一种光学探头与电磁场测量设备及它们的测量方法
【专利摘要】本发明公开了一种光学探头与电磁场测量设备及它们的测量方法。光学探头包括准直器、起偏器、石英波片、电光晶体、高反射率介质片、入射光纤、以及石英玻璃管。按照准直器、起偏器、石英波片、电光晶体以及高反射率介质片的顺序依次组装在石英玻璃管中，入射光纤连接到准直器并固定在玻璃管管壁上。本发明具有体积小、集成度高、对被测电磁场干扰小、抗干扰能力强、空间分辨率高、动态范围大、响应带宽大、动态范围大、灵敏度可根据需要设计调节等优点。本发明还公开所述光学探头的测量方法、具有所述光学探头的电磁场测量设备、所述电磁场测量设备的测量方法。
【专利说明】
_种光学探头与电磁场测量设备及它们的测量方法
技术领域
[0001] 本发明涉及电磁场测量领域的一种光学探头与电磁场测量设备及其它们的测量 方法，尤其涉及一种灵敏度可调的用于电磁场测量的光学探头、所述光学探头的测量方法、 具有所述光学探头的电磁场测量设备、所述电磁场测量设备的测量方法。
【背景技术】
[0002] 电磁场测量在各种科学技术领域都是一个关键部分，过程控制、医学设备的电场 监测、弹道控制、电磁兼容测量、微波集成电路测试、强电场测量等都是电磁场传感器的应 用领域。传统的电磁场测量系统通常使用有源金属探头，这会扰乱被测电磁场从而导致测 量精度下降，同时该种传感器对电磁噪声特别敏感，在带宽、抗干扰能力以及侵入性等方面 存在着明显的缺陷和不足。用光学方法来测量电磁场有其独有的优势，这是由于光信号在 传播时几乎不受外界电磁波的影响，有很强的抗干扰能力，所以能很好的解决电磁兼容问 题，同时由于光的波长极短、频率极高，使得测量电磁场的光器件具有尺寸小、重量轻和空 间分辨率高等特点。
[0003] 专利CN 102472785和专利CN 103105541B均公开了一种用于电磁场测量的方法和 装置，利用激光进入到材料并且材料的折射率随着被测电磁场的强度的变化而变化的特 性，再通过对激光信号的测量和分析来获得电磁场的信息。该技术具有侵入性小、空间分辨 率高、大带宽、抗电磁干扰等巨大的优势，应用前景广阔。但上述两种技术仅仅利用电光晶 体作为传感探头，需外接偏振控制器、光学分析仪等分离光器件，并且仅仅利用电光晶体的 断面反射的获得反射信号，从而其反射信号光光强较小易受外界扰动的影响。同时该技术 未对入射激光的偏振态进行控制，无法保证探头工作在最佳工作点以及根据工作场合的需 求来实现对探针灵敏度的选择，因此提出一种集成度更高、稳定性更好、灵敏度可调的用于 电磁场测量的微型光学探头十分必要。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于，提供了一种灵敏度可调的用于电磁场测量的光学探头、所述 光学探头的测量方法、具有所述光学探头的电磁场测量设备、所述电磁场测量设备的测量 方法，所述光学探头具有体积小、集成度高、对被测电磁场干扰小、抗干扰能力强、空间分辨 率高、动态范围大、响应带宽大、动态范围大、灵敏度可根据需要设计调节等优点。
[0005] 本发明通过以下技术方案实现:一种灵敏度可调的用于电磁场测量的光学探头， 其包括准直器、起偏器、石英波片、电光晶体、高反射率介质片、入射光纤、以及石英玻璃管； 按照准直器、起偏器、石英波片、电光晶体以及高反射率介质片的顺序依次组装在石英玻璃 管中，入射光纤连接到准直器并固定在玻璃管管壁上。作为上述方案的进一步改进，入射光 纤通过点胶固定在玻璃管管壁上;准直器、起偏器、石英波片、电光晶体以及高反射率介质 片通过胶固集成在石英玻璃管中。
[0006] 作为上述方案的进一步改进，石英波片的快轴与起偏器的偏振通光轴夹角成45°。
[0007] 本发明还提供上述任意灵敏度可调的用于电磁场测量的光学探头的测量方法，通 过石英波片调节入射到电光晶体的激光的偏振状态，再利用电光晶体在电磁场中的泡克尔 斯效应改变在电磁场中传输的光束的偏振态，使得自高反射率介质片反射的光学信号携带 有电磁场的幅度信息，从而通过对光学信号的解调获得被测电磁场的信息。
[0008] 作为上述方案的进一步改进，入射光纤连接到准直器对入射激光进行聚焦准直； 准直后的激光经过起偏器和石英波片，通过选择石英波片的类型调节入射激光的初始偏振 态;之后激光入射到电光晶体，电光晶体在被测电磁场的作用下，产生电光效应，其光学折 射率分布发生变化，导致在其中传输的激光的偏振特性随着被测电磁场变化，从而被测电 磁场的电场信号加载到激光光束上;激光光束再经过高反射率介质片被反射，反射后的激 光会再次经过电光晶体对其偏振态的调制;之后石英波片和起偏器将被测电磁场信号对激 光光束的偏振态调制转化为光强信号的变化，从而经探针输出的光信号通过光电转换和分 析检测后获得被测电磁场的信息。
[0009] 进一步地，光学探头根据实际应用场合中被测电磁场场强的动态范围和灵敏度的 需要设计选择不同的石英波片，调节入射到电光晶体的激光的偏振状态，使得被测电磁场 对激光处于不同的调制工作点，使得光学探头的测量灵敏度不同。
[0010] 本发明还提供一种电磁场测量设备，其包括频谱分析仪、光电探测器、激光器、光 环行器、光学探头;光学探头为上述任意灵敏度可调的用于电磁场测量的光学探头:激光器 发射的激光通过光环行器入到处于被测电磁场中的光学探头，光学探头将调制后载有被测 电磁场的激光反射，反射后激光再经过光环行器进入到光电探测器，被光电转换为射频信 号后进入到频谱分析仪。
[0011] 本发明还提供上述电磁场测量设备的测量方法，通过石英波片调节入射到电光晶 体的激光的偏振状态，再利用电光晶体在电磁场中的泡克尔斯效应改变在电磁场中传输的 光束的偏振态，使得自高反射率介质片反射的光学信号携带有电磁场的幅度信息，从而通 过对光学信号的解调获得被测电磁场的信息。
[0012] 作为上述方案的进一步改进，入射光纤连接到准直器对入射激光进行聚焦准直； 准直后的激光经过起偏器和石英波片，通过选择石英波片的类型调节入射激光的初始偏振 态;之后激光入射到电光晶体，电光晶体在被测电磁场的作用下，产生电光效应，其光学折 射率分布发生变化，导致在其中传输的激光的偏振特性随着被测电磁场变化，从而被测电 磁场的电场信号加载到激光光束上;激光光束再经过高反射率介质片被反射，反射后的激 光会再次经过电光晶体对其偏振态的调制;之后石英波片和起偏器将被测电磁场信号对激 光光束的偏振态调制转化为光强信号的变化，从而经探针输出的光信号通过光电转换和分 析检测后获得被测电磁场的信息。
[0013] 进一步地，光学探头根据实际应用场合中被测电磁场场强的动态范围和灵敏度的 需要设计选择不同的石英波片，调节入射到电光晶体的激光的偏振状态，使得被测电磁场 对激光处于不同的调制工作点，使得光学探头的测量灵敏度不同。
[0014] 本发明的优点在于:所述的微型光学探针具有尺寸小、对被测天线单元侵入性低、 抗干扰能力强、空间分辨率高、动态范围大、响应带宽大、动态范围大等优点，且多个离散光 学元器件集成在光学探头中，集成度高，反射信号强，工作更加稳定可靠，并且可以根据所 应用的场合设计相应灵敏度和工作动态范围的光学探头。
【附图说明】
[0015] 图1为本发明较佳实施例提供的电磁场测量设备的结构示意图。
[0016] 图2为图1中电磁场测量设备的灵敏度可调的用于电磁场测量的光学探头的结构 示意图。
【具体实施方式】
[0017] 以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实 施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。
[0018] 请参阅图1，图1为本发明较佳实施例提供的电磁场测量设备的结构示意图，也即 电磁场测量设备的灵敏度可调的用于电磁场测量的微型光学探头的工作方式示意图。电磁 场测量设备包括频谱分析仪1、光电探测器2、激光器3、光环行器4、光学探头5。光学探头5为 灵敏度可调的用于电磁场测量的光学探头。激光器3发射的激光通过光环行器4进入到处于 被测电磁场中的光学探头5，光学探头5将调制后载有被测电磁场的激光反射，该激光再经 过光环行器4进入到光电探测器2,被光电转换为射频信号后进入到频谱分析仪1，从而获得 与被测电磁场幅度成一定比例关系的电学信号，通过分析和处理该电学信号便可获得被测 电磁场的信息。
[0019] 所述灵敏度可调的用于电磁场测量的微型光学探头5的结构如图2所示。光学探头 5主要由准直器8、起偏器9、石英波片10、电光晶体11、入射光纤13、高反射率介质片12以及 石英玻璃管6等组成。起偏器9、石英波片10、电光晶体11以及高反射率介质片12通过精确的 光学切割，并且按照准直器8、起偏器9、石英波片10、电光晶体11以及高反射率介质片12的 顺序依次进行黏贴组合，并胶固集成在石英玻璃管6中，入射光纤13连接到准直器8，并通过 点胶7固定在玻璃管6管壁上，起到保护缓冲的作用。
[0020] 入射光纤13连接到准直器8对入射激光进行聚焦准直，准直后的激光经过起偏器9 和石英波片10,并固定石英波片10的快轴与起偏器9的偏振通光轴夹角成45°，通过选择石 英波片1 〇的类型调节入射激光的初始偏振态。之后激光入射到电光晶体11，电光晶体11在 被测电磁场的作用下，产生电光效应，其光学折射率分布发生变化，从而导致在其中传输的 激光的偏振特性随着被测电磁场变化，从而被测电磁场的电场信号加载到激光光束上。激 光光束再经过高反射率介质片12被反射，反射后的激光会再次经过电光晶体11对其偏振态 的调制，之后石英波片10和起偏器9将被测电磁场信号对激光光束的偏振态调制转化为光 强信号的变化，从而经探针输出的光信号通过光电转换和分析检测后可以获得被测电磁场 的信息。
[0021] 本发明的光学探头5的测量方法为:设入射激光经过起偏器9后其电场强度可表示 为矩阵[取，0]'则经过石英波片10和电光晶体11再经过高反射率介质片12反射原路返回并 输出的偏振光的电场强度可由琼斯矩阵表示为(设高反射率介质片的反射率为1):
[0023]式中，Θ为石英波片1〇的快轴与起偏器9的偏振通光轴夹角，θ '为电光晶体11的感 应快轴与起偏器9的偏振通光轴夹角，δ为在被测电磁场作用下激光通过电光晶体11在两个 感应主轴上产生的相位差。选择θ = 45°，则光学探头5的输出激光的电场强度可以表不为：
[0025] 进而可以得到自光学探头输出的激光的光强可以表示为：[0026]
[0027]其中，Ιο为入射激光经过起偏器9后的光强。选择θ' =45°，则光学探头5的输出激 光的电场强度可以表不为：
[0029] 从上式可以发现，所述光学探头5在被测电磁场下的输出光强与石英波片的选择 有关，由于S远小于1，当被测电磁场很小时，选择石英波片为1/8波片，对上式进行近似计算 并略去δ 2尚阶项后可得：
[0030]
[0031 ]由上式可知，因电光晶体由于被测电磁场引起的电光效应产生的相位差与入射光 强Ιο成一次线性关系，此时光学探头5对被测电磁场的电场灵敏度较高，在这种情况下，所 述光学探头5适合于弱电磁场环境的测量。
[0032] 当被测电磁场较大时，选择石英波片为1/4波片，对上式进行近似计算可得：
[0033] 由上式可知，当所选择的石英波片为1/4波片时，光学探头5的输出光强与电光晶 体由于被测电磁场引起的电光效应产生的相位差S的平方成一次线性关系，由于δ较小，光 学探头5对被测电磁场的电场灵敏度较低，十分适合于大动态范围的高强度电磁场环境的 测量。因此根据被测电磁场场强的大小，选择合适的石英波片10,可实现从弱电场到高强电 场众多应用场合的测量。
[0034] 综上所述，本发明的微型光学探头主要由准直器、起偏器、石英波片、电光晶体以 及高反射率介质片等光学器件组成，其测量方法可以概括为:通过石英波片调节入射到电 光晶体的激光的偏振状态，再利用电光晶体在电磁场中的泡克尔斯效应改变在其中传输的 光束的偏振态，使得自探针反射的光学信号携带有电磁场的幅度信息，从而可以通过对光 学信号的解调获得被测电磁场的信息。
[0035] 上述的起偏器、石英波片、电光晶体以及高反射率介质片通过精确的光学切割，并 且按照准直器、起偏器、石英波片、电光晶体以及高反射率介质片的顺序依次进行黏贴组 合，并胶固集成在石英玻璃管中，以提高光学探头的集成度和机械强度。
[0036] 上述石英波片根据实际应用场合中被测电磁场场强的动态范围和灵敏度的需要 设计选择不同的石英波片，调节入射到电光晶体的激光的偏振状态，使得被测电磁场对激 光处于不同的调制工作点，使得光学探头的测量灵敏度不同，从而保证所述光学探头可以 满足不同应用场合的需求，实现从电磁泄露等弱电场场合到发射天线等高强电场场合的被 测电磁场的测量。
[0037] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精 神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种灵敏度可调的用于电磁场测量的光学探头；其特征在于：其包括准直器(8)、起 偏器(9)、石英波片（10)、电光晶体（11)、高反射率介质片（12)、入射光纤（13)、以及石英玻 璃管(6);按照准直器(8)、起偏器(9)、石英波片（10)、电光晶体（11)以及高反射率介质片 (12)的顺序依次组装在石英玻璃管(6)中，入射光纤（13)连接到准直器(8)并固定在玻璃管 (6)管壁上。2. 如权利要求1所述的灵敏度可调的用于电磁场测量的光学探头，其特征在于:入射光 纤（13)通过点胶(7)固定在玻璃管(6)管壁上;准直器(8)、起偏器(9)、石英波片（10)、电光 晶体(11)以及高反射率介质片（12)通过胶固集成在石英玻璃管(6)中。3. 如权利要求1所述的灵敏度可调的用于电磁场测量的光学探头，其特征在于:石英波 片（10)的快轴与起偏器(9)的偏振通光轴夹角成45°。4. 一种如权利要求1至3中任意一项所述的灵敏度可调的用于电磁场测量的光学探头 的测量方法，其特征在于:通过石英波片（10)调节入射到电光晶体(11)的激光的偏振状态， 再利用电光晶体(11)在电磁场中的泡克尔斯效应改变在电磁场中传输的光束的偏振态，使 得自高反射率介质片（12)反射的光学信号携带有电磁场的幅度信息，从而通过对光学信号 的解调获得被测电磁场的信息。5. 如权利要求4所述的灵敏度可调的用于电磁场测量的光学探头的测量方法，其特征 在于:入射光纤（13)连接到准直器(8)对入射激光进行聚焦准直;准直后的激光经过起偏器 (9) 和石英波片（10)，通过选择石英波片（10)的类型调节入射激光的初始偏振态;之后激光 入射到电光晶体（11)，电光晶体(11)在被测电磁场的作用下，产生电光效应，其光学折射率 分布发生变化，导致在其中传输的激光的偏振特性随着被测电磁场变化，从而被测电磁场 的电场信号加载到激光光束上;激光光束再经过高反射率介质片（12)被反射，反射后的激 光会再次经过电光晶体（11)对其偏振态的调制;之后石英波片（10)和起偏器(9)将被测电 磁场信号对激光光束的偏振态调制转化为光强信号的变化，从而经探针输出的光信号通过 光电转换和分析检测后获得被测电磁场的信息。6. 如权利要求5所述的灵敏度可调的用于电磁场测量的光学探头的测量方法，其特征 在于:光学探头根据实际应用场合中被测电磁场场强的动态范围和灵敏度的需要设计选择 不同的石英波片，调节入射到电光晶体（11)的激光的偏振状态，使得被测电磁场对激光处 于不同的调制工作点，使得光学探头的测量灵敏度不同。7. -种电磁场测量设备，其包括频谱分析仪（1)、光电探测器(2)、激光器(3)、光环行器 (4)、光学探头(5);其特征在于:光学探头(5)为如权利要求1至3中任意一项所述的灵敏度 可调的用于电磁场测量的光学探头:激光器(3)发射的激光通过光环行器(4)进入到处于被 测电磁场中的光学探头(5)，光学探头(5)将调制后载有被测电磁场的激光反射，反射后激 光再经过光环行器(4)进入到光电探测器(2)，被光电转换为射频信号后进入到频谱分析仪 ⑴。8. -种如权利要求7所述的电磁场测量设备的测量方法，其特征在于：通过石英波片 (10) 调节入射到电光晶体(11)的激光的偏振状态，再利用电光晶体（11)在电磁场中的泡克 尔斯效应改变在电磁场中传输的光束的偏振态，使得自高反射率介质片（12)反射的光学信 号携带有电磁场的幅度信息，从而通过对光学信号的解调获得被测电磁场的信息。9. 如权利要求8所述的电磁场测量设备的测量方法，其特征在于:入射光纤（13)连接到 准直器(8)对入射激光进行聚焦准直;准直后的激光经过起偏器(9)和石英波片（10)，通过 选择石英波片（10)的类型调节入射激光的初始偏振态;之后激光入射到电光晶体（11 )，电 光晶体（11)在被测电磁场的作用下，产生电光效应，其光学折射率分布发生变化，导致在其 中传输的激光的偏振特性随着被测电磁场变化，从而被测电磁场的电场信号加载到激光光 束上；激光光束再经过高反射率介质片（12)被反射，反射后的激光会再次经过电光晶体 (11)对其偏振态的调制；之后石英波片（10)和起偏器(9)将被测电磁场信号对激光光束的 偏振态调制转化为光强信号的变化，从而经探针输出的光信号通过光电转换和分析检测后 获得被测电磁场的?目息。10.如权利要求9所述的电磁场测量设备的测量方法，其特征在于:光学探头根据实际 应用场合中被测电磁场场强的动态范围和灵敏度的需要设计选择不同的石英波片，调节入 射到电光晶体（11)的激光的偏振状态，使得被测电磁场对激光处于不同的调制工作点，使 得光学探头的测量灵敏度不同。
【文档编号】G01R29/08GK106093599SQ201610466416
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月21日
【发明人】张业斌, 田晓光, 王昌雷, 武帅, 张思敏, 盛永鑫
【申请人】中国电子科技集团公司第三十八研究所