CN109709361A - 一种电磁场近场测量装置和制作电磁探针的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁场近场测量装置和制作电磁探针的方法，属于电磁近场测量领域。包括激光发生器、电磁探针、第一光电探测器和三端口环形器，电磁探针包括沿激光的光路依次设置的光纤准直透镜、集成偏振片和八分之一波片的微纳光纤、处于外加电磁场范围内的非线性纳米线和一反光元件；激光束进入电磁探针后在非线性纳米线的电光效应作用下携带被测电磁场参数信息，并在反光元件的反射作用下沿原路返回。激光通过非线性纳米线的电光效应将待测电磁场参数的信息耦合到激光中。激光首次经过非线性纳米线后经过光纤光栅结构的反射再次通过非线性纳米线，并反射回微纳光纤中，再通过光电探测器对激光进行测量，实现对待测电磁场的测量。

Description

一种电磁场近场测量装置和制作电磁探针的方法

技术领域

本发明涉及电磁近场测量领域，具体地说，涉及一种电磁场近场测量装置和制作电磁探针的方法。

背景技术

在电磁场近场测量中，需要把探针放置到离被测物体或者系统足够近的地方，以获得对电磁场参数较为准确的测量。传统以电子学为基础的测量手段不可避免的要用到各类金属性探针，比如天线、波导、微波探针等。

由于电磁波本身的特性，在有金属性物质进入场区时，场的分布会发生畸变。以电场为例，导电性好的金属表面切向电场无法存在，因此电场矢量会沿着金属表面发生强烈的扭曲，最后剩下沿着金属表面的法向电场，出现电磁场近场测量对被测器件或系统干扰大、参数测量分辨率和空间分辨率低等问题，无法满足该检测领域日益增长的精度要求。

近年来也出现了许多相关的补偿算法研究，但往往依赖数值仿真的先验知识。这些先验知识与复杂的实际电磁场情况并不十分符合，且仿真过程复杂。因此部分实际情况下，这种补偿算法的表现，并不十分有效。

基于各向异性晶体电光效应的电磁场测量利用非金属材料，不但极大地减小了对被测电磁场的干扰，而且由于其参数测量的高分辨率，也有效缩小了探测器件的尺寸，从而提高了测量的空间分辨率。然而，随着电磁场近场测量技术的快速发展与愈加广泛的应用，人们对电磁场参数测量分辨率和空间分辨率提出了更高的要求。

而传统上基于电光效应电磁场测量技术采用分立光学元件，如基于高分子化合物材料或各向异性晶体的偏振片。这些分立光学元件从根本上将传统的基于电光效应的探针尺寸限制在毫米量级，通过增大探针尺寸来增加电磁场参数测量分辨率的简单方法又降低了测量的空间分辨率。无法同时提高电磁场近场探针的参数测量分辨率和空间分辨率。

发明内容

本发明的目的之一为提供一种电磁场近场测量装置，可以同时提高电磁场近场探针的参数测量分辨率和空间分辨率。

为了实现上述目的，本发明提供的电磁场近场测量装置包括：

激光发生器，用于发射激光；

电磁探针，包括沿光路依次设置的：光纤准直透镜；集成偏振片和八分之一波片的微纳光纤；处于外加电磁场范围内的非线性纳米线；和一反光元件；进入电磁探针的激光束转换为圆偏振光后，在所述非线性纳米线的电光效应作用下携带被测电磁场参数信息，并在所述反光元件的反射作用下沿原路返回；

第一光电探测器，接受所述携带被测电磁场参数信息的反射光束，解调出所述外加电磁场的强度信息。

上述技术方案中，激光通过微纳光纤传导到非线性纳米线上，非线性纳米线由于电光效应在外加电磁场的作用下某些方向上的折射率发生改变，待测电磁场参数的信息以光学相位调制的方式耦合到激光中。电磁探针采用反射式结构，激光首次经过非线性纳米线后经过反光元件的反射再次通过非线性纳米线，并反射回微纳光纤中，再通过第一光电探测器对激光进行测量，从而实现对待测电磁场参数的测量。反光元件可以通过光纤光栅机构实现。

上述微纳光纤是一种直径在亚波长量级的光纤，其具有尺寸小、损耗低、成本低廉等优点。光纤光栅结构也可集成在维纳光纤上。在微纳光纤上集成偏振片、八分之一波片和作为反射镜的光纤光栅结构等光学元件，进而制作电磁探针，可进一步减小其尺寸至微纳量级，有效提高电磁场测量的空间分辨率。另外，这些光学元件具有易于加工，成本低廉的优点，具有较高的工程应用价值。

激光在光纤中传输过程中可能会出现相位恶化，环境温度也可能会对相位产生影响。为了减少这些影响，具体的方案为还包括设置在激光发生器与电磁探针之间的相位补偿器、设置在第一光电探测器与所述电磁探针之间且将从电磁探针中反射出的光束分为两束的分束器、设置在分束器与相位补偿器之间的第二光电探测器以及连接第二光电探测器的优化反馈控制器；分束器分出的两束光束分别经过第一光电探测器和第二光电探测器；第二光电探测器将携带被测电磁场参数信息的反射光束的光信号解调为调节电信号；优化反馈控制器接收调节电信号后将需要补偿的相位信息反馈给相位补偿器及激光器。

通过优化反馈控制器控制相位补偿器进行相位补偿，补偿光纤带来的相位恶化以及环境温度等带来的影响。第一光电探测器和第二光电探测器可以是光谱仪、光功率计或PIN管。

另一个具体的方案为还包括一三端口环形器，分为用于激光输入的第一端口、连通电磁探针的第二端口以及连接第一光电探测器的第三端口。以上相位补偿器实际设置在激光发生器与第一端口间，分束器设置在第三端口处。通过三端口环形器实现出射光路与反射光路的正常通行。

另一个具体的方案为还包括于第一光电探测器相连的输出显示器，将显示电信号通过频谱或波形的方式显示出来。便于观察和统计。

另一个具体的方案为偏振片利用微纳光纤-石墨烯宽波段偏振特性进行制作。

微纳光纤-石墨烯微纳结构的宽波段偏振特性：由于石墨烯材料的光电导率，电磁波极化将受到影响，这与费米能级有关。若费米能级为正，则支持TM模式；若费米能级为负，则支持TE模式。设激发的电磁波为圆偏振，光波波长为532nm，使用两个不同的费米能级估计值μ＝0.1eV和1.5eV。则当μ＝0.1eV时，输出TE极化将改变；当μ＝1.5eV时，输出TM波极化将改变。

另一个具体的方案为八分之一波片利用人工电磁超表面技术制作而成。实现亚波长厚度。

进一步具体的方案为八分之一波片以微纳光纤的截面为衬底，包括设置在衬底周围的硅纳米线阵列，硅纳米线的内晶核是单晶硅，外层设有一SiO₂包覆层。也可直接设置在纳米光纤的端面处，以端面为衬底。

更进一步具体的方案为硅纳米线阵列的阵列周期为0.4μm。另一个更具体的方案为单晶硅的厚度为0.36μm，所述的SiO₂包覆层的厚度为0.24μm。使得整个器件的插入损耗很低，性能优越。

本发明的目的之二为提供一种制作电磁探针的方法，包括以下步骤：

在光纤准直透镜后接一段微纳光纤；然后在微纳光纤上使用微纳光纤-石墨烯宽波段偏振特性制作偏振片，使光束的起偏方向和偏振片一致；再在微纳光纤上利用人工电磁超表面技术制作八分之一波片；接着在微纳光纤末端接非线性纳米线，最后在非线性纳米线的端部制作光纤光栅结构，形成一反射镜，使激光按原路返回到微纳光纤中。

上述方法采用微纳光纤上光学元件集成、非线性纳米线电光效应、微纳光纤-烯宽波段偏振特性以及人工电磁超表面等技术制作而成的电磁探针可以同时提高电磁场近场探针的参数测量分辨率和空间分辨率。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供的电磁场近场测量装置，将电磁探针制作成反射式结构，激光首次经过非线性纳米线后经过光纤光栅结构的反射再次通过非线性纳米线，并反射回微纳光纤中，再通过光电探测器对激光进行测量，从而实现对待测电磁场参数的测量。可以同时提高电磁场近场探针的参数测量分辨率和空间分辨率。

附图说明

图1为本发明实施例的电磁探针的机构示意图；

图2为本发明实施例的电磁场近场测量装置结构示意图；

图3为本发明实施例的电磁探针的原理图；

图4为本发明实施例的八分之一波片微结构构图；

图5为本发明实施例的硅纳米线阵列实现亚波长厚度的人工电磁超表面高效率八分之一波片4的原理图；

图6为本发明实施例的微纳米线-石墨烯宽波段偏振特性的偏振特性原理图，(a)表示输入圆极化激发的电磁波；(b)表示费米能级μ＝0.1eV时输出电磁波及改变了的TE模式；(c)表示费米能级μ＝1.5eV时输出电磁波及改变了的TM模式。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。

实施例

参见图1至图4，本实施例的电磁场近场测量装置包括激光发生器1、相位补偿器2、三端口环形器3、电磁探针4、分束器5、第一光电探测器8、第二光电测器6、优化反馈控制器7以及输出显示器9。

其中，激光发生器1用于发射激光，三端口环形器3分为第一端口①、第二端口②以及第三端口③。第一光电探测器8和第二光电测器6为光谱仪、光功率计或PIN管。

电磁探针4包括沿轴向依次设置的光纤准直透镜41、微纳光纤42、非线性纳米线45和光纤光栅结构46，微纳光纤42上集成有偏振片43和八分之一波片44。电磁探针4的制作方法如下：

在光纤准直透镜41后接一段微纳光纤42；然后在微纳光纤42上使用微纳光纤-石墨烯宽波段偏振特性制作偏振片43，使光束的起偏方向和偏振片43一致；再在微纳光纤42上利用人工电磁超表面技术制作八分之一波片44；接着在微纳光纤42末端接非线性纳米线45，最后在非线性纳米线45的端部制作光纤光栅结构46，形成一反射镜，使激光按原路返回到微纳光纤42中。

利用微纳光纤-石墨烯宽波段偏振特性制作偏振片43，由于石墨烯材料的光电导率，电磁波极化将受到影响，这与费米能级有关。若费米能级为正，则支持TM模式；若费米能级为负，则支持TE模式。参见图6，设激发的电磁波如图6(a)所示为圆偏振，光波波长为532nm，使用两个不同的费米能级估计值μ＝0.1eV和1.5eV。则当μ＝0.1eV时，输出TE极化将极大改变，如图6(b)；当μ＝1.5eV时，输出TM波极化将改变，如图6(c)。

八分之一波片44以微纳光纤的端面441为衬底，包括设置在衬底周围的硅纳米线阵列，硅纳米线的内晶核是单晶硅442，外层设有一SiO₂包覆层443。本实施例单晶硅的厚度为0.36μm，SiO₂包覆层的厚度为0.24μm。硅纳米线阵列的阵列周期为0.4μm。图5是宽波段波片的透过率曲线，实线是TM波透过率与波长的关系，虚线是TE波透过率与波长的关系，左侧纵轴刻度表示透过率。点划线表示TM波和TE波的相位差，右侧纵轴刻度表示相位差，单位为度。可知当波长在1.275um至1.750um范围内，TM波和TE波的相位差在-95度到-85度范围内，符合波片工程应用要求。且在该波段包括光纤传输波段。在1550光纤传输波段，TM波的透过率约为0.92，TE波的透过率约为0.77，整个器件的插入损耗很低，性能优越。

非线性纳米线的电光效应，即在外加电场作用下，其折射率会随着外加电场强度的变化进而引起光相位变化。如图3所示，当光通过非线性纳米线时，其相位会发生改变，从而使得其偏振状态发生改变，检测出相位差，即可检测出电压或电场强度的大小。

该电磁场近场测量装置的工作过程如下：

1)激光发生器1发出激光，经过相位补偿器2。

2)相位补偿器2根据优化反馈控制器7反馈的信息对相位进行针对性补偿，激光传递到三端口环形器3的第一端口①，并通过第二端口②将激光传递到电磁探针4上。

2-1)激光进入光纤准直透镜41，对光束进行准直。

2-2)通过基于微纳光纤-石墨烯宽波段偏振特性制作的偏振片43调整光束的偏振方向，使得准直后的光束达到最大输出光强，得到一束线偏振光。

2-3)人工电磁超表面结构的八分之一波片44使线偏振光变为圆偏振光，之后光波进入起电光效应的非线性纳米线45。

2-4)非线性纳米线45在外加电磁场作用下，由于电光效应，某些方向上折射率发生变化，导致不同方向上的光波产生相位差。

2-5)通过光纤光栅结构46的反射使光束沿原路返回，再次通过非线性纳米线45和人工电磁超表面结构的八分之一波片44，将圆偏振光变为线偏振光，再次通过偏振片43后，滤出特定方向的光强，将携带外部被测电磁场参数信息的光束返回至三端口环形器3。

2-6)从第二端口②耦合进入三端口环形器的激光从第三端口③输出，此时激光已携带待测电磁场参数信息，

3)三端口环形器3通过第三端口③将光束输出到分束器5，将光束号分为两束。

4)其中一束光通过第二光电探测器6，将携带被测电磁场参数信息的反射光束的光信号解调为调节电信号，并传递到优化反馈控制器7，优化反馈控制器7通过分析将需要进行补偿的相位信息反馈给相位补偿器2，同时反馈给激光发生器1。

5)另一束信号通过第一光电探测器8，将携带被测电磁场参数信息的反射光束的光信号解调为显示电信号，进入同轴电缆，然后传递到输出显示器9进行频谱或波形显示。从而实现电场的测量。

以上所述仅为本发明的较佳实施情况，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电磁场近场测量装置，其特征在于，包括：

激光发生器，用于发射激光；

电磁探针，包括沿光路依次设置的：光纤准直透镜；集成偏振片和八分之一波片的微纳光纤；处于外加电磁场范围内的非线性纳米线；和一反光元件；进入电磁探针的激光束转换为圆偏振光后，在所述非线性纳米线的电光效应作用下携带被测电磁场参数信息，并在所述反光元件的反射作用下沿原路返回；

第一光电探测器，接受所述携带被测电磁场参数信息的反射光束，解调出所述外加电磁场的强度信息。

2.根据权利要求1所述的电磁场近场测量装置，其特征在于：

还包括设置在所述激光发生器与所述电磁探针之间的相位补偿器、设置在所述第一光电探测器与所述电磁探针之间且将从所述电磁探针中反射出的光束分为两束的分束器、设置在所述分束器与所述相位补偿器之间的第二光电探测器以及连接所述第二光电探测器的优化反馈控制器；

所述分束器分出的两束光束分别经过第一光电探测器和第二光电探测器；所述第二光电探测器将携带被测电磁场参数信息的反射光束的光信号解调为调节电信号；所述优化反馈控制器接收所述调节电信号后将需要补偿的相位信息反馈给所述相位补偿器及所述激光器，使其能精确补偿光纤带来的相位恶化。

3.根据权利要求1所述的电磁场近场测量装置，其特征在于：

还包括一三端口环形器，分为用于激光输入的第一端口、连通所述电磁探针的第二端口以及连接所述第一光电探测器的第三端口。

4.根据权利要求1所述的电磁场近场测量装置，其特征在于：

还包括于所述的第一光电探测器相连的输出显示器，将所述显示电信号通过频谱或波形的方式显示出来。

5.根据权利要求1所述的电磁场近场测量装置，其特征在于：

所述的偏振片利用微纳光纤-石墨烯宽波段偏振特性进行制作。

6.根据权利要求1所述的电磁场近场测量装置，其特征在于：

所述的八分之一波片利用人工电磁超表面技术制作而成。

7.根据权利要求6所述的电磁场近场测量装置，其特征在于：

所述的八分之一波片以所述的微纳光纤的截面为衬底，包括设置在所述衬底周围的硅纳米线阵列，硅纳米线的内晶核是单晶硅，外层设有一SiO₂包覆层。

8.根据权利要求7所述的电磁场近场测量装置，其特征在于：

所述的硅纳米线阵列的阵列周期为0.4μm。

9.根据权利要求7所述的电磁场近场测量装置，其特征在于：

所述的单晶硅的厚度为0.36μm，所述的SiO₂包覆层的厚度为0.24μm。

10.一种制作如权利要求1至9中任一权利要求所述的电磁探针的方法，其特征在于，包括以下步骤：

在光纤准直透镜后接一段微纳光纤；然后在微纳光纤上使用微纳光纤-石墨烯宽波段偏振特性制作偏振片，使光束的起偏方向和偏振片一致；再在微纳光纤上利用人工电磁超表面技术制作八分之一波片；接着在微纳光纤末端接非线性纳米线，最后在非线性纳米线的端部制作光纤光栅结构，形成一反光元件，使激光按原路返回到微纳光纤中。