一种基于铌酸锂薄膜的无电极式电磁脉冲电场传感器的制作方法

本发明涉及光波导技术及光学电场检测领域，具体涉及一种基于铌酸锂薄膜的无电极式电磁脉冲电场传感器。

背景技术：

1、由于具有体积小、响应时间快、动态范围宽、强电磁环境下不易损坏、适用于远距离在线监测等优点，集成光波导式脉冲电场传感器在核爆脉冲、高压放电脉冲、雷电脉冲、高功率微波、电磁兼容性及强电场监测等领域具有广阔的应用前景。

2、常规的集成光波导式电场传感器主要由linbo3晶体衬底、马赫-泽德干涉仪、金属电极和天线组成。被测电场经金属天线馈送到光波导两侧的电极上，形成感应电场。通过检测波导干涉仪输出光强的变化，获得被测电场。但是由于linbo3晶体衬底除了具有电光效应外，还具有的热光、热膨胀、压电、声光等效应，这会导致传感器的工作点对电场和外界温度环境因素同时敏感，即工作点受外界影响可能随时发生漂移，温度稳定性较差。而电场传感器的工作现场大部分为户外条件。由于季节气候变化，电场传感器的工作条件尤其是环境温度变化较为复杂。

3、瞬态强电磁脉冲测试技术是定量评估各种电子设备电磁环境效应和抗扰度试验研究的重要手段，同时也是研究设备电磁损伤机理和电磁防护措施的基础。但是，电磁脉冲具有上升沿快、持续时间短、峰值场强高、频谱范围宽而且时域波形在传输、辐射过程中易发生畸变等特点，对测量系统的响应速度、频带宽度、动态范围要求较高。

4、常规的脉冲电场测量方法包括d-dot天线感应式电场传感器、基于块状晶体pockels效应的电场传感器和集成光波导式电场传感器。其中，集成光波导式电场传感器由于光信号在波导中传播，更稳定且容易控制，器件尺寸大幅度缩减等优势受到了广泛关注。但是，由于光波导两侧具有金属结构的天线和电极，天线固有的谐振特性导致传感器的带宽有限，特别是无法覆盖低频波段(几十到几百khz)，最终表现为测量瞬态脉冲信号的时域波形时，会出现波形畸变和失真问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于铌酸锂薄膜的无电极式电磁脉冲电场传感器，以实现对瞬态强脉冲的快速测量。

2、为解决上述技术问题，本发明提供了一种技术方案：一种基于铌酸锂薄膜的无电极式电磁脉冲电场传感器，该传感器包括下衬底、铌酸锂层、覆盖层、输入输出光纤；铌酸锂层设置于下衬底之上，覆盖层设置于铌酸锂层之上，铌酸锂层包括由下至上连接的铌酸锂薄膜与铌酸锂脊型波导，铌酸锂脊型波导包括依次连接的第一布拉格光栅、第一铌酸锂脊型波导段、第二布拉格光栅、第二铌酸锂脊型波导段，输入输出光纤两端分别与外部装置以及第二铌酸锂脊型波导段连接。

3、按上述方案，所述下衬底为sio2制成。

4、按上述方案，所述覆盖层为sio2制成。

5、按上述方案，所述铌酸锂薄膜厚度为500～700nm。

6、按上述方案，所述下衬底的厚度为2～4μm。

7、按上述方案，所述覆盖层的厚度为0.4～0.6μm。

8、按上述方案，构成第一布拉格光栅、第二布拉格光栅的狭缝的宽度为200～250nm，狭缝间距为250～300nm，第一布拉格光栅、第二布拉格光栅的光栅长度为400～600μm。

9、按上述方案，输入输出光纤与第二铌酸锂脊型波导段之间连接有绝热锥形光纤。

10、按上述方案，第一铌酸锂脊型波导段作为珐铂腔，珐铂腔的腔长为0.4～0.6mm。

11、一种包括上文所述基于铌酸锂薄膜的无电极式电磁脉冲电场传感器的电磁脉冲电场测量系统，该系统包括电磁脉冲电场传感器、可调谐激光源、环形器、光电探测模块，可调谐激光源、电磁脉冲电场传感器、光电探测模块均通过光纤与环形器连接；

12、可调谐激光源发出激光经过环形器传输至电磁脉冲电场传感器，电磁脉冲电场传感器被设置于被测环境中，当存在电磁脉冲电场信号时，电磁脉冲电场传感器的反射光谱发生相应变化，变化的光信号输入光电探测模块后经过光电转化及信号处理后被输出为电信号。

13、本发明的有益效果是：由于铌酸锂的电光效应源于外界电场作用下晶体内部电荷的重新分布引起的晶格畸变，且晶格畸变速度为亚皮秒量级，击穿场强值则高达24mv/m，因此采用铌酸锂材料制作珐铂腔，能够使该传感器适用于瞬态强脉冲的快速测量。

14、进一步地，由于光栅珐铂腔结构紧凑，其物理尺寸为毫米量级，因此该传感器体积微小，可实现电场空间分布的“点探测”。

技术特征：

1.一种基于铌酸锂薄膜的无电极式电磁脉冲电场传感器，其特征在于：该传感器包括下衬底、铌酸锂层、覆盖层、输入输出光纤；铌酸锂层设置于下衬底之上，覆盖层设置于铌酸锂层之上，铌酸锂层包括由下至上连接的铌酸锂薄膜与铌酸锂脊型波导，铌酸锂脊型波导包括依次连接的第一布拉格光栅、第一铌酸锂脊型波导段、第二布拉格光栅、第二铌酸锂脊型波导段，输入输出光纤两端分别与外部装置以及第二铌酸锂脊型波导段连接。

2.根据权利要求1所述的基于铌酸锂薄膜的无电极式电磁脉冲电场传感器，其特征在于：所述下衬底为sio2制成。

3.根据权利要求1所述的基于铌酸锂薄膜的无电极式电磁脉冲电场传感器，其特征在于：所述覆盖层为sio2制成。

4.根据权利要求1所述的基于铌酸锂薄膜的无电极式电磁脉冲电场传感器，其特征在于：所述铌酸锂薄膜厚度为500～700nm。

5.根据权利要求1或2所述的基于铌酸锂薄膜的无电极式电磁脉冲电场传感器，其特征在于：所述下衬底的厚度为2～4μm。

6.根据权利要求1或3所述的基于铌酸锂薄膜的无电极式电磁脉冲电场传感器，其特征在于：所述覆盖层的厚度为0.4～0.6μm。

7.根据权利要求1所述的基于铌酸锂薄膜的无电极式电磁脉冲电场传感器，其特征在于：构成第一布拉格光栅、第二布拉格光栅的狭缝的宽度为200～250nm，狭缝间距为250～300nm，第一布拉格光栅、第二布拉格光栅的光栅长度为400～600μm。

8.根据权利要求1所述的基于铌酸锂薄膜的无电极式电磁脉冲电场传感器，其特征在于：输入输出光纤与第二铌酸锂脊型波导段之间连接有绝热锥形光纤。

9.根据权利要求1所述的基于铌酸锂薄膜的无电极式电磁脉冲电场传感器，其特征在于：第一铌酸锂脊型波导段作为珐铂腔，珐铂腔的腔长为0.4～0.6mm。

10.一种包括权利要求1-9任一所述基于铌酸锂薄膜的无电极式电磁脉冲电场传感器的电磁脉冲电场测量系统，其特征在于：该系统包括电磁脉冲电场传感器、可调谐激光源、环形器、光电探测模块，可调谐激光源、电磁脉冲电场传感器、光电探测模块均通过光纤与环形器连接；

技术总结
本发明公开了一种基于铌酸锂薄膜的无电极式电磁脉冲电场传感器，该传感器包括下衬底、铌酸锂层、覆盖层、输入输出光纤；铌酸锂层设置于下衬底之上，覆盖层设置于铌酸锂层之上，铌酸锂层包括由下至上连接的铌酸锂薄膜与铌酸锂脊型波导，铌酸锂脊型波导包括依次连接的第一布拉格光栅、第一铌酸锂脊型波导段、第二布拉格光栅、第二铌酸锂脊型波导段，输入输出光纤两端分别与外部装置以及第二铌酸锂脊型波导段连接。该传感器体积微小，能够实现对瞬态电磁脉冲的时域波形的真实还原。

技术研发人员：黄明亮,冀航,倪超,董晶,左宇
受保护的技术使用者：中国舰船研究设计中心
技术研发日：
技术公布日：2024/5/16