CN107255742A - 一种回音壁模式光学谐振腔交变电压传感系统 - Google Patents

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于长秋
钱正洪
白茹
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Abstract

本发明一种回音壁模式光学谐振腔交变电压传感系统；激光器的发射端与隔离器的输入端连接，隔离器的输出端与衰减器的输入端连接，衰减器的输出端与电光调制器的输入端连接，电光调制器的输出端与光纤锥输入端之间的光纤上设置有偏振控制器。光纤锥输出的光场通过倏逝波耦合的方式进入谐振腔内，腔内光场也可以经过光纤锥耦合输出至探测器的接收端，探测器输出的信号一部分送入谱仪的接收端，另一部分送入稳频系统用于将激光器的输出波长锁定在谐振腔的谐振波长上。本发明所述的高灵敏度光学谐振腔的交变电压传感系统，可应用于高精度的电压信号测量中。

Description

一种回音壁模式光学谐振腔交变电压传感系统
技术领域
本发明涉及的是一种回音壁模式(Whispering gallery mode，WGM)光学谐振腔交变电压传感系统，可用于测量交变电压信号，属于光学领域。
背景技术
WGM光学谐振腔相比普通的光学谐振腔，其光学品质因数更高，同时兼具体积小、功耗低等优点，可对折射率、电压和磁场等物理量进行精确测量。同时，光学谐振腔易于与光纤系统集成，可以在强电磁干扰条件或狭小密闭的空间进行远程传感。电压传感器在电力、能源、铁道、市政等部门的电气装置、自动控制以及调度系统中有着广泛应用，随着电压传感应用需求的发展，在很多时候现有的电压传感系统已经无法满足高精度的测量需求。而光学谐振腔具有高灵敏度和宽频带等优势，可用于高精度的电压测量。我们设计了一种WGM光学谐振腔交变电压传感系统，可以精确测量交变电压信号。
发明内容
本发明的目的在于，提出了一种WGM光学谐振腔交变电压传感系统，可用于高精度的交变电压传感之中。
一种回音壁模式光学谐振腔交变电压传感系统，其特征在于：包括激光器、隔离器、衰减器、电光调制器、偏振控制器、光纤锥、电致伸缩介质、谐振腔、固定谐振腔和光纤锥的盒子、探测器、稳频系统、谱仪；所述的电致伸缩介质通过胶水固定在谐振腔内；激光器的发射端与隔离器的输入端连接，隔离器的输出端与衰减器的输入端连接，衰减器的输出端与与电光调制器的输入端连接，电光调制器的输出端与光纤锥输入端之间的光纤上设置有偏振控制器；光纤锥输出的光场通过倏逝波耦合的方式进入谐振腔内，腔内光场也可以经过光纤锥耦合输出至探测器的接收端，探测器输出的信号进入稳频系统，稳频系统输出反馈电压将激光器的输出波长锁定在光学谐振腔的谐振波长上；同时，探测器输出的交流信号送入谱仪的接收端；传感系统中激光器、隔离器、衰减器、电光调制器、偏振控制器、光纤锥、探测器之间的连接均采用光纤连接；电光调制器与稳频系统、探测器与稳频系统、稳频系统与激光器、探测器与谱仪之间均使用两端口通用的电学线缆连接；在电致伸缩介质上下端面接入导线，用于输入电压信号；电压变化导致电致伸缩介质发生形变，导致谐振腔的腔长发生变化，因而谱仪测得的功率谱强度发生变化，借此可解调交变电压信号；：所述的谐振腔的壁厚保证光在其内传输时会有倏逝波存在于谐振腔的外表面；所述的光纤锥的锥区部分的截面直径小于输入光波长；所述的谐振腔结构与光纤锥始终处于耦合状态；光纤锥与盒子接触位置滴入紫外固化胶，调整光纤锥的位置至最佳的耦合状态，利用紫外灯照射使胶水固化，进而固定光纤锥的位置。
所述的谐振腔结构是电压传感单元，其光学特性可以反应出电压的变化。
所述的激光器的波段选用通讯波段，便于与其它的光学系统进行集成，且与探测器的接收波段相匹配；
所述的谐振腔与光纤耦合位置处截面周长为几百微米到几厘米范围内选取；
所述的谐振腔的材料为二氧化硅；且在谐振腔外表面存在倏逝波；
所述的谐振腔为柱状、气泡状或瓶状；
所述的电致伸缩介质为电场作用下能够伸缩的介质。
本发明中的传感系统在进行交变电压传感时具有很高的灵敏度。同时，该系统主要由光纤构建，体积小，易于集成，可进行远程探测所需的电压信息。
附图说明
图1为所发明的WGM光学谐振腔交变电压传感系统的结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步阐明本发明的实质性特点和显著进步，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施方式：
具体实施方式一：如图1所示，本实施方式所述的WGM光学谐振腔交变电压传感系统包括激光器1、隔离器2、衰减器3、电光调制器4、偏振控制器5、光纤锥6、内含电致伸缩介质8的柱状谐振腔7、固定谐振腔和光纤锥的盒子10、探测器11、稳频系统12、谱仪13。其中，谐振腔7与磁致伸缩介质8之间填充了胶水用于固定。激光器1的发射端与隔离器2的输入端连接，隔离器2的输出端与衰减器3的输入端连接，衰减器3的输出端与与电光调制器4的输入端连接，电光调制器4的输出端与光纤锥6输入端之间的光纤上设置有偏振控制器5。光纤锥6中的光场通过倏逝波耦合的方式进入谐振腔7，腔内光场经光纤锥6耦合输出至探测器11的接收端，探测器11输出的信号一部分输出到稳频系统12，一部分输出送入谱仪13。稳频系统12输出的电压信号反馈回激光器1的电压调谐端口。传感系统中激光器1、隔离器2、衰减器3、电光调制器4、偏振控制器5、光纤锥6、探测器11之间的连接均采用光纤连接；电光调制器4与稳频系统12、探测器11与稳频系统12、稳频系统12与激光器1、探测器11与谱仪13之间均使用两端口通用的电学线缆连接。电压信号通过导线9加载在电致伸缩介质中。电压变化导致电致伸缩介质8发生形变，导致谐振腔7的腔长发生变化，因而谱仪13测得的功率谱强度发生变化，借此可解调输入交变电压信号。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一所述的WGM光学谐振腔交变电压传感系统的进一步限定，所述的谐振腔7中电致伸缩介质8可以不必是柱状实心的，只要能在电压作用下发生形变，并导致谐振腔7的腔长发生变化即可。
具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一所述的WGM光学谐振腔交变电压传感系统的进一步限定，先将谐振腔固定在盒子10内，利用光线锥6将光耦合进入谐振腔内，在光纤锥6与盒子10接触位置滴入紫外固化胶，继续调整光纤锥6的位置至最佳的耦合状态，利用紫外灯照射使胶水固化，进而固定光纤锥的位置。

Claims (7)

1.一种回音壁模式光学谐振腔交变电压传感系统，其特征在于：包括激光器(1)、隔离器(2)、衰减器(3)、电光调制器(4)、偏振控制器(5)、光纤锥(6)、电致伸缩介质(8)、谐振腔(7)、固定谐振腔和光纤锥的盒子(10)、探测器(11)、稳频系统(12)、谱仪(13)；所述的电致伸缩介质(8)通过胶水固定在谐振腔(7)内；激光器(1)的发射端与隔离器(2)的输入端连接，隔离器(2)的输出端与衰减器(3)的输入端连接，衰减器(3)的输出端与与电光调制器(4)的输入端连接，电光调制器(4)的输出端与光纤锥(6)输入端之间的光纤上设置有偏振控制器(5)；光纤锥(6)输出的光场通过倏逝波耦合的方式进入谐振腔(7)内，腔内光场也可以经过光纤锥(6)耦合输出至探测器(11)的接收端，探测器(11)输出的信号进入稳频系统(12)，稳频系统(12)输出反馈电压将激光器(1)的输出波长锁定在光学谐振腔(7)的谐振波长上；同时，探测器(11)输出的交流信号送入谱仪(13)的接收端；传感系统中激光器(1)、隔离器(2)、衰减器(3)、电光调制器(4)、偏振控制器(5)、光纤锥(6)、探测器(11)之间的连接均采用光纤连接；电光调制器(4)与稳频系统(12)、探测器(11)与稳频系统(12)、稳频系统(12)与激光器(1)、探测器(11)与谱仪(13)之间均使用两端口通用的电学线缆连接；在电致伸缩介质(8)上下端面接入导线(9)，用于输入电压信号；电压变化导致电致伸缩介质(8)发生形变，导致谐振腔(7)的腔长发生变化，因而谱仪(13)测得的功率谱强度发生变化，借此可解调交变电压信号；：所述的谐振腔的壁厚保证光在其内传输时会有倏逝波存在于谐振腔的外表面；所述的光纤锥的锥区部分的截面直径小于输入光波长；所述的谐振腔结构与光纤锥始终处于耦合状态；光纤锥(6)与盒子(10)接触位置滴入紫外固化胶，调整光纤锥(6)的位置至最佳的耦合状态，利用紫外灯照射使胶水固化，进而固定光纤锥的位置。
2.根据权利要求1所述的一种回音壁模式光学谐振腔交变电压传感系统，其特征在于：所述的谐振腔结构是电压传感单元，其光学特性可以反应出电压的变化。
3.根据权利要求1所述的一种回音壁模式光学谐振腔交变电压传感系统，其特征在于：所述的激光器的波段选用通讯波段，便于与其它的光学系统进行集成，且与探测器的接收波段相匹配。
4.根据权利要求1所述的一种回音壁模式光学谐振腔交变电压传感系统，其特征在于：所述的谐振腔与光纤耦合位置处截面周长为几百微米到几厘米范围内选取。
5.根据权利要求1所述的一种回音壁模式光学谐振腔交变电压传感系统，其特征在于：所述的谐振腔的材料为二氧化硅；且在谐振腔外表面存在倏逝波。
6.根据权利要求1所述的一种回音壁模式光学谐振腔交变电压传感系统，其特征在于：所述的谐振腔为柱状、气泡状或瓶状。
7.根据权利要求1所述的一种回音壁模式光学谐振腔交变电压传感系统，其特征在于：所述的电致伸缩介质为电场作用下能够伸缩的介质。
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