[发明专利]光电集成三维电场传感器系统

说明书

技术领域

本发明属于电场测量技术领域，涉及一种基于电光效应的光电集成电场传感器，可应用于三维电场的测量，尤其适于高电场幅值情况下的抵近测量。

背景技术

电场测量正面临着越来越多的需求：在电磁兼容领域，射频电场的测量可用于研究电子设备所产生的电磁辐射，同时可检测外界电场对电子设备本身的影响，此类电场具有幅值低和频率高的特点。在电力系统中，直流、工频及瞬态电场的测量可用于评估设备的绝缘安全，研究局部放电及电晕放电等现象，此类电场具有幅值高和频带宽(DC-100MHz)的特点。在核电磁脉冲领域，电磁辐射的测量可用于研究核电磁辐射的危害及其防护，此类电场上升沿可达数ns，幅值可达数kV/m。传统的电磁式电场传感器已无法满足电场测量对带宽、响应速度、电磁兼容等方面的要求。诞生于20世纪80年代的光电集成电场传感器，经过近30年的发展，可以满足上述各领域电场测量的要求。

值得主意的是，目前关于光电集成电场传感器的研究主要集中于一维测量，即仅适用于电场方向已知的测量。由于电场强度为矢量，至少测量二维电场才能满足方向未知的电场测量要求：对于平行平面场和旋转球面场，必须测量二维电场才能得出电场强度矢量；对于其他方向未知的电场，需要测量三维电场才能求得电场强度矢量。为解决此问题，有人研制了三维电场传感器[K Tajima，R Kobayashi等，“基于马赫-曾德干涉仪的各向同性光学电场传感器的发展”，IEICE Transactions Electron，2002，E85-C(4)：961-967]，图1是其截面剖示图，本质上是将三个一维电场传感头S固定在三棱柱101的三个面上，102是圆柱形的封装管壳。图2是该三维电场传感器系统示意图，激光源103中的光束分别通过输入光纤104进入3支传感头，三支传感头分别测量三个方向的电场。从波导中输出的光通过输出光纤105传输至光接收机106，即可获得三个方向的电场，经过一定的算法可求得合成场强。

但是，已有的这种三维电场传感器的空间分辨率差，三支传感头分别位于截面边长为cm量级的三棱柱的三个面上，在应用中把所测的合成场强看做是三棱柱中心处的电场强度矢量，这种近似会带来较大误差。此外，这种传感器的工艺复杂，传感头的感应方向需要与三棱柱的边成54.7°的角度。因此，上述已知方案受空间分辨率等因素的限制，无法完成强电场抵近测量。

已有共路干涉仪型传感器系统的结构如图3所示，包括激光源207、输入保偏光纤208、传感头S、输出保偏光纤209、偏振分束器210和光探测器211。其中传感头S采用Z向传光的铌酸锂(LiNbO₃)晶体212，在晶体表面利用钛(Ti)金属扩散法制作沿Z方向的直通光波导213。

该传感器的工作原理为：激光源207产生的线偏振光通过输入保偏光纤208进入光波导213后按照TE和TM两种模式传输；在X或Y方向电场的作用下，两种模式的传播常数β_TE和β_TM将发生互补的变化，使波导出射的光变成椭圆偏振光；通过输出保偏光纤209将椭圆偏振态传输至偏振分束器210，经过检偏后偏振态信号转变为光强度信号。光强度信号传输至光探测器211后转变为电压信号，该电压信号与外加电场成正弦函数关系。传感器的传递函数如式1所示。

其中k₁和k₂分别为传感器在X和Y方向电场作用下的刻度因数；为传感器的光学偏置点，取决于光波导的尺寸；b为传感器的消光比，取决于光纤与光波导的耦合工艺；A反映了光路损耗及光电转换系数。由式1可知，这种共路干涉仪型电场传感器同时受到X和Y两个方向电场的调制作用，只能应用于方向已知的电场测量。

发明内容

本发明的目的旨在克服已有技术的不足之处，提供一种光电集成三维电场传感器系统，适用于检测三维电场，具有工艺简单，空间分辨率高的优点，可以实现抵近测量。

本发明提出的一种光电集成三维电场传感器系统，该系统包括激光源、保偏光纤耦合器、输入保偏光纤、起偏器、保偏尾纤、传感头、偏振分束器、输出单模光纤和光接收机。其中，激光源的输出端依次通过保偏光纤耦合器、输入保偏光纤、起偏器、第一段保偏尾纤与传感头的输入端相连，传感头的输出端依次通过第二段保偏尾纤、信号偏振分束器、输出单模光纤与光接收机的输入端相连；其特征在于，该传感头为在沿垂直光轴方向切割与沿平行光轴方向通光的铌酸锂板的表面通过钛金属扩散形成三条平行贯穿的光波导；在第一光波导的表面敷两侧设垂直的偶极子天线和电极，在第三光波导的表面敷设屏蔽电极。