CN115166332B - 基于中心对称电极的电光晶体半波电压的调控方法及系统 - Google Patents
基于中心对称电极的电光晶体半波电压的调控方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了基于中心对称电极的电光晶体半波电压的调控方法及系统，其中调控方法包括：获取中心对称电极，基于中心对称电极的结构得到电光晶体内的电场方向；对电光晶体内的电场方向进行仿真，得到光传播方向与电场方向的角度关系；对中心对称电极产生的电光效应进行计算；基于角度关系和计算结果，调控半波电压；调控系统包括：电场获取模块、电场仿真模块、电光效应计算模块、半波电压调控模块。本发明无需引用其他额外分压介质，不会增加系统复杂度，同时本发明所提出的中心对称电极方法可有效调节晶体内电场方向，且该方法也适用于其他电光晶体，具有通用性。
Description
技术领域
本发明属于光学电压传感器领域，特别是涉及基于中心对称电极的电光晶体半波电压的调控方法及系统。
背景技术
光学电压传感器是采用光学传感技术，利用光学介质敏感电压，并使用光纤进行信号传输的一种测量型传感器。其中基于泡克尔斯电光效应原理的光学电压传感器通常采用锗酸铋(Bi4Ge3O12,BGO)晶体作为传感介质，BGO晶体是一种人工合成的立方晶体，无自然线性双折射和圆双折射，无压电效应，且具有良好的温度稳定性，但是BGO晶体的半波电压限制了光学电压传感器的测量范围。为了解决这一问题，通常采用介质分压方法，即在BGO晶体和电极之间附加石英晶体等透明绝缘介质来提高整个系统的半波电压。但是额外介质的引入会增加系统的复杂度，同时改变电场的分布，而且石英晶体和BGO晶体的热膨胀系数不同，环境温度改变产生的热应力双折射问题会给测量带来随机误差。针对上述光学电压传感器中分压介质不稳定和热应力双折射问题，提出一种基于中心对称电极和任意电场方向的半波电压调控方法，增加光学电压传感器测量范围。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于中心对称电极的电光晶体半波电压的调控方法，以解决上述现有技术存在的问题。
一方面为实现上述目的，本发明提供了一种基于中心对称电极的电光晶体半波电压的调控方法，包括：
获取中心对称电极，基于所述中心对称电极的结构得到电光晶体内的电场方向；
对所述电光晶体内的电场方向进行仿真，得到光传播方向与电场方向的角度关系；
对中心对称电极产生的电光效应进行计算，得到计算结果；
基于所述角度关系和所述计算结果，调控半波电压。
优选地，得到光传播方向与电场方向的角度关系的过程包括：
基于所述中心对称电极的结构，改变电光晶体内的电场方向，通过有限元方法对电光晶体内的电场方向进行仿真，得到光传播方向与电场方向的角度关系。
优选地，得到计算结果的过程包括：
获取晶体的空间坐标系，对所述空间坐标系进行转换，得到晶体的晶向坐标系，基于所述晶向坐标系对晶体的通光路径进行分割，基于分割结果得到每一段通光路径的电光效应，对所述每一段通光路径的电光效应进行累积，得到整个通光路径的电光效应。
优选地，得到整个通光路径的电光效应的过程包括：
通过耦合波理论计算，得到整个通光路径的电光效应。
另一方面为实现上述目的，本发明提供一种基于中心对称电极的电光晶体半波电压的调控系统，包括：
电场获取模块，用于获取中心对称电极，基于所述中心对称电极的结构得到电光晶体内的电场方向；
电场仿真模块，用于对所述电光晶体内的电场方向进行仿真，得到光传播方向与电场方向的角度关系；
电光效应计算模块，对中心对称电极产生的电光效应进行计算，得到计算结果；
半波电压调控模块，基于所述角度关系和所述计算结果，得到光传播方向与电场方向的角度关系,基于所述角度关系调控半波电压。
优选地，电场仿真模块包括：有限元仿真单元；
所述有限元仿真单元，基于所述中心对称电极的结构，改变电光晶体内的电场方向，通过有限元方法对电光晶体内的电场方向进行仿真，得到光传播方向与电场方向的角度关系。
优选地，电光效应计算模块包括：坐标系转换单元和电光效应计算单元；
所述坐标系转换单元，用于获取晶体的空间坐标系，对所述空间坐标系进行转换，得到晶体的晶向坐标系，
所述电光效应计算单元，基于所述晶向坐标系对晶体的通光路径进行分割，基于分割结果得到每一段通光路径的电光效应，对所述每一段通光路径的电光效应进行累积，得到整个通光路径的电光效应。
优选地，所述电光效应计算单元包括：理论计算子单元
所述理论计算子单元，通过耦合波理论计算，得到整个通光路径的电光效应。
本发明的技术效果为：
本发明基于中心对称电极得到电光晶体内的电场，通过对所述电光晶体内的电场方向进行仿真，得到光传播方向与电场方向的角度关系，通过对中心对称电极产生的电光效应进行计算，基于角度关系和计算结果，调控半波电压。本发明无需引用其他额外分压介质，不会增加系统复杂度。本发明所提出的中心对称电极方法可有效调节晶体内电场方向，且该方法也适用于其他电光晶体，具有通用性。本发明可以应用于新型光学电压传感器的设计，有效增加其电压测量范围。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例中的基于中心对称电极的电光晶体半波电压的调控方法流程图；
图2为本发明实施例中的基于中心对称电极的电光晶体半波电压的调控系统结构图；
图3为本发明实施例中的中心对称电极结构分布示意图；
图4为本发明实施例中的中心对称电极有限元电场仿真示意图；
图5为本发明实施例中的理论计算得到的半波电压与电场方向角的关系图；
图6为本发明实施例中的各模块连接关系与逻辑关系的示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
实施例一
如图1、图4、图5所示，本实施例中提供一种基于中心对称电极的电光晶体半波电压的调控方法，包括：
获取中心对称电极，基于中心对称电极的结构得到电光晶体内的电场方向；
对电光晶体内的电场方向进行仿真，得到光传播方向与电场方向的角度关系；
对中心对称电极产生的电光效应进行计算，得到计算结果；
基于角度关系和计算结果，调控半波电压。
在一些实施例中，得到光传播方向与电场方向的角度关系的过程包括：基于所述中心对称电极的结构，改变电光晶体内的电场方向，通过有限元方法对电光晶体内的电场方向进行仿真，得到光传播方向与电场方向的角度关系。
在一些实施例中，得到计算结果的过程包括：获取晶体的空间坐标系，对空间坐标系进行转换，得到晶体的晶向坐标系，基于晶向坐标系对晶体的通光路径进行分割，基于分割结果得到每一段通光路径的电光效应，对每一段通光路径的电光效应进行累积，得到整个通光路径的电光效应。
在一些实施例中，得到整个通光路径的电光效应的过程包括：通过耦合波理论计算，得到整个通光路径的电光效应。
本实施例具体的技术方案：采用中心对称铜箔电极或氧化铟锡(Indium TinOxide，ITO)透明电极对晶体施加电压，通过改变电极的相对位置，使通光路径上的电场方向与光的传播方向存在一定角度，则可实现对晶体内电场方向任意调节，进而直接提高BGO晶体半波电压。
本实施例中，基于中心对称电极晶体内电场调控方法，其中电极结构的研究可分为两种类型：当电场方向接近于横向调制时，使用铜箔电极，便于制作且导电性能佳；当电场方向接近于纵向调制时，使用ITO透明电极，以保证晶体入射的偏振光可以完全透过不被阻挡。进一步可通过有限元方法对不同电极结构配置下的晶体内电场进行仿真，探究晶体内部电势分布以及电场分布，分析所有电极结构下电场方向的平均角度。
本实施例中，采用电光效应耦合波理论计算中心对称电极产生的电光效应。由于耦合波理论计算采用的晶向坐标系不同于空间坐标系，因此需将空间坐标系转换为晶向坐标系。设晶体的的轴坐标为X、Y、Z，变换关系如下：
Z＝z
考虑到晶体内电场的不均匀性，通光路径上的电场方向和大小均不相同，需将通光路径进行分割，当分割的足够小时，可近似地认为每一段路径上的电场均匀，通过求解耦合方程可以得到均匀电场调制下出射光的偏振态，并由琼斯矩阵描述：
其中E1和E2是光波的两个电矢量分量，μj，γj，为有效电光相位因子，r为通光长度，i为虚数符号，Aj为每一段路径的电光调制矩阵，对所有分割路径的电光效应进行累积，则整个光路的电光效应可以表示为：
其中Qλ/4是四分之一波片的琼斯矩阵，用于将静态工作点移动到近似线性区域，使得输出光功率与电光相位延迟在小角度范围内满足近似线性光系，实现电光相位延迟的线性测量。同时该区域内的斜率最大，测量信号的敏感度最高。
通过有限元仿真结果与耦合波理论计算的结合，可以得到半波电压与电场平均方向角度的关系，当电场方向接近光传播方向时，半波电压会无限增大，即电光相位延迟接近于零。因此，可以通过使用中心对称电极结构进一步提高和调控BGO晶体半波电压。
实施例二
如图2-3所示，本实施例提供一种基于中心对称电极的电光晶体半波电压的调控系统，包括：
电场获取模块，用于获取中心对称电极，基于中心对称电极的结构得到电光晶体内的电场方向；
电场仿真模块，用于对电光晶体内的电场方向进行仿真，得到光传播方向与电场方向的角度关系；
电光效应计算模块，对中心对称电极产生的电光效应进行计算，得到计算结果；
半波电压调控模块，基于角度关系和计算结果，调控半波电压。
在一些实施例中，电场仿真模块包括：有限元仿真单元；有限元仿真单元，基于所述中心对称电极的结构，改变电光晶体内的电场方向，通过有限元方法对电光晶体内的电场方向进行仿真，得到光传播方向与电场方向的角度关系。
在一些实施例中，电光效应计算模块包括：坐标系转换单元和电光效应计算单元；坐标系转换单元，用于获取晶体的空间坐标系，对空间坐标系进行转换，得到晶体的晶向坐标系；电光效应计算单元，基于晶向坐标系对晶体的通光路径进行分割，基于分割结果得到每一段通光路径的电光效应，对每一段通光路径的电光效应进行累积，得到整个通光路径的电光效应。
在一些实施例中，电光效应计算单元包括：理论计算子单元；理论计算子单元，通过耦合波理论计算，得到整个通光路径的电光效应。
本实施例中具体包括三个模块，分别是电源模块、光路模块、信号采集模块。其中：
电源模块的作用是为了给晶体施加工频交流调制电压信号，其信号输入源由信号发生器产生电信号并通过高压放大器进行增益，并连接一个示波器实时观测信号发生器产生信号的波形和频率大小。
光路模块光源选用中心波长976nm半导体激光二极管，BGO晶体选用尺寸为10mm*10mm*10mm的立方晶体，偏振器件均采用高消光比的格兰泰勒棱镜。
信号采集模块由硅光电二极管光功率计接收信号并通过采样频率为100MHz的16-bit采集卡记录，并将一个K型热电偶通过铜箔胶带粘接在晶体上方，同时连接到采集卡上，用于监控BGO晶体的温度。
各模块连接关系与逻辑关系，如图6所示。电源模块是为了给电光晶体施加电压信号进行调制。
光路模块包括半导体激光源→起偏器→电光晶体→1/4波片→检偏器→光功率计，按照这个顺序排列，光源射出的光线依次通过，起偏器和检偏器可以统称为偏振器件或偏振片，主要作用是把入射光变成线偏振光出射。当偏振片放置在光源组件上时叫做起偏器，用来将光源发出的光变成线偏振光，当偏振片放置在光电传感器前方用来检测某一束光的偏振态时，被称为检偏器。
光功率计的作用是测量光功率的大小，然后通过采集卡记录数据，由光功率计和采集卡组成信号采集模块。
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (4)
1.一种基于中心对称电极的电光晶体半波电压的调控方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取中心对称电极，基于所述中心对称电极的结构得到电光晶体内的电场方向；
对所述电光晶体内的电场方向进行仿真，得到光传播方向与电场方向的角度关系；
对中心对称电极产生的电光效应进行计算，得到计算结果；
基于所述角度关系和所述计算结果，调控半波电压；
得到光传播方向与电场方向的角度关系的过程包括：
基于所述中心对称电极的结构，改变电光晶体内的电场方向，通过有限元方法对电光晶体内的电场方向进行仿真，得到光传播方向与电场方向的角度关系；
得到计算结果的过程包括：
获取晶体的空间坐标系，对所述空间坐标系进行转换，得到晶体的晶向坐标系，基于所述晶向坐标系对晶体的通光路径进行分割，基于分割结果得到每一段通光路径的电光效应，对所述每一段通光路径的电光效应进行累积，得到整个通光路径的电光效应。
2.根据权利要求1所述的基于中心对称电极的电光晶体半波电压的调控方法，其特征在于，得到整个通光路径的电光效应的过程包括：
通过耦合波理论计算，得到整个通光路径的电光效应。
3.一种基于中心对称电极的电光晶体半波电压的调控系统，其特征在于，包括：
电场获取模块，用于获取中心对称电极，基于所述中心对称电极的结构得到电光晶体内的电场方向；
电场仿真模块，用于对所述电光晶体内的电场方向进行仿真，得到光传播方向与电场方向的角度关系；
电光效应计算模块，对中心对称电极产生的电光效应进行计算，得到计算结果；
半波电压调控模块，基于所述角度关系和所述计算结果，调控半波电压；
电场仿真模块包括：有限元仿真单元；
所述有限元仿真单元，基于所述中心对称电极的结构，改变电光晶体内的电场方向，通过有限元方法对电光晶体内的电场方向进行仿真，得到光传播方向与电场方向的角度关系；
电光效应计算模块包括：坐标系转换单元和电光效应计算单元；
所述坐标系转换单元，用于获取晶体的空间坐标系，对所述空间坐标系进行转换，得到晶体的晶向坐标系，
所述电光效应计算单元，基于所述晶向坐标系对晶体的通光路径进行分割，基于分割结果得到每一段通光路径的电光效应，对所述每一段通光路径的电光效应进行累积，得到整个通光路径的电光效应。
4.根据权利要求3所述的基于中心对称电极的电光晶体半波电压的调控系统，其特征在于，所述电光效应计算单元包括：理论计算子单元；
所述理论计算子单元，通过耦合波理论计算，得到整个通光路径的电光效应。
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