CN102914702B - 一种基于梯形结构的晶体光学电场传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于梯形结构的晶体光学电场传感器，属于电场测量技术领域。该电场传感器包括晶体、起偏器和检偏器，所述的晶体的一个端部为梯形，另一端部为长方形，所述的起偏器粘接在晶体的长方形端部的激光入射处，所述的检偏器粘接在晶体的长方形端部的激光出射处，所述的晶体的梯形端部的顶角a与电场传感器的光学偏置点满足一定关系。本发明的传感器，利用电光晶体端面的三次全反射产生光学偏置点，选取特定的梯形顶角，使光学偏置点去掉了1/4波片，简化了传感器结构，提高了传感器的温度稳定性。本发明的光学电场传感器不仅可以测量电场的幅值，还可以测量电场的频率、相位等信息，是一种时域电场传感器。

Description

一种基于梯形结构的晶体光学电场传感器

技术领域

本发明涉及一种基于梯形结构的晶体光学电场传感器，属于电场测量技术领域。

背景技术

20世纪80年代，随着光电子技术的发展，美国、日本、法国等国家的电气公司对基于分立光学元件的电场传感器进行了深入的研究。此类电场传感器的结构如图1所示，包括起偏器101、1/4波片102、电光晶体103和检偏器104。电场测量系统的传递函数可表示为

其中E为待测电场，V_out为测量系统输出的电压信号，A代表光功率损耗及光电转换系数，b代表传感器的消光比，k代表传感器的灵敏度，为光学偏置点。

为使传感器具有线性的输入、输出特性，需使传感器具有π/2的光学偏置点通常采用1/4波片使但1/4波片的实际相位延迟量易受环境温度、加工精度和附加应力等因素的影响，并且其快慢轴在与电光晶体对准的过程中也会产生失配偏差，降低测量的准确度。因此寻找产生光学偏置点的其它方法，以消除1/4波片的不利影响，是提高传感器温度稳定性的关键。

光束在电光晶体中传输时具有两个相互垂直的本征偏振态。设电光晶体的折射率为n，光束入射角为θ，且满足θ≥θ_c=arcsin(1/n)，则光束在晶体端面上发生全反射，全反射引入的两个相互垂直的本征偏振态之间的相位差为

$\mathrm{\δ}=2\arctan \left[\frac{\cos \mathrm{\θ}\sqrt{{\left(n\sin \mathrm{\θ}\right)}^2-1}}{{n\sin }^2\mathrm{\θ}}\right]$

发明内容

本发明的目的为提出一种基于梯形结构的晶体光学电场传感器，改变已有电场传感器的结构，将晶体的一个端面设计成梯形，利用光束在梯形端面的全反射产生π/2的光学偏置点，以提高传感器的温度稳定性。

本发明提出的基于梯形结构的晶体光学电场传感器，包括晶体、起偏器和检偏器，所述的晶体的一个端部为梯形，另一端部为长方形，所述的起偏器粘接在晶体的长方形端部的激光入射处，所述的检偏器粘接在晶体的长方形端部的激光出射处，所述的晶体的梯形端部的顶角a与电场传感器的光学偏置点满足以下关系：

其中n为晶体的折射率。

本发明提出的基于梯形结构的晶体光学电场传感器，具有以下优点：

1、本发明的传感器基于梯形结构，利用电光晶体端面的三次全反射产生光学偏置点，选取特定的梯形顶角，使光学偏置点去掉了已有技术中的1/4波片及其由于1/4波片带来的不利影响，简化了传感器结构，提高了传感器的温度稳定性。

2、本发明的光学电场传感器不仅可以测量电场的幅值，还可以测量电场的频率、相位等信息，是一种时域电场传感器。

附图说明

图1为已有的晶体光学电场传感器的结构示意图。

图2为本发明提出的基于梯形结构的晶体光学电场传感器的结构示意图。

图3为本发明提出的电场测量系统的结构示意图。

图4为本发明电场传感器的一个实施例的结构示意图。

图1中，101为起偏器，102为1/4波片，103为晶体，104为检偏器。

图2-图4中，1为晶体，2是光束在晶体中的传播路径，3是起偏器，4是检偏器，5是光束的第一个全反射面，6是光束的第二个全反射面，7是光束的第三个全反射面，8是激光源，9是输入保偏光纤，10是输出单模光纤，11是光电转换器，12是射频电缆，13是电信号检测器。

具体实施方式

本发明提出的基于梯形结构的晶体光学电场传感器，其结构如图2所示，包括晶体1、起偏器3和检偏器4。晶体1的一个端部为梯形，另一端部为长方形，起偏器3粘接在晶体的长方形端部的激光入射处，检偏器4粘接在晶体的长方形端部的激光出射处，晶体1的梯形端部的顶角a与电场传感器的光学偏置点满足以下关系：

其中n为晶体的折射率。

在晶体入射端和出射端粘接起偏器3和检偏器4，即构成本发明提出的基于梯形结构的晶体光学电场传感器。起偏器3和检偏器4偏振化方向分别设置为+45°和-45°。起偏器3用来保证入射到晶体1中的光波为线偏振光，并且在晶体的两个本征偏振方向上的分量幅值相同。检偏器4是将电场的相位调制转变成强度调制，便于光电转换后输出。

使用本发明提出的基于梯形结构的晶体光学电场传感器组成的电场测量系统，如图3所示。激光源8产生的光束经保偏光纤9传输到传感器，首先经过偏振化方向为+45°的起偏器3，然后入射到晶体1进行电场的调制，其后经偏振化方向为-45°的检偏器4进行检偏，输出的光强信号利用单模光纤10传输到光电转换器11进行光电转换后，可通过电信号检测器13（如示波器）显示输出波形。

在本发明的一个实施例中，晶体1可采用通过提拉法或者坩埚下降法生长的锗酸铋晶体。已知锗酸铋晶体折射率随波长的色散很小，根据Sellmeier方程并参考实际测量结果，在λ=650nm时相对空气折射率为2.09，故全反射临界角θ_c≈28.5°。令静态相位偏置在满足全反射和几何条件的约束下，即可得到梯形顶角a=105°。晶体的尺寸根据待测电场的范围来选取，一组典型的尺寸参数如图4所示。在图4所示的尺寸下，电光调制的长度l，也即光束在晶体中传播路径的总长度为激光源波长650nm，锗酸铋晶体在此波长下折射率为2.09，电光系数约为1.01pm/V，则在这种结构下的传感器的半波电场约为600kV/m。

Claims (1)

1.一种基于梯形结构的晶体光学电场传感器，其特征在于该电场传感器包括晶体、起偏器和检偏器，所述的晶体的一个端部为梯形，另一端部为长方形，所述的起偏器粘接在晶体的长方形端部的激光入射处，所述的检偏器粘接在晶体的长方形端部的激光出射处，所述的晶体的梯形端部的顶角α与电场传感器的光学偏置点满足以下关系：

其中n为晶体的折射率。