CN101529261B - 用于电磁场矢量测量的电光探针 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测量在分析区域内电磁场的两种分量的设备，包括：光源(7)，向保持偏振光纤(5)内发送沿着所述光纤轴偏振的光束的；布置在所述区域内的各向同性电光材料(21)，用于通过使其轴与所述光纤轴相差45度角定向的四分之一波片(22)从所述光纤接收光束，并将光束送回所述光纤内，所述波片略微脱离关于其特性或其定向的调整；对送回所述光纤的所述光束进行相移的装置(13-14)，设为施加相移(g)，上述相移(g)与在沿所述光纤的特定介电轴对准的两种偏振之间施加的(q)相等并相反；用于分析从所述相移装置输出的所述波的定向和椭圆率的装置。

Description

用于电磁场矢量测量的电光探针

技术领域

本发明涉及小范围分析区域中对电磁场的测量。

在本申请中，“电磁场”或简称“场”是指实际的电磁场、纯磁场或纯电场。

背景技术

想要测量电磁场时的困难之一在于该场很可能直接作用在用于测量它的测量装置的电路上，或者该场可能会受到所述装置影响。为了避免这一缺陷，已经提出了一种光学探测系统，其中该场作用在越过电光晶体的光束上。在电光晶体中，该场基本上作用于光束的偏振上。这里将说到具有直线偏振、具有圆偏振和具有椭圆偏振的光波。为了避免论述上的繁琐，正如现行实践中经常做的那样，将它们称为直线波、圆波或椭圆波，每当这时应当明白这些波是指分别具有直线偏振、圆偏振或椭圆偏振的光波。

在图1中示出了一种常规的电磁场光学测量装置的例子。该探测器由电光晶体1构成，该电光晶体1具有包含反射表面的端部2和由耦合器3耦合到保持偏振光纤5的另一端部。由偏振光源经过耦合器9向光纤5的另一端送出偏振光，该偏振光源例如一体或非一体地包括发光二极管7和起偏器8。

由镜面2反射并且已经穿过晶体1和光纤5两次的光被分光器11收集并送到偏振分析组件中，该偏振分析组件例如包括四分之一波片(或λ/4片)13、半波片(或λ/2片)14和起偏器15，这些部件中的每一个可设置为手动或在控制装置17的作用下独立转动。应当注意的是，通常，在各向异性光学领域中，“起偏器”是用于指适于设定朝着使用光的装置穿过该起偏器的光的偏振的部件，而当将相同的装置放置在系统的探测器一侧并用于分析其所接收的光的偏振的时候，同样的装置会被称为“分析器”，术语“起偏器”将一直使用，不管是将其安排在设定偏振的位置上或是在分析其所接收的光的偏振的位置上，有效提供这些的都是同一硬件装置。术语“分析器”是为分析光波偏振状态的组件预留的，该组件包括λ/4片13、λ/2片12和起偏器15的组件。

在起偏器15的输出端布置探测器19，其在终端20上提供一个与在该起偏器的偏振方向上入射在起偏器15上的波强成比例的信号。本领域技术人员应当理解，在传感器1的位置(level)上没有场的情况下，光纤5将沿着该保持偏振光纤的轴向方向(如果起偏器8是对准光纤5的两个轴之一的)向晶体1传送具有直线偏振的波。这种偏振状态将被该各向异性晶体改变，其会将椭圆波送回该光纤。在没有场的情况下设置分析器13-15以设定参考点。然后，当在晶体1上施加场时，这改变了该晶体系数并且在分析器13-15位置上所接收的波的偏振发生变化。这样的改变表示施加在该传感器位置上的场的特征，并且可以通过分析器13-15来探测。

应当认识到，通过这种类型的装置只能测量到该场的平行于所使用的电光晶体的敏感矢量特性的成分。

曾经提出过各种方法来优化测量。例如，电光晶体2的轴优选地从保持偏振光纤的轴偏离45度。

上文中所述类型的装置理论上提供良好的效果，特别是由于这样一个事实，即它使得对于包括光源7、光传感器19和用于分析其输出信号的电路(未示出)的需要电流存在的部件能够远离测量场的区域。由此，这些部件不会被要测量的场所扰乱，而只是它们干扰场。但是能够观察到该装置的设置，特别是上述参考点的设定，沿时间会有相当大的偏离，尤其是当该光纤过长的时候。已经注意到这种偏离与温度的影响特别相关。因此，如果温度变化而不被注意的话，同一场会有被测量成不同值的风险。必须非常频繁地对分析器13-15的参考点设定进行重新调整以获得可靠的参考，而这种经验性的设置会相当长且困难。

发明内容

本发明致力于克服这些光学的场测量装置缺点中的至少一部分，特别是消除由光纤的温度变化造成的影响。

本发明还致力于提供一种使用特别简单的分析系统。

本发明还致力于提供在该分析区域位置上的两种场分量。

为了实现这些目的的全部或部分以及其它目的，本发明提供一种用于测量在分析区域内电磁场的两种分量的设备，包括：向保持偏振光纤内发送沿着该光纤轴偏振的光束的光源；布置在所述区域内的的各向同性电光材料，用于通过使其轴与该光纤轴相差45度定向的λ/4片从该光纤接收光束并将光束送回该光纤内，该片略微脱离关于其特性或其定向的调整；为送回该光纤的该光束相移的装置，设置为施加与在沿该光纤的特定介电轴对准的两种偏振之间施加的相等或相反的相移；用于分析从该相移装置输出的波的定向和椭圆率的装置，该定向和椭圆率按照非常重要的关系同在该分析区域中场的定向和强度有关。

根据本发明的一种实施例，该分析设备包括λ/4片，和分别布置在该四分之一波片和强度探测器之间的两个不同路径上的起偏器。

根据本发明的一种实施例，该相移装置包括λ/4片和λ/2片。

根据本发明的一种实施例，该相移装置包括Soleil-Babinet补偿器。

一种用于设置该设备的相移装置的方法，包括以下步骤：

在该相移装置后面与由该光纤的轴定义的参考偏振相差45度布置起偏器，和

设置该相移装置，使得该起偏器传送其所接收的一半光。

附图说明

在下面联系附图的具体实施例的非限定性描述中将具体讨论本发明的上述目的、特征和优点等，其中：

图1示意性地示出了现有技术中用电光效应晶体测量电磁场的装置；和

图2示意性地示出了根据本发明的用电光效应晶体测量电磁场的装置。

具体实施方式

在图2中示出了本发明的实施例，本发明使用具有和在图1中所示的那些相同部件的硬件装置。这些部件用相同的参考标号标示，因此不再进行说明。

根据本发明，例如砷化镓或碲化锌类型的晶体21用作电光效应晶体，其在没有场的情况下各向同性，而在存在场的情况下变成各向异性。

在晶体21和光纤5之间插入相对于光纤轴以45度定向的四分之一波片22。该片必须既不是正好四分之一波也不是正好相对于该光纤轴以45度定向。这样，送入该晶体的偏振将大致为圆偏振。该晶体轴可以布置为相对于该光纤轴和该四分之一波片为任意角度。

由晶体21送回光纤5的光束将被分光器11偏向相移组件，该相移组件例如包括包括四分之一波片(或λ/4片)13和二分之一波片(或λ/2片)14。应当注意到的是，由于在没有场时晶体21是各向同性，因此如果片22优选为四分之一波并且完全处于45度时，从分光器11出来的波将是直线的。由于λ/4片22的刻意缺陷特性，该波为轻微的椭圆，例如表现出具有其主成分百分之几的强度的正交成分。

相移器13-14的输出光束被送到起偏器15和探测器19。当按照下面的表达式在晶体21上施加电场时，发明人已经能够示出在该相移器组件的输出端的偏振状态：

使用下列注释：

j：具有平方等于-1的数，

Ex、Ey：正交的偏振分量，

θ：保持偏振光纤5在沿其特定的介电轴对准的偏振之间引入的相移(该相移随着光纤温度而变化)，

在存在场的情况下由在该电光晶体的材料中的回程在根据该晶体的介电轴定向的偏振之间引入的相移，注意该总是比2π小很多，

γ：由对应于λ/4片和λ/2片13和14的组件的相移引入的相移，和

α：取决于电磁场相对于晶体21的轴的定向的角值。

可以看出如果将γ设为等于-θ，则在分析器13-14的输出端的偏振状态将变成不受θ的影响，也就是说，不受该光纤参数的影响，特别是不受θ变化的影响，即，不受光纤温度的影响，则等式(1)变为：

应当进一步注意的是，由于

总是比1小很多，因此所获得的波几乎是直线的。

为了确保γ＝-θ，根据本发明的实施例，测量由位于起偏器15后面的探测器19所接收的强度。按下式提供强度：

I＝cos²ψ+δsin(γ+θ)sin²ψ            (3)

其中：

ψ表示起偏器15的定向，

δ表示与片22的缺陷有关的相移。

如果以与由输入起偏器8施加的偏振方向相差45度设置起偏器15，则等式(3)变为：

I＝1/2+δsin(γ+θ)                       (4)

在设置了分析器13-14后，当起偏器15(设为45度)的输出能量等于没有该起偏器时的一半时，就由此证明了条件γ＝-θ是符合的。作用于分析器13-14的控制器23可以使用探测器19的输出，使得该条件永远满足。这样，正如前面所述，被分析的信号将不受光纤5温度变化的影响。

进而，如下所提供的分析器13-14的输出波：

通过分光器31偏向用于分析该椭圆率的装置。

应当提醒的是，

表征在传感器21上的场强，α表征该场相对于晶体21的轴的定向。

和α由非常重要的关系与椭圆率和相对于该相移器输出波的偏振的参考方向的定向联系起来。

许多类型的偏振分析器可以用于确定

和α。图2中给出了它们中的一个例子，其包括将该扁平椭圆的波转换成接近圆的波的λ/4片32，并且通过分光器33分两路，经过定向ψ1和ψ2的起偏器P1和P2朝着探测器S1和S2发送该接近圆的波。

在探测器S1和S2上，获得如下的各自信号P1和P2：

i＝1或2。

这样，例如ψ1＝0且ψ2＝π/4：

和

tan2α＝-(2P2-1)/(2P1-1)

此外，本发明很可能有很多能够如下所述列出的特性或变化，但这不是限制性的。

为了移动所接收波的相位，代替使用λ/4片13和λ/2片14，可以使用任何已知的相移装置，例如巴比涅(Soleil-Babinet)补偿器。该补偿器将比较容易用控制装置23控制。

如果施加给传感器21的场是给定频率的交变场，则优选进行传感器S1和S2的输出信号的同步探测。

为了提高灵敏度，该传感器晶体可以结合构成天线的部件。

本领域技术人员应当明白，对于场的两个分量的测量或对场强及其定向的测量，或者对场的矢量测量来说是等效的。

当然，本发明很可能具有本领域技术人员会想到的全部其它变化和修改。

Claims (5)

1.一种用于测量在分析区域内电磁场的两种分量的设备，包括：

光源(7)，向保持偏振光纤(5)内发送沿着光纤轴偏振的光束；

布置在所述区域内的各向同性电光材料(21)，用于通过使其轴与所述光纤轴相差45度角定向的四分之一波片(22)从所述光纤接收光束，并将光束送回所述光纤内，所述波片略微脱离关于其特性或其定向的调整；

对送回所述光纤的所述光束进行相移的相移装置(13-14)，设为施加相移(γ)，上述相移与在沿所述光纤的特定介电轴对准的两种偏振之间施加的相移相等并相反；

用于分析从所述相移装置输出的波的定向和椭圆率的分析装置，所述定向和椭圆率分别与在所述分析区域中的所述场的定向和强度有关。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述分析装置包括四分之一波片(32)，以及分别布置在所述四分之一波片和强度探测器之间的两个不同路径上的起偏器。

3.根据权利要求1所述的设备，其中所述相移装置包括四分之一波片(13)和二分之一波片(14)。

4.根据权利要求1所述的设备，其中所述相移装置包括巴比涅补偿器。

5.一种用于设置权利要求1的所述设备的相移装置的方法，包括以下步骤：

在所述相移装置后面与由所述光纤的轴定义的参考偏振相差45度布置起偏器(15)，和

设置所述相移装置，使得所述起偏器传送其所接收的一半光。

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