CN102472785B - 电/磁场探头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了采用光纤的电场/磁场探头，其中当对光纤施加应力时，通过光纤传播的光的偏振态改变，导致用于电场检测或磁场检测的信号水平不稳定。为了抑制由施加到光纤的应力产生的光纤的弯曲或摇动，光纤以及由EO/MO材料制成的电场/磁场传感器部分被固定在例如石英基板上，并且例如，传感器部分以外的剩余的光纤被容纳并且固定在丙烯酸管中。此外，包括例如编制控制器或分析器的偏振调整组件被装配在壳体中，使得与该组件连接的光纤不承受由风压或接触等产生的应力。
Description
技术领域
本发明涉及利用激光以及电光(EO)材料或磁光(MO)材料来测量电场或磁场的探头。
背景技术
作为用于噪声性质评估或抗扰度评估的工具，需要能够以高精度在xyz三个向量检测电场或磁场的探头，并且为了这些目的，已经开发了使用激光和光学材料的探头。这样的探头由激光光源和EO/MO材料等光学测量装置构成。基于如下原理测量电/磁场，即激光进入到材料中并且材料的折射率对应于电/磁场的强度而变化。这类装置粗略地分为：从激光光源发出的光在空间中传播并且进入到EO/MO材料中的类型，以及其中整个光学测量装置和EO/MO材料通过光纤连接并且激光通过光纤传播并进入到材料中的类型。由于在微区中的高空间分辨率由于EO/MO材料的微细加工而成为可能，因此，这种探头有望在性能评估、故障检测或者以高密度安装的待腻子电路或部件的电子设计中实现高性能。
日本专利申请公开JP 2007-57324A是光学地检测电场强度或磁场强度等的光纤型测量系统的示例。本技术的目的是防止在环境温度、应力大小等的变化前后的保偏光纤的检测灵敏度的变化。
引用列表
专利文献
【专利文献1】日本专利申请公开JP 2007-57324A
发明内容
虽然利用激光的电磁场探头在其大带宽、非侵入性、高空间分辨率等方面具有一些优势，但其具有灵敏度受偏振态变化的影响的问题。具体而言，在使用光纤的EO/MO探头中，存在如下问题，当由施加到光纤上的应力所导致的、在光纤中发生弯曲或摇摆时，通过光纤传播的光的偏振态改变，并且电场检测或磁场检测的信号水平明显地改变。
为了解决上述问题，根据本发明的探头包括：偏振控制单元，其配置为影响入射激光的偏振态；电/磁传感器单元，其具有电光材料或磁光材料，其中从偏振控制单元输出的激光通过光纤进入电光材料或磁光材料；以及分析单元，其配置为基于从电光材料或磁光材料输出的激光、产生在电/磁传感器单元处的电场或磁场的检测值。电光材料或磁光材料被固定到基板。光纤被固定在管中。偏振控制单元被固定在壳体中。
更具体而言，例如，为了抑制由施加到光纤的应力造成的光纤的弯曲或摇摆，例如由光纤和EO/MO材料构成的电/磁传感器单元被固定到石英基板，并且例如布置在除了传感器单元以外的部分中的光纤通过安装在丙烯酸管中来固定。此外，例如偏振波控制器或光学分析仪等偏振波调整单元被安装在壳体中，使得由风压或接触造成的应力不会施加到与部件相连接的光纤上。
由于抑制了通过光纤传播的激光的偏振变化，因此能够实现稳定的信号检测，并且能够以高精度测量电/磁场。
附图说明
根据示例性实施例的描述和附图，本发明的上述目的、其他目的、效果以及特征将更加清楚，其中：
图1是利用激光和光学材料的传统的电/磁场探头装置的概念图；
图2是根据本发明的第一示例性实施例的探头的概念图；
图3是根据本发明的第一示例性实施例的探头的电/磁场传感器单元的概念图；
图4是根据本发明的第二示例性实施例的探头的概念图；
图5是根据本发明的第二示例性实施例的探头的电/磁场传感器单元的概念图；以及
图6是根据本发明的第三示例性实施例的探头的概念图。
具体实施方式
下面将参考附图详细描述本发明的一些示例性实施例。图1是利用激光和光学材料的传统的电/磁场探头装置的概念图。从激光光源1发出的光穿过单模光纤2的纤芯，由偏振控制器3调整其偏振，穿过光环形器4到达EO/MO材料8。由于EO/MO材料的折射率与外部电/磁场成比例地变化，因此在材料中传播的光感知到响应于外部电/磁场的折射率的变化，并且其偏振被调制。之后，光再次通过环形器，通过经过光学分析仪5变为强度调制光。通过光接收器6对光应用光电转换，并且通过射频频谱分析仪7检测电信号。通过使用图1所示的装置，能够得到与外部电/磁场的强度成比例的电信号。然而，在图1所示的装置的情况下，存在如下问题，如果光在经过光学分析仪5之前接收了外部干扰，则其偏振态改变，并且由射频频谱分析仪检测到的信号取决于外部干扰的程度而发生变化。
图2示出了用于解决上述问题的本发明的示例性实施例。图3是图2的电/磁场传感器单元12的放大视图。形成电/磁场传感器12的EO/MO材料8以及引导被引入EO/MO材料8的光的单模光纤2被粘贴并且固定到基板14上。除了布置电/磁场传感器12的端部以外，单模光纤2布置在管11的内部并且固定到管11上。
基板14以如下方式固定到管11。首先，与纵向垂直的截面是管状的材料被设置为用于管11的材料。该材料具有在朝向中空的内部空间的内侧管状表面与外侧管状表面之间的壁厚。内侧管状表面的直径小于基板的宽度方向。该材料的边缘被切削为管状的一半。通过该切割，暴露出在内侧管状表面与外侧管状表面之间的壁厚部分。通过对壁厚部分涂覆粘性材料并且通过使基板14的表面与经涂覆的表面接触，将基板14固定到管11。考虑到基板14与管11之间的相对位置的稳定性，基板14的一部分优选地形成为被插入到管11的内侧管状表面。
此外，像偏振控制器3、光学分析仪5等的偏振调整部件等被安装在壳体10中。具体而言，偏振控制器3、光环形器4和光学分析仪5被固定到壳体。壳体10和管11被固定为使得其相对位置不可移动。此外，管11和基板14被固定为使得其相对位置不可移动。
激光经由光纤、被从一个终端13引入到偏振控制器3。偏振控制器3的输出光通过保偏光纤9并且经由光环形器4、被引入到布置在电/磁场传感器侧的单模光纤2。引入到单模光纤2中的光在电/磁场传感器12中被EO/MO材料8反射。反射光被引入到单模光纤2中。在单模光纤2中的反射光由光环形器4引入到光学分析仪5的方向。通过光学分析仪5的光从另一个终端13输出到射频频谱分析仪。连接到终端13的射频频谱分析仪用作分析单元，其产生示出在电/磁场传感器12处的电场或磁场的检测值。
在这样的配置中，能够通过壳体10、管11和基板14抑制由风压、接触等造成的施加在与各个部件连接的光纤上的应力。此外，在本示例性实施例中，出射侧的光路相对于入射侧的光路以180度折叠。因此，作为入射侧的光学部件的偏振控制器3以及越过电/磁场传感器12布置在出射侧上的光学分析仪存放在相同的壳体中，以使得能够减小装置的尺寸并且能够提高承受应力的能力。
图4示出了本发明的第二示例性实施例。能够测量电场或磁场的相互垂直的三个组分的探头，作为由三个单模光纤2和形成在各个单模光纤的端部的EO/MO材料构成的电/磁场传感器12、被固定在单个基板上。多个单模光纤2的、除电/磁场传感器12以外的部分存放于并且固定到相同的管11上。此外，例如三种偏振控制器、光学分析仪等偏振调整单元安装在相同的壳体10中，以使得由风压、接触等造成的应力不会施加到与部件相连接的光纤。
图5是根据本发明的第二示例性实施例的探头的电/磁场传感器单元的概念图。三条单模光纤2以及形成在各个单模光纤2上的EO/MO材料被粘贴并且固定到基板14。三条光纤各个具有其上形成有EO/MO材料的端部，并且形成为独立地检测电/磁场的三个组分中的一个。为了检测被分解的各个组分，将在EO/MO材料中的各自的光路相互垂直的光学组件固定到基板14。例如，在第一光纤中，布置了第一三棱镜，使得光在垂直于入射光路的方向上进入EO/MO材料8。在第二光纤中，布置了第二三棱镜，使得光在垂直于入射光路和第一三棱镜的出射光的方向上进入EO/MO材料。在第三光纤中，玻璃垫片被形成为使得，其光路及光路长度与第一和第二光纤的三棱镜相同。
激光被从多个输入终端13引入到三个偏振控制器3。这样的激光可以从与多个输入终端13中的各个对应形成的多个激光光源引入，或者可以经由选择开关从连接到多个输入终端13的单个激光光源引入，其中选择开关用于将激光选择性地供应到多个输入终端13中的任一个。这些光通过第一三棱镜15、第二三棱镜和玻璃垫片16，并且由多个输入终端13输出，并且被引入到射频频谱分析仪并被分析。然后，可通过分解它们的三个组分来检测电场或磁场。由于用于测量三个组分的三组光学部件由相同的壳体10、管11和基板14支撑，因此可通过增加少量的部件抑制由风压、接触等造成的应力。
图6示出了本发明的第三示例性实施例。能够测量电场或磁场的相互垂直的三个组分的探头，作为由三个单模光纤2和形成在各个单模光纤的端部的EO/MO材料构成的电/磁场传感器12、被固定在单个基板上，并且光纤的在除电/磁场传感器12以外的部分存放于并且固定到管11。此外，例如三种偏振片、偏振控制器、光学分析仪等偏振调整部件被安装在壳体10中，以使得由风压、接触等造成的应力不会施加到与这些部件相连接的光纤。通过在偏振控制器的前一阶段形成偏振片，无论光在进入偏振片之前的偏振态如何、通过偏振片以后的光的偏振态总是变为线性的，使得能够进一步抑制由施加到光纤的外部干扰造成的信号的变化。
下面，通过参考图4和图5来说明本发明的示例。在根据本发明的探头的示例中，例如，在图4中，输入光纤是保偏光纤9，壳体10和管11由丙烯酸等树脂形成，并且在图5中的基板14的材料是石英。由于在壳体、管和基板中没有使用金属，因此能够很好地抑制在探头处测量电/磁场的干扰，从而可实现高精度的测量。例如，壳体10和管11以及管11和基板14通过使用如环氧树脂系列的粘性材料相互连接。例如，使用由铋、硅和氧等构成的单晶复合物(BSO)作为EO材料，并且例如，使用单晶铋取代钇铁石榴石(Bi-YIG)作为MO材料。
可以在不发生任何矛盾的范围内、通过任意组合来实施上面所说明的一些示例性实施例和示例。
作为本发明的应用的示例，可参考用于电子电路的抗扰度评估的探头。为了识别出电子设备的错误运行的机制，需要精确地检测设备中的电子电路附近的电/磁场分布。通过使用根据本发明的探头，可以精确地测量电子电路附近的电场或磁场的三个组分，从而能够得到对于调查设备的错误运行的机制的确认。
本申请要求于2009年6月29日提交的日本专利申请JP2009-153787的优先权，并且通过引用将该申请的公开内容结合在本说明书中。
Claims (2)
1.一种探头，包括：
偏振控制单元，其配置为影响入射激光的偏振态；
电/磁传感器单元，其具有电光材料或磁光材料，其中从所述偏振控制单元输出的激光通过光纤进入所述电光材料或磁光材料；以及
终端，其被配置为将从所述电光材料或磁光材料输出的激光输出到分析单元，所述分析单元被配置为产生在所述电/磁传感器单元处的电场或磁场的检测值，
其中所述电光材料或磁光材料被固定到基板，
所述光纤被固定在管中，
所述偏振控制单元被固定在壳体中，
所述偏振控制单元具有被固定到所述壳体的、用于偏振控制的多个部件，并且激光被分别输入到用于偏振控制的所述多个部件，
所述电/磁传感器单元具有分别与用于偏振控制的所述多个部件对应的多片电光材料或磁光材料，并且激光通过固定在所述管中的多条光纤进入所述多片电光材料或磁光材料，并且
多个光学部件被安装在所述多片电光材料或磁光材料上并且被固定到所述基板，其中所述多个光学部件被配置为检测电场或磁场的不同组分。
2.根据权利要求1所述的探头，其中所述基板由石英制成，并且
所述管和所述壳体由树脂制成。
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| Mizuki IWANAMI etc..High Frequency Electric Field/Magnetic Field Measurements by Fiber-Optic Electrooptic/Magnetooptic Probe.《Proceedings of the 2007 Society Conference of IEICE》.2007,S-31-S-32. |
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