z轴方向形成均匀的电场。而处于电场中的铌酸锂晶体由于其pockels电光效应，会对o光和e光表现出不同的通光特性，导致o光和e光出现相位延迟。o光和e光到达检偏器后，将沿偏振方向重新形成分量，并重新组合成线偏光束。该线偏光束由于彼此间具有相位延迟，将表现出不同的光功率，其实际光功率和相位延迟具有确定的函数关系。输出耦合器负责将来自上级光路的平行光束汇聚成点光源，使之满足布鲁斯科角，可以以较低的损耗进入单模光纤进行传输，经单模光纤将光输送至光电检测器，完成光功率检测。光功率信号即代表着外部场强量值。

由上述光路布置和电场测量原理，显然，本发明涉及传感器正是利用晶体双折射原理进行工作的，因此，晶体中的自然双折射和加工过程中的残余双折射不会对测量结果造成影响。此外，该光路采取单臂结构，避免了双臂结构下必须保持臂长相差1/4波长的严格工艺要求，以及双臂结构下光波导分支必须均等的严格要求。更重要的是，该发明涉及传感器在天线极间光路段不需要制备光波导，彻底避免了光波导制备过程中由于钛热扩散浓度分布差异而导致的诸多负面影响，如光波导层界面粗糙导致的通光损失及钛金掺杂后晶体易形成热释电影响。

本发明以具有pockels电光效应的铌酸锂晶体材料为基底，采用现代微加工工艺，集成出了包括输入输出耦合单元和两组偏振器的单臂直列光路结构，以及双极性感应天线组成的电场调制单元，并降低了现有技术条件对于晶体品质(固有双折射和晶体品质有关)、加工工艺(加工过程中会引入残余双折射)、装配精度(会引入自然双折射)的要求。

本发明所涉及电场测量传感器在进行电场测量时，测量系统结构如图2所示，主要包括：激光源，传感器，光电探测器，电信号处理单元四大部分。其中激光器输出8mw功率、1550nm中心波长单色线偏振光，经单模保偏光纤和传感器连接，接口为fc型。传感器可以探知外部空间中电场强度，并将电场强度的转换成光强信号，并经单模光纤输出给光电转换器。光电转换器负责将光强信号转换成电信号，并经信号线缆输出给电信号处理单元，其中信号线缆为带屏蔽层50ω同轴电缆，接口为bnc型。电信号处理单元完成电信号的调理、滤波、采集、存储，以及测量信号的误差补偿和显示等功能。

图3给出了本发明下典型的电场测量结果波形，图3(a)为实际测量结果(50hz工频交流场)，图3(b)为降噪处理后测量曲线(50hz工频交流场)，实验条件为：工频50hz电场，电场强度(有效值)500kv/m，均匀电场，环境温度30±6℃。图3(c)为0分钟持续测量曲线(50hz工频交流+直流偏置电场)，实测场强为交、直流混合电场，其中直流场分量为700kv/m，交流场分量为500kv/m，交直流场叠加，测试环境温度为30±6℃。由图3可知，该发明可完成相应场强的测量，输出波形保持了严整的工频正弦波形，频率、幅值稳定无明显畸变。此外，对于交直流叠加场而言，在30分钟的连续工作中，保持了良好的稳定性，测量结果无明显漂移。