基于克尔材料的高压电场强度测量系统的制作方法

1.本实用新型涉及电场强度测量领域，具体地说，涉及高压电场强度的测量装置。


背景技术：

2.1875年，苏格兰物理学家john kerr发现某些物质在电场的作用下，其分子受到电场的作用会发生取向偏转，从而呈现各向异性，结果产生了双折射，这就是克尔电光效应(kerr，john,”a new relation between electricity and light:dielectrified media birefringent”,1985,4.50(332):337-348)。克尔效应自被发现以来，由于其电场极化作用的速度非常快、分子取向转换非常迅速的特点，在许多领域都获得了重要应用。
3.2015年，t kamiya等人提出了一种利用气体克尔效应来测量交流高压的测量装置(kamiya,t.,et al."high voltage measuring apparatus based on kerr effect in gas."2015,ieee transactions on dielectrics and electrical insulation 22(2):760-765)，利用sf6、n2、co2和cf3等气体的克尔效应，测量了130kv、50hz的交流电压。但这种装置对系统的调制频率要求较高。


技术实现要素：

4.本实用新型提供了一种基于克尔材料的高压电场强度测量系统，可以精确快速测量高压电场强度参数。
5.根据本实用新型所提供的测量装置，依次包括激光源，相位物体，第一透镜，克尔材料元件，第二透镜及测量元件，所述相位物体、所述第一透镜、所述克尔材料元件、所述第二透镜以及测量元件构成4f系统，所述克尔材料元件在所述第一透镜与所述第二透镜的公共焦平面上。
6.优选地，相位物体与克尔材料元件分别在第一透镜两侧的焦平面上。
7.优选地，克尔材料元件与测量元件分别在第二透镜两侧的焦平面上。
8.优选地，相位物体与克尔材料分别在第一透镜两侧的焦平面上。
9.优选地，克尔材料与测量元件分别在第二透镜两侧的焦平面上。
10.优选地，相位物体对激光源的激光束的相位调制为π/2。
11.优选地，第一透镜和所述第二透镜焦距相同，测量元件为能量计。
12.优选地，测量系统还包括参考光路，参考光路包括分光镜和能量计，其中分光镜设置于相位物体与第一透镜之间，测量元件为为ccd、lcos、或dmd中的一种。
13.本实用新型在根据上述测量系统，利用高压电场对克尔材料光学折射率变化的影响，可以通过测量克尔材料对激光调制前后的光斑信息，快速准确地得出高压电场强度信息。
附图说明
14.附图1为本实用新型一实施例的测量装置示意图；
15.附图2为本实用新型又一实施例的测量装置示意图
16.附图3为本实用新型克尔材料调制前后光斑半径与能量变化的图。
17.其中：
18.1激光源；2相位物体；3第一凸透镜；4克尔材料元件；5第二透镜；6测量元件；7分光镜；8能量计
具体实施方式
19.有关本实用新型的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考图式的一优选实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本实用新型。下面结合附图对本实用新型作进一步详细的说明：
20.如图1所示，为本实用新型一实施例中基于克尔材料的高压电场强度测量系统的示意图。测量系统包括激光源1，相位物体2，第一透镜3，克尔材料元件4，第二透镜5，以及测量元件6，其中，克尔材料元件在第一透镜3和第二透镜5的公共焦平面上，克尔材料元件可以是磷酸二氢钾晶体、立方钙钛矿型晶体钛酸钡、钛酸锶、玻璃、硝酸苯、间硝基甲苯、二氧化碳等材料。本实施例中，第一透镜3与第二透镜5的焦距相同，且相位物体2在第一透镜3相对克尔材料元件另一侧的焦平面上，测量元件6在第二透镜5相对克尔材料元件的另一侧焦平面上。测量元件6为能量计，这里仅为示例，并不局限于此。
21.在进行对高压电场强度进行测量时，需分别获取没有高压电场情形下激光束参考信息，以及获取有高压电场时克尔材料调制后的激光束信息，通过没有高压电场情形下激光束参考信息和有高压电场时克尔材料调制后的激光束信息进行运算获得高压电场强度信息。获取没有高压情形下激光束参考信息与获取有高压电场时克尔材料调制后的激光束信息的步骤不分先后。具体来说，获取激光束参考信息即在没有高压电场的情况下，直接通过测量元件6记录经相位物体2调制后的激光源1发出的激光束信息的光斑；将克尔元件材料置于高压电场内，通过测量元件记录经相位物体2与克尔材料调制后的激光光斑，通过前后两次光斑的能量变化可以计算出克尔材料的非线性相移分为两小步：首先根据下式得到s
l
，s
l
为高压电场中克尔材料出射面激光光场的电场分布；
22.i(x,y)＝|λfft-1sl
(u,v)h(u,v)|223.f为焦距，λ为激光波长，ft-1为逆傅里叶变换，h(u,v)为4f系统相干光学系统的传递函数，这些为已知参量，i(x，y)为测量元件获取的参数；其次根据下式获得非线性相移
[0024][0025]
其中s(u,v)为克尔材料入射面激光光场的电场分布，为已知参量。
[0026]
在获得非线性相移后，再根据下式得到高压电场下克尔材料的非线性光学参数(三阶非线性折射率)：
[0027][0028]
n2为高压电场下三阶非线性折射率，l为克尔材料的厚度，i(u,v)为入射到克尔材
料的光强，为非线性光学相移，k为波矢，其中i(x，y)与i(u，v)为线性关系，可通过参考光光强与测量元件获取的光强得到二者关系i(x，y)＝t*i(u，v)；进而δn＝|n
2-n1|，n1为未加高压电场时克尔材料的折射率。
[0029]
进一步根据克尔材料的非线性光学参数激光波长之间的关系计算出高压电场强度信息。
[0030]
δn＝λke2[0031]
k为克尔系数，e为高压电场强度；进一步的根据电场产生的原理可以得到高压电压值，比如电场为平行板电容器之间的电场，本实用新型可测得的高压电压值在千伏以上。
[0032]
如图2所示，为本实用新型又一实施例中基于克尔材料的高压电场强度测量系统的示意图。与图1所示不同的是，本实施例中增设了参考光路，参考光路上设有分光镜7和能量计8，测量元件6为ccd、lcos、或dmd中的一种。能量计8获取的能量与测量元件6直接读取的灰度参数成线性关系。
[0033]
根据图2所示的测量系统，做了如下实验。实验中采用的克尔材料元件为置于石英器皿内的液体克尔材料，液体克尔材料为硝酸苯或间硝基甲苯，选用的石英器皿厚度为2mm，因此所容纳的克尔材料的厚度为2mm，第一透镜3与第二透镜5的焦距均为400mm。实验中通过在平行板电容器两端施加高压电压形成高压电场；采用的激光光束为532nm激光，脉宽190fs，激光能量为200nj，相位物体直径1mm，平行板电容器极板距离2mm，克尔材料的克尔常数为1
×
10-10
mv-2
。
[0034]
在施加了5组不同电压的情况下，获取如图3所示的克尔材料调制前后光斑半径与能量变化的图。本实施例中，克尔材料采用了液体材料，液体材料盛放于石英器皿中，待测直流高压电路中的平行板电容器浸没在克尔材料内。相位物体2的半径为r1，激光光斑最大半径为r2，石英器皿在与光轴垂直的面上的尺寸大于r2。图3中横轴为光斑尺寸，纵轴为通电前后光斑能量分布的变化值。本实施例中，相位物体2对激光器1发出的激光的相位调制为π/2。根据已知光学系统和相关参数分别测试不同高压下激光光斑半径上能量前后的变化，根据能量前后的变化计算出各高压下平行板电容器的电场强度的值。最后根据平行板电容器的参数即可算出高压电压值。
[0035]
本实用新型利用克尔材料的非线性光学参数受高压电场影响产生变化，通过测量系统对激光光斑参数的测量进而得出高压电场强度参数，进一步能够准确地获取高压电压值，极大的降低测量难度，减小了测量误差。
[0036]
以上所述，仅为本实用新型的优选实施例而已，当不能以此限定本实用新型实施的范围，即所有依本实用新型权利要求书及说明内容所作的简单的等效变化与修改，都仍属本实用新型专利覆盖的范围内。另外，本实用新型的任一实施例或权利要求不须达成本实用新型所揭露的全部目的或优点或特点。此外，摘要和实用新型名称仅是用来辅助专利文件检索之用，并非用来限制本实用新型的权利范围。此外，本说明书或权利要求书中提及的“第一”、“第二”等用语仅用以命名元件(element)的名称或区别不同实施例或范围，而并非用来限制元件数量上的上限或下限。