CN115792402A - 一种电光探测模块、高压电脉冲信号测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种电光探测模块、高压电脉冲信号测量装置和方法。所述电光探测模块包含分立的电光晶体、金属传输线；电光晶体与金属传输线中部接触，固定设置在金属壳体内。一种高压电脉冲信号测量装置，包含所述电光探测模块，以及，飞秒激光器、分束镜、光导开关、机械延迟线、四分之一波片、保偏光纤、线偏振器和干涉测量模块。一种高压电脉冲信号测量方法，使用所述装置。本申请解决传统示波器等电学手段测量时需衰减导致的测量不确定度大、存在带宽限制以及强电磁干扰等问题。

Description

一种电光探测模块、高压电脉冲信号测量装置和方法

技术领域

本申请涉及光电技术领域，尤其涉及一种高压的电光探测模块、高压电脉冲信号测量装置和方法。

背景技术

高压脉冲电源在民用、军事、科研等诸多领域有不可替代的作用，用于多晶硅破碎装置、臭氧发生器、激光武器、电子显微镜等。随着这些领域科技的发展，对高压脉冲电源的要求越来越高，对脉冲波形参数进行准确测量成为发展高压脉冲技术的重要前提。传统的电学测量手段采用电磁探针和二极管检波器等电学探头，由于电学探头在强电磁环境中容易达到饱和，需对信号进行大倍数衰减后才能进行测量，但衰减系数无法精确测定，电脉冲也存在一定程度的展宽，因此强电磁脉冲的峰值功率和波形参数的测量一直存在测量不确定度大的问题；且电学测量系统容易受到强电磁信号的干扰导致系统测量结果的不确定度增大，甚至无法工作，同时对被测电磁场也会产生干扰导致波形的畸变。

发明内容

本申请提出一种电光探测模块、高压电脉冲信号测量装置和方法，用以解决传统示波器等电学手段测量时需衰减导致的测量不确定度大、存在带宽限制以及强电磁干扰等问题，提高高压电脉冲信号的测量水平。

本申请实施例提出一种电光探测模块，包含分立的电光晶体、金属传输线。所述电光晶体与金属传输线中部接触，固定设置在金属壳体内。金属传输线两端分别经过同轴接头引出到所述金属壳体外部。所述金属壳体内填充绝缘油。

优选地，所述电光晶体利用金属传输线粘贴在夹具上，金属传输线两端通过焊接的方式连接同轴接头。

优选地，所述电光晶体为LiTaO3材料。

优选地，所述金属壳体相对的两壁带有玻璃窗口。

本申请实施例还提出一种基于电光取样的高压电脉冲信号测量装置，包含本申请任意一项实施例所述电光探测模块，以及，飞秒激光器、分束镜、光导开关、机械延迟线、四分之一波片、保偏光纤、线偏振器和干涉测量模块；

所述飞秒激光器输出光经所述分束镜后，一束加载在所述光导开关产生待测高压电脉冲信号，一束经过所述机械延时线、电光探测模块和四分之一波片后耦合至保偏光纤，经过所述保偏光纤后形成具有固定光程差、呈正交偏振态的两束光，两光束分量进行干涉，由所述干涉测量模块记录干涉条纹。

所述电光探测模块，由同轴接头输入高压电脉冲信号至传输线，探测光经玻璃窗口入射透过电光晶体后至所述干涉测量模块，通过探测两个脉冲分量之间的干涉条纹探测电场变化。

所述干涉测量模块包含衍射光栅、平凸柱透镜和二维CCD相机，两个脉冲光经过衍射光栅进行光谱分离后，由平凸柱透镜准直，送入CCD相机生成干涉条纹。

优选地，所述装置还包括高压负载，与电光探测模块的同轴接头连接，用于阻抗匹配。

优选地，所述线偏振器的偏振方向与保偏光纤的快、慢轴成45°。

本申请实施例还提供一种基于电光取样的高压电脉冲信号测量方法，用本申请任意一项实施例所述装置，包括以下步骤：

飞秒激光分束为第一路光和第二路光；

第一路光作为激励光加载到光导开关上产生待测高压电脉冲信号；

所述第二路光改变其延时，入射至电光晶体上；

透射光经过四分之一波片后转变为椭圆偏振光，然后分离为偏振态相互垂直的两束光进行干涉，对干涉条纹进行测量，获得所述干涉条纹相位值随高压电脉冲信号强度变化量。

优选地，根据干涉条纹强度计算相位差；根据所述干涉条纹相位差与待测高压电脉冲信号强度成正比，确定待测高压电脉冲信号的采样点值。

优选地，分别控制延时量和逐点采样，记录每个延时量对应的待测高压电脉冲信号采样点值，得到待测高压电脉冲信号的时域波形。

本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：

提供一种基于电光取样的高压电脉冲信号测量手段，抗电磁干扰能力强、测量灵敏度高、动态范围大，可对高压电脉冲信号实现实时测量，还能避免使用传统电光取样测高压信号时的偏振过度旋转问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，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为本申请的电光探测模块封装图；

图2为基于电光取样的高压电脉冲信号测量装置连接示意图；

图3为基于电光取样的高压电脉冲信号测量方法流程图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。

图1为电光探测模块封装图。电光探测模块包含电光晶体10和金属传输线11。例如，将电光晶体利用金属线粘贴在夹具12上，将同轴接头末端151与金属传输线通过焊接手段连接，将该结构利用正反都带有玻璃窗口13的金属壳14密封封装。

探测光由玻璃窗口入射至电光晶体上，透过电光晶体后从另一个玻璃窗口出射，两个同轴接头15分别接入待测高压电脉冲信号和高压负载。

电光晶体由电光材料制成，电光材料是一种具有电光效应的光学功能材料。在外加电场的作用下，材料的折射率发生变化，可对穿过的光束进行相位调制。例如，有高压电脉冲信号的时候，另外引入一个相位Φ_THz。

金属传输线11，用于传输待测高压电脉冲信号。例如，光导开关经激励光激发产生高压电脉冲信号通过电缆连接至同轴接头后，加载到传输线上。

优选的，电光晶体采用3mm*10mm*1mm LiTaO3材料，金属传输线采用铜材质，采用油浸的方式起到绝缘保护以及防止击穿的功能。例如，由金属壳的灌油孔16处灌入绝缘油。

优选的，还包括高压负载，与电光探测模块的同轴接头连接，用于减少传输线上电脉冲信号的反射。

图2为基于电光取样的高压电脉冲信号测量装置连接示意图。

基于电光取样的高压电脉冲信号测量装置，包括飞秒激光器21、分束镜22、光导开关23、机械延时线24、电光探测模块25、四分之一波片26、保偏光纤27、线偏振器28和干涉测量模块29。

飞秒激光脉冲持续时间为飞秒级别，用作光源。例如，在一个实施例中，飞秒激光器输出波长1064nm，脉冲宽度100fs，信号重复频率100Mhz。

分束可采用分束镜，将激光分为两束，分别为产生待测信号的激励光和用于电光采样的探测光。

一束(激励光)加载在所述光导开关上产生待测高压电脉冲信号，通过电缆连接至电光探测模块。一束(探测光)经过所述机械延时线、电光探测模块和四分之一波片后耦合至保偏光纤中。

机械延时线改变激励光和探测光的相对延时，实现待测高压电脉冲信号的逐点采样。

尤其是，本申请装置采用的电光探测模块，由分立的电光晶体和金属传输线经组合封装而成，由同轴接头输入高压电脉冲信号至所述金属传输线，探测光经玻璃窗口入射透过电光晶体后至所述干涉测量模块，通过探测两个脉冲分量之间的干涉条纹探测电场变化。

优选的，还包括高压负载，与电光探测模块的同轴接头连接，用于减少传输线上电脉冲信号的反射。优选的，所述电光探测模块采用3mm*10mm*1mm LiTaO3材料，通过焊接与铜金属线及同轴接头连接，采用油浸的方式起到绝缘保护以及防止击穿的功能。

四分之一波片，用于改变探测光的偏振态。例如，使探测光变为椭圆偏振态。

由于双折射效应，保偏光纤存在快轴和慢轴之间的本征相位延迟，探测光的s偏振和p偏振分量在保偏光纤中传输经历不同的折射率，导致其输出偏振状态的改变。换句话说，通过保偏光纤后产生两个脉冲，一个沿快轴传播，另一个沿慢轴传播，导致两者之间产生一个光程差。

所述探测光经过所述保偏光纤后形成具有固定光程差、呈正交偏振态的两束光；由保偏光纤出射的光束经过线偏振器8调整偏振态后，入射至干涉测量模块中。

线偏振器用于改变探测光的偏振态，使两脉冲分量的偏振态改变，产生能够干涉的分量。例如，在一个实施例中，线偏振器的偏振方向与保偏光纤的快、慢轴成45°。

干涉测量模块包括衍射光栅91、平凸柱透镜92和二维CCD相机93，由于衍射光栅的线性色散，出射自保偏光纤的光束被转化为单个的光谱分量，不同的光谱分量将采用几个不同的方向传播，单个的光谱分量在空间上是分离的。

两个偏振正交的脉冲光经过衍射光栅进行光谱分离后，由平凸柱透镜准直，干涉后送入CCD相机观察干涉条纹。

平凸柱透镜对两个脉冲分量进行准直，在CCD相机平面上物理重叠观察到干涉条纹。例如，在一个实施例中，衍射光栅为600槽/mm，平凸柱透镜焦距100mm，CCD相机选用760×1024像素。

优选的，还包括控制和计算模块13，所述控制和计算模块与所述机械延时线连接，用于控制所述机械延时线的延时量并进行逐点采样，并计算相位变化。两束光分量的相位差

为干涉条纹I(L)的希尔伯特变换。例如，通过改变待测高压电脉冲信号和探测脉冲之间的延迟时间监测该相位差的变化，对该采样信号进行处理，得到待测高压电脉冲信号的时域波形。

图3为基于电光取样的高压电脉冲信号测量方法流程图。

本申请实施例还提供一种基于电光取样的高压电脉冲信号测量方法，包括以下步骤：

步骤31、飞秒激光分束为第一路光和第二路光。

例如，飞秒激光源经过分束镜将激光分为两束。

步骤32、第一路光作为激励光加载到光导开关上产生待测高压电脉冲信号。

例如，所述第一路光作为激励光加载到光导开关上，得到通过同轴接头输入至所述电光探测模块中的高压电脉冲信号。

步骤33、所述第二路光改变其延时，入射至电光晶体上。

例如，所述第二路光经过机械延时线改变与第一束光的相对延时，入射至电光探测模块中的电光晶体上。

步骤34、透射光经过四分之一波片后转变为椭圆偏振光，然后分离为偏振态相互垂直的两束光进行干涉，对干涉条纹进行测量，获得所述干涉条纹相位值随高压电脉冲信号强度变化量。

干涉条纹即用CCD观察到的明暗变化的曲线(也就是上面所说的干涉条纹，也就是能表达成I(k))，因为飞秒激光会被干涉测量模块里的光栅分成好多分量，每一个分量的两束光干涉后都是一个有一定亮度的光斑，不同分量的干涉后的光斑亮度不同，所以会形成干涉条纹，整体所有分量的亮度的变化即形成明暗变化的曲线，相当于光谱仪的作用。

干涉条纹可表示为：

为波数，I_s和L_p分别为偏振态相互垂直的两束光的强度，λ为探测光的中心波长，Φ₀为相位常数，Φ_THz为待测高压电脉冲信号引入的相位，与高压脉冲的强度成正比，L为光程差。

所述干涉条纹相位值随高压电脉冲信号强度变化量，即两光束分量的相位差

得到的结果与电脉冲的强度成正比，就能得到由于电脉冲的引入而导致的变化，也就是电脉冲的波形及幅值。因此，所述步骤进一步包含：根据干涉条纹强度计算相位差，如公式(2)；根据所述干涉条纹相位差与待测高压电脉冲信号强度成正比，确定待测高压电脉冲信号的采样点值

根据公式(1)，两光束分量的相位差可以表示为：

为干涉条纹I的希尔伯特变换，对于固定长度的保偏光纤，光程差L固定，这种相位变化仅由电光晶体中太赫兹电场引起的双折射导致的。

分离其为偏振方向相互垂直的两束光，可采用保偏光纤，也可采用其他偏振分束装置。例如，经过保偏光纤后能够形成具有固定光程差、呈正交偏振态的两束光。

呈正交偏振态的两束光偏振态改变后才能进行干涉。例如，采用偏振方向与保偏光纤快、慢轴成45°的线偏振器对呈正交偏振态的两束光的偏振态进行改变，实现两束光分量的干涉。

干涉测量模块包括衍射光栅、平凸柱透镜和CCD相机，两个脉冲光经过衍射光栅进行光谱分离后，由平凸柱透镜准直，干涉后送入CCD相机观察干涉条纹，实现对干涉条纹的测量。

优选地，所述方法还包括：

步骤35、分别控制延时量和逐点采样，通过干涉条纹监测两光束分量相位差的变化，对该采样信号进行处理，在每一个延时量重复步骤31～35获得待测高压电脉冲上的一个采样点，当最大延时量达到一个待测高压电脉冲周期时，多个采样点的集合得到待测高压电脉冲信号的时域波形。

控制延时量是为了调整激励光和探测光的延时量，一个步进采集一个干涉条纹，数据处理后计算出一个点，步进多次进行多次采点，直到把整个波形采下来。

例如，控制延时量和逐点采样可采用控制和计算模块用于精确控制机械延时线的延时量，改变探测光和激励光的相对延时，监测该相位差的变化，对该采样信号进行处理，得到待测高压电脉冲信号的时域波形。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包含一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种电光探测模块，其特征在于，包含分立的电光晶体、金属传输线；

所述电光晶体与金属传输线中部接触，固定设置在金属壳体内；

金属传输线两端分别经过同轴接头引出到所述金属壳体外部；

所述金属壳体内填充绝缘油。

2.如权利要求1所述电光探测模块，其特征在于，

所述电光晶体利用金属传输线粘贴在夹具上，金属传输线两端通过焊接的方式连接同轴接头。

3.如权利要求1所述的电光探测模块，其特征在于，

所述电光晶体为LiTaO₃材料。

4.如权利要求1所述的电光探测模块，所述金属壳体相对的两壁带有玻璃窗口。

5.一种高压电脉冲信号测量装置，其特征在于，包含权利要求1～4任意一项所述电光探测模块，以及，飞秒激光器、分束镜、光导开关、机械延迟线、四分之一波片、保偏光纤、线偏振器和干涉测量模块；

所述飞秒激光器输出光经所述分束镜后，一束加载在所述光导开关产生待测高压电脉冲信号，一束经过所述机械延时线、电光探测模块和四分之一波片后耦合至保偏光纤，经过所述保偏光纤后形成具有固定光程差、呈正交偏振态的两束光，两光束分量进行干涉，由所述干涉测量模块记录干涉条纹；

所述电光探测模块，由同轴接头输入高压电脉冲信号至传输线，探测光经玻璃窗口入射透过电光晶体后至所述干涉测量模块，通过探测两个脉冲分量之间的干涉条纹探测电场变化；

所述干涉测量模块包含衍射光栅、平凸柱透镜和二维CCD相机，两个脉冲光经过衍射光栅进行光谱分离后，由平凸柱透镜准直，送入CCD相机生成干涉条纹。

6.权利要求1所述的高压电脉冲信号测量装置，其特征在于，还包括高压负载，与电光探测模块的同轴接头连接，用于阻抗匹配。

7.如权利要求3所述的高压电脉冲信号测量装置，其特征在于，所述线偏振器的偏振方向与保偏光纤的快、慢轴成45°。

8.一种高压电脉冲信号测量方法，用权利要求5～7任意一项所述装置，包括以下步骤：

飞秒激光分束为第一路光和第二路光；

第一路光作为激励光加载到光导开关上产生待测高压电脉冲信号；

所述第二路光改变其延时，入射至电光晶体上；

透射光经过四分之一波片后转变为椭圆偏振光，然后分离为偏振态相互垂直的两束光进行干涉，对干涉条纹进行测量，获得所述干涉条纹相位值随高压电脉冲信号强度变化量。

9.如权利要求8所述的高压电脉冲信号测量方法，其特征在于，

根据干涉条纹强度计算相位差

根据所述干涉条纹相位差与待测高压电脉冲信号强度成正比，确定待测高压电脉冲信号的采样点值；

其中，

为干涉条纹I的希尔伯特变换。

10.如权利要求8或9所述的高压电脉冲信号测量方法，其特征在于，还包括分别控制延时量和逐点采样，记录每个延时量对应的待测高压电脉冲信号采样点值，得到待测高压电脉冲信号的时域波形。

Images