CN109839546A - 一种反射式微型光学电场传感器中探头结构的固定装置 - Google Patents

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杨青
林飞宏
周吉
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Abstract

本发明公开一种反射式微型光学电场传感器中探头结构的固定装置，包括套管，所述套管的两端封闭，其中一端连接有光纤；所述套管内设有带凹槽的定位部件，所述凹槽固定有依次布置的偏振片、电光晶体、波片和反射片。本发明将偏振片、电光晶体、波片和反射片封闭在套管内，可排除环境中水汽、小颗粒等的污染；同时大幅减少外界应力对偏振片、晶体、波片和反射片的影响，有利于保持光路稳定。

Description

一种反射式微型光学电场传感器中探头结构的固定装置
技术领域
本发明涉及一种光学电场传感器，尤其是涉及一种反射式微型光学电场传感器中探头结构的固定装置。
背景技术
随着科技进步与时代发展，电场测量在雷电预警、高压输电中的过电压监测、石油化工中的静电监测与安全防护等领域越来越被重视。作为电场测量的核心部件，电场传感器的微型化和抗干扰能力成为其在复杂电磁环境工作的关键因素。
传统的电场传感器是基于电学原理制作而成，目前已发展相对成熟，但电学电场传感器中不可避免要用到各类金属材质探头，而金属材料的进入会导致电场发生畸变，从而影响测量准确度，在强磁场下传感器无法工作。近年来随着光子学的蓬勃发展，基于光子学的电场测量技术逐渐引起人们的研究兴趣。与电学电场传感器相比，光学电场传感器可以实现整个测量探头的非金属化，从而避免对被测电场产生干扰。但由于发展时间短，目前这类传感器存在诸如成本高、测量准确度低、稳定性差等缺陷。
利用晶体电光效应制作的电场传感器是光电产业数十年来的主力，一种典型结构包括偏振器、电光传感晶体和1/4波片(王志斌,李志全,王莉.一种光纤电压传感器的研究[J].传感技术学报,2004,(02):317-321)。2016年，华北电力大学研制处一种基于BGO晶体的光学电场传感器应用于针针放电试验(石云飞.基于BGO晶体的光学电场传感器设计与实现[D].华北电力大学(北京),2016.)，所用的便是该结构。但是实验数据与理论仍然存在差距，光学电场传感器探头的灵敏度和稳定性尚有待提高。
光学电场传感器中探头的固定方式、各光学元件相对角度和位置对光学电场传感器测量电场的稳定性和灵敏度有很大影响。近年来国内对如何优化该结构有较多相关研究。如2007年北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院的李长胜提出一种利用单轴电光晶体自身角度光偏置代替波片的新型光学电压传感器，以实现无波片条件下的电压线性传感(李长胜.基于铌酸锂晶体自身角度光偏置的光学电压传感器[J].传感技术学报,2007,(07):1494-1497.)。
现有的光学电场传感器普遍存在稳定性差、灵敏度低的问题，这与光学电场传感器中探头的固定方式、各光学元件相对角度和位置有很大关系。
固定方式包括粘胶法、弹性元件法、压圈法等，所使用的固定装置也多种多样，制作出来的光学电场传感器普遍存在由于机械应力变化大、温度特性差等因素造成的稳定性差的问题。
发明内容
为解决现有光学电场传感器存在的问题，本发明提供一种反射式光学电场传感器中探头结构的固定装置，能提高光学电场传感器系统测量电场的稳定性和灵敏度。
一种反射式微型光学电场传感器中探头结构的固定装置，包括套管；
所述套管的两端封闭，其中一端连接有光纤；
所述套管内设有带凹槽的定位部件，所述凹槽固定有依次布置的偏振片、电光晶体、波片和反射片。
本技术方案中，将偏振片、电光晶体、波片和反射片封闭在套管内，可排除环境中水汽、小颗粒等的污染；同时大大减少外界应力对偏振片、晶体、波片和反射片的影响，有利于保持光路稳定。
作为优选的，所述的电光晶体为铌酸锂晶体。
所述电光晶体具有电光效应，常用电光晶体有磷酸二氢钾、磷酸二氢铵、铌酸锂、钽酸锂等晶体，优选采用铌酸锂晶体。铌酸锂晶体发展成熟，应用广泛，具有电光系数大，半波电压低，折射率大，光学均匀性好，透明波段范围宽，透光率高，耐电压强度高，温度效应低，抗损伤能力强，物理化学性质稳定，易于加工等优点。
作为优选的，所述定位部件用硼酸盐玻璃制作。
所述硼酸盐玻璃以氧化硼为主要成分，氧化硼能与氧化物、氟化物等形成玻璃，可以在较宽范围内根据需要调整性能，本发明所述定位部件要求缘性佳、热膨胀系数高、硬度高，硼酸盐玻璃能满足相应技术要求。
作为优选的，所述凹槽的轴向与套管的轴向平行。
所述光路结构中，凹槽轴向与套管轴向平行，便于搭建直线反射式光路。
作为优选的，所述光纤连接插入套管一端的保偏准直透镜。
所述光纤用于保偏，所述准直透镜用于将光束汇聚以保证入射到偏振片中的光路最细，铌酸锂晶体的电光效应将电场信息以位相差形式加载到光路中，经反射片反射回来后准直透镜保证反射光束能以最小损失进入保偏光纤中。
作为优选的，所述套管的另一端通过石英圆柱封闭。
所述石英圆柱将套管封闭，由此套管内的薄片准直透镜、偏振片、铌酸锂晶体、波片和反射片均与外界环境隔离，可排除环境中水汽、小颗粒等的污染，保证光路达到最小光损耗。
作为优选的，所述的波片为1/8波片。
所述1/8波片在反射光路中相当于1/4波片的作用，其快轴与偏振片的透光轴夹角45°能实现光路的相位延迟，光路经反射后两次通过1/8波片产生90°相位延迟，从而让探头工作在线性区，实现带测电压与输出光强两个物理量之间的线性关系。
作为优选的，光纤引入所述入射光依次通过偏振片、电光晶体、波片后，由反射片反射原路返回。
所述光路采用反射光路，与透射式光路相比，结构集成度更高，灵敏度更高。透射式一般采用准直透镜-起偏器-波片-电光晶体-检偏器-准直透镜结构，而反射式利用反射，以更少的元件实现相同光路，仅需要一个准直透镜和一个偏振片，减少材料成本，且同等条件下反射式中电光传感晶体有效长度为透射式的两倍，提高灵敏度。
附图说明
图1为本发明实施例的全封闭式光学电场传感器探头结构示意图，包括光纤1；保偏准直透镜2；1550nm激光光路3；偏振片4；铌酸锂晶体5；真零级1/8波片6；反射片7；设有凹槽结构的定位部件8；石英套筒9；石英圆柱10。
图2为传统半开放式光学电场传感器探头结构示意图，包括光纤a；保偏准直透镜b；偏振片c；铌酸锂晶体d；真零级1/8波片e；反射片f；石英玻璃管g。
图3为本发明实施例的全封闭式光学电场传感器探头YZ切面受力示意图。
图4为传统半开放式光学电场传感器探头YZ切面受力示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。
如图1所示，本实施例中反射式光学电场传感器中全封闭式探头结构的固定装置，包括光纤1；保偏准直透镜2；1550nm激光光路3；偏振片4；铌酸锂晶体5；真零级的1/8波片6；反射片7；设有凹槽结构的定位部件8、石英套筒9和石英圆柱10。将偏振片4、铌酸锂晶体5、1/8波片6和反射片7通过紫外胶固定在定位部件8的凹槽中；定位部件8固定在石英套筒9中，保偏准直透镜2直径略小于石英套管9的内径，用紫外胶将其大部分固定在套管内，小部分裸露在套管外；石英圆柱10用于将套管的另一端密封。本实施例将偏振片4、铌酸锂晶体5、1/8波片6和反射片7均封闭在石英套管9内，可排除环境中水汽、小颗粒等的污染；同时大大减少外界应力对偏振片、晶体、波片和反射片的影响，有利于保持光路稳定。
如图2所示的半开放式光学电场传感器探头结构中，包括光纤a；保偏准直透镜b；偏振片c；铌酸锂晶体d；真零级1/8波片e；反射片f；用于固定以上元件的石英玻璃管g。在石英套管一端开槽，保偏准直透镜完全固定在石英套管内，将偏振片、铌酸锂晶体、1/8波片和反射片上下两端加紫外胶固定在槽中。该结构中偏振片、晶体、波片和反射片均与环境接触，容易受到环境污染；同时若在石英管壁加应力，半开放式结构中偏振片、晶体、波片和反射片受到的力远大于全封闭式结构，会导致各光学元件发生偏移或弯曲，从而光路发生变化，影响电场探测精度。
如图3所示，本发明实施例的全封闭式光学电场传感器探头YZ切面受力示意图。石英套管右半部分为边界载荷，施加沿-y方向2.5kPa的力，左半部分为固定约束。可以发现石英管内部的偏振片、晶体、波片和反射片受力非常小，基本可忽略不计。图4为传统半开放式光学电场传感器探头YZ切面受力示意图。石英玻璃管右半部分为边界载荷，施加沿-y方向2.5kPa的力，左半部分为固定约束。可以发现晶体、波片和反射片会受到大于4000Pa的应力作用。
以上所述仅为本发明的较佳实施举例，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 (9)

1.一种反射式微型光学电场传感器中探头结构的固定装置，包括套管，其特征在于：
所述套管的两端封闭，其中一端连接有光纤；
所述套管内设有带凹槽的定位部件，所述凹槽固定有依次布置的偏振片、电光晶体、波片和反射片。
2.如权利要求1所述的反射式微型光学电场传感器中探头结构的固定装置，其特征在于，所述的电光晶体为铌酸锂晶体。
3.如权利要求1所述的反射式微型光学电场传感器中探头结构的固定装置，其特征在于，所述定位部件用硼酸盐玻璃制作。
4.如权利要求1所述的反射式微型光学电场传感器中探头结构的固定装置，其特征在于，所述凹槽的轴向与套管的轴向平行。
5.如权利要求1所述的反射式微型光学电场传感器中探头结构的固定装置，其特征在于，所述光纤连接插入套管一端的保偏准直透镜。
6.如权利要求5所述的反射式微型光学电场传感器中探头结构的固定装置，其特征在于，所述套管的另一端通过石英圆柱封闭。
7.如权利要求1所述的反射式微型光学电场传感器中探头结构的固定装置，其特征在于，所述的波片为1/8波片。
8.如权利要求1所述的反射式微型光学电场传感器中探头结构的固定装置，其特征在于，光纤引入所述入射光依次通过偏振片、电光晶体、波片后，由反射片反射原路返回。
9.如权利要求1所述的反射式微型光学电场传感器中探头结构的固定装置，其特征在于，所述电光晶体的光轴与光传播方向平行。
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