保偏光纤耦合型电光晶体电场传感器

1.本发明涉及光学电场传感器技术领域，特别是涉及一种保偏光纤耦合型电光晶体电场传感器。


背景技术：

2.随着我国电力行业的发展，电力行业对于电场传感器提出了更高的要求，传统测量高压电场的方法有很多，例如：静电电压表、球隙、电磁式电压互感器、电阻分压器以及电容分压器等。但是随着电力系统电压等级的提高和容量的增加，测量和保护要求的不断提高，其不足之处日益突出，主要表现为：1、绝缘难度大，特别是500kv以上，因绝缘而使互感器的体积、重量及价格不成比例的提高；2、互感器铁芯结构所固有的磁饱和、动态范围小、频带窄；3、二次输出信号不能直接与数字化计量及保护设备接口；4、电容分压式电压互感器易产生铁磁谐振。而基于电光效应设计的光学电场传感器能够克服传统电场传感器的固有缺点，具有光明的发展前景和应用前景。
3.目前通过光波导或者电光晶体的电光效应实现外部电场的测量成为测量外部电场的重要方式之一。集成光学设计的光波导电场传感器具有良好的测量效果，但是集成光电场传感器的制作工艺复杂且造价较为昂贵，利用分离光学元件研制的铌酸锂晶体光学电场传感器因为结构简单，成本较低，适应于高场强测量等优点被广泛应用于外部电场的测量。
4.在传统的电光晶体光学电场传感器中，传感单元一般由单模光纤准直器、起偏器、1/4波片、电光晶体、检偏器和多模光纤准直器组成，以实现外部电场的线性测量。传感单元内利用起偏器、1/4波片等分离光学元件，使得光路静态工作点的设置方式复杂，且光路耦合损耗较高，令传感器的结构紧凑性受到了限制。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种保偏光纤耦合型电光晶体电场传感器，在实现静态工作点设置的同时减少起偏器、1/4波片等分离光学元件的使用，简化传感器的设计结构，提高传感器的耦合效率。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种保偏光纤耦合型电光晶体电场传感器，所述传感器包括输入端封装底座、输入保偏光纤准直器、电光晶体、封装外壳、输出保偏光纤准直器、输出端封装底座；所述输入保偏光纤准直器和所述电光晶体均通过注胶的方式固定在所述输入端封装底座内，所述输入保偏光纤准直器的输出端面和所述输出保偏光纤准直器的输入端面均与所述电光晶体的通光面平行设置；所述输出保偏光纤准直器通过注胶的方式固定在所述输出端封装底座内，所述电光晶体位于所述输入保偏光纤准直器与所述输出保偏光纤准直器之间，所述输出保偏光纤准直器与所述输入保偏光纤准直器同轴设置；所述输入端封装底座和所述输出端封装底座均固定在所述封装外壳上；所述输入端封装底座上和所述输出端封装底座上均固定有保偏光纤，所述保偏光纤分
别与所述输入保偏光纤准直器的输入端面和所述输出保偏光纤准直器的输出端面耦合；与所述输入端封装底座连接的所述保偏光纤上设置有输入端保偏光纤固定点，所述保偏光纤在所述输入端保偏光纤固定点处与所述输入端封装底座固定，所述输入保偏光纤准直器与所述输入端保偏光纤固定点之间的所述保偏光纤扭转π/2角度。
7.作为对上述技术方案的进一步描述，可调谐保偏光源输入线偏振光的振动方向与保偏光纤的慢轴对准后，进入传感器内进行电光调制，传感器输出的偏振信号通过保偏光纤传递到保偏光纤检偏器中，检偏后的光信号进入到光电探测器中进行光电转换，最后通过示波器探头线传递给示波器显示外部电场的时域信息。
8.优选的，所述输入端保偏光纤固定点与所述输入保偏光纤准直器输入端面的距离为1
‑
2mm。
9.优选的，所述保偏光纤为熊猫型保偏光纤，所述保偏光纤的拍长为2
‑
4mm。
10.优选的，所述输入端封装底座为3d打印机采用abs塑料打印，所述输入端封装底座为长方体结构，所述输入端封装底座内部开设有与所述输入保偏光纤准直器、所述电光晶体相适配的凹槽，所述输入端封装底座的外部尺寸为长54
‑
65mm，宽8
‑
12mm，高9
‑
13mm。
11.优选的，所述输入保偏光纤准直器与保偏光纤采用注胶方式连接固化，所述输入保偏光纤准直器为圆柱型玻璃准直器，所述输入保偏光纤准直器的输出端面为平面；所述输入保偏光纤准直器的长度为8
‑
15mm，直径为2
‑
3mm。
12.优选的，所述电光晶体为加工定制的光学级别的铌酸锂晶体，所述铌酸锂晶体为长方体结构，所述铌酸锂晶体的长为42.2
‑
62mm，宽为4
‑
6mm，高为4
‑
6mm。
13.优选的，所述封装外壳为3d打印机采用abs塑料打印，所述封装外壳为长方体结构，所述封装外壳的外部尺寸为长78
‑
88mm，宽9
‑
12mm，高8
‑
10mm。
14.优选的，所述输出保偏光纤准直器与所述输入保偏光纤准直器为一成对组合且参数一致，所述输出保偏光纤准直器与所述输入保偏光纤准直器的耦合距离为47
‑
67mm。
15.优选的，所述输出端封装底座为3d打印机采用pla塑料打印，所述输出端封装底座为长方体结构，所述输出端封装底座内部开设有与所述输出保偏光纤准直器相适配的凹槽，所述输出端封装底座的外部尺寸为长9
‑
13mm，宽8
‑
11mm，高9
‑
12mm。
16.本发明的工作原理如下：采用本发明提供的保偏光纤耦合型铌酸锂晶体电场传感器在测量电场时，可调谐保偏光源输出线偏振光的振动方向与保偏光纤的慢轴对准，此时保偏光纤中的偏振光e
o
为：
[0017][0018]
式中e
x
，e
y
分别为快轴上的光分量。将l长度的保偏光纤扭转θ角度后，因为扭转保偏光纤后产生的圆双折射效应，使得输入保偏光纤准直器输出偏振光e
out
为：
[0019][0020]
式中e
ζ
、e
η
分别为扭转保偏光纤后新的快慢轴上的光分量，δ为l长度的保偏光纤扭转角度后快慢轴之间产生的相位差。注意到相位差δ与扭转保偏光纤长度l及扭转角度存在如下关系：
[0021]
δ＝l/θ
ꢀꢀꢀ
(3)
[0022]
所以将输入保偏光纤准直器前端长度等于1/2拍长的保偏光纤扭转π/2角度后，快慢轴之间相位差δ变化了π，此时保偏光纤输出的光矢量e
out
变为：
[0023][0024]
式中：e
out
为右旋圆偏振光。可见，沿z方向入射到晶体的偏振光为圆偏振光，根据铌酸锂晶体的电光效应，经过y方向电场的相位调制后，引起圆偏振光的相位差为：
[0025][0026]
式中：l为晶体通光长度，e为外加电场强度，λ为入射光波长，n
o
为o光的折射率，r
22
为铌酸锂晶体的电光系数，κ为铌酸锂晶体外部电场与内部电场的比值。令两束光波产生π相位差的外加电场称为半波电场，表示为：
[0027][0028]
传感器输出的偏振光由保偏光纤传输到保偏光纤检偏器中，干涉后输出的光功率p
out
为：
[0029][0030]
式中：a为光路损耗系数，b为传感系统消光比，p
in
为输入光功率，为扭转保偏光纤形成的静态相位差。考虑到，保偏光纤的扭转为传感器引入了π/2的静态相位差，将代入(7)式得传感器输出光强p
out
变为：
[0031][0032]
此时，若πe(t)/e
π
<<1，(8)式可写为:
[0033][0034]
已知光电探测器的光电转换系数为β，则传感系统输出的电压信号v
out
为：
[0035][0036]
由(10)式可知，在设置传感器静态工作点为π/2后，传感器输出的电压信号与外加电场之间成线性关系，可以实现对外部电场的线性测量。
[0037]
与现有技术相比，本发明具有以下效果：本发明提供了一种保偏光纤耦合型电光晶体电场传感器，通过利用保偏光纤的扭转解决了静态工作点的设置问题；通过保偏光纤的直接耦合令光路的传输效率得到了提高，简化了传感器的设计结构，为铌酸锂晶体电场传感器的研制提供了一种新的设计方案。
附图说明
[0038]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0039]
图1为本发明保偏光纤耦合型电光晶体电场传感器的结构示意图；
[0040]
其中，1
‑
保偏光纤，2
‑
输入端保偏光纤固定点，3
‑
输入端封装底座，4
‑
输入保偏光纤准直器，5
‑
电光晶体，6
‑
封装外壳，7
‑
输出保偏光纤准直器，8
‑
输出端封装底座，9
‑
可调谐保偏光源，10
‑
保偏光纤检偏器，11
‑
光电探测器，12
‑
示波器探头线，13
‑
示波器、14
‑
传感器。
具体实施方式
[0041]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0042]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0043]
如图1所示，本发明提供一种保偏光纤耦合型电光晶体电场传感器，包括一台可调谐保偏光源9，一台示波器13，保偏光纤1若干，一对保偏光纤准直器，一块铌酸锂晶体，一只保偏光纤检偏器10，一只光电探测器11。
[0044]
本实施例中各组件的规格尺寸如下：
[0045]
选用的保偏光纤1为熊猫型保偏光纤，拍长为4mm。
[0046]
输入端保偏光纤固定点2位于输入保偏光纤准直器4前端2mm处。
[0047]
输入端封装底座3为3d打印机采用abs塑料打印的长方体，内部按照光学元件大小进行扣槽，外部尺寸：长54mm，宽8mm，高9mm。
[0048]
输入保偏光纤准直器4与保偏光纤1采用注胶方式连接固化，为玻璃材质的一个圆柱型，输出端面为平面，长度为10mm，直径为3mm。
[0049]
铌酸锂晶体为加工定制的光学级别的电光晶体，形状为长方形，长为42.2mm，宽为6mm，高为6mm。
[0050]
封装外壳6为3d打印机采用abs塑料材料打印的长方体形状，为固定封装壳体的扣槽长方体，外部尺寸：长78mm，宽12mm，高10mm。
[0051]
输出保偏光纤准直器7与输入保偏光纤准直器4为一对准直器，两只准直器的耦合距离为47mm。
[0052]
输出端封装底座8为3d打印机采用pla塑料打印的长方体，内部按照光学元件大小进行扣槽，外部尺寸：长12mm，宽12mm，高10mm。
[0053]
将输入保偏光纤准直器4前端2mm处输入端保偏光纤固定点2的保偏光纤1固定，然后将输入保偏光纤准直器4扭转90
°
，在空隙中通过注胶固定于输入端封装底座3中。输入保偏光纤准直器4出射端面与铌酸锂晶体通光面保持平行后固定。输出保偏光纤准直器7的主轴方向与输入保偏光纤准直器4的主轴方向对准后，通过注胶固定于输出端封装底座8中。
等待输入端封装底座3和输出端封装底座8的封装胶完全固化后装上封装盖板，在输入端封装底座3和输出端封装底座8与封装盖板接触的缝隙中通过注胶固定。等待封装壳体完全固化后，放入光学调整架上进行光路耦合，当光路耦合损耗最小，通过封装外壳6将两只封装壳体的相对位置进行固定，即可完成传感器14的制作。可调谐保偏光源9输入的线偏振光与保偏光纤1慢轴对准后，进入传感器14，经过传感器14后通过保偏光纤1传递到保偏光纤检偏器10中，检偏后的光信号进入到光电探测器11中进行光电转换，最后通过示波器探头线12传递给示波器13进行显示输出，完成被测电场的测量。
[0054]
本发明的工作原理如下：采用本发明提供的基于保偏光纤耦合型铌酸锂晶体电场传感器在测量电场时，可调谐保偏光源9输出线偏振光的振动方向与保偏光纤1的慢轴对准，此时保偏光纤1中的偏振光e
o
为：
[0055][0056]
式中e
x
，e
y
分别为快轴上的光分量。将l长度的保偏光纤1扭转θ角度后，因为扭转保偏光纤1后产生的圆双折射效应，使得输入保偏光纤准直器4输出偏振光e
out
为：
[0057][0058]
式中e
ζ
、e
η
分别为扭转保偏光纤1后新的快慢轴上的光分量，δ为l长度的保偏光纤1扭转角度后快慢轴之间产生的相位差。注意到相位差δ与扭转保偏光纤1长度l及扭转角度存在如下关系：
[0059]
δ＝l/θ
ꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0060]
所以将输入保偏光纤准直器4前端长度等于1/2拍长的保偏光纤1扭转π/2角度后，快慢轴之间相位差δ变化了π，此时保偏光纤1输出的光矢量e
out
变为：
[0061][0062]
式中：e
out
为右旋圆偏振光。可见，沿z方向入射到晶体的偏振光为圆偏振光，根据铌酸锂晶体的电光效应，经过y方向电场的相位调制后，引起圆偏振光的相位差为：
[0063][0064]
式中：l为晶体通光长度，e为外加电场强度，λ为入射光波长，n
o
为o光的折射率，r
22
为铌酸锂晶体的电光系数，κ为铌酸锂晶体外部电场与内部电场的比值。令两束光波产生π相位差的外加电场称为半波电场，表示为：
[0065][0066]
传感器14输出的偏振光由保偏光纤1传输到保偏光纤检偏器10中，干涉后输出的光功率p
out
为：
[0067][0068]
式中：a为光路损耗系数，b为传感系统消光比，p
in
为输入光功率，为扭转保偏光纤1形成的静态相位差。考虑到，保偏光纤1的扭转为传感器14引入了π/2的静态相位差，将代入(7)式得传感器14输出光强p
out
变为：
[0069][0070]
此时，若πe(t)/e
π
<<1，(8)式可写为:
[0071][0072]
已知光电探测器11的光电转换系数为β，则传感系统输出的电压信号v
out
为：
[0073][0074]
由(10)式可知，在设置传感器14静态工作点为π/2后，传感器14输出的电压信号与外加电场之间成线性关系，即可实现对外部电场的线性测量。
[0075]
综上所述，本发明的保偏光纤1耦合型铌酸锂晶体电场传感器14通过保偏光纤1的扭转实现传感器14静态工作点的设置，避免了起偏器、1/4波片等分离光学元件的使用，提高了传感器14的耦合效率，令传感器14可以实现对外部电场的线性测量。
[0076]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0077]
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。