[发明专利]基于复合光涡旋的晶体电流传感器

说明书

本发明公开了一种基于复合光涡旋的晶体电流传感器，其激光发射单元输出线偏振态基模高斯光束，复合光束生成单元将线偏振态的基模高斯光束分成两路，并将两路光调制成光涡旋光束，再合束并转换为圆偏振态的复合光涡旋光束，晶体传感单元将复合光涡旋光束沿晶体光轴通入晶体中，并施加电流产生沿晶体光轴方向的磁场，检测单元探测施加磁场前后的复合光涡旋光束的光强分布，复合光涡旋光束发生偏转，并通过偏转度大小计算对应所加电流大小，从而实现电流传感的功能。本发明利用光涡旋在传输过程中保持圆偏振态特性，利用法拉第磁光效应引起光束偏振态的改变能在复合光斑中直接体现的原理，有效解决因线性双折射使得光纤电流互感器灵敏度降低的问题。

技术领域

本发明涉及一种晶体电流传感器，特别是涉及一种Sagnac干涉仪型的晶体电流传感器，应用于磁场测量及电流传感的技术领域。

背景技术

目前，多数光学电流互感器的原理都是基于法拉第磁光效应，其在实用化过程中遇到了一对矛盾：一方面石英光纤的维尔德常数较低，为了提高灵敏度需增加光纤环的缠绕匝数；另一方面，光纤匝数的增加会额外的引入线性双折射，引入的线性双折射使得光纤电流互感器的灵敏度降低，过大的线性双折射甚至会抑制法拉第效应。

光涡旋光束可以有无限多个本征态，并且本征态之间是相互正交的，这就相当于为我们提供了一个新的通信维度，是未来可能采用的最具潜力的通信方式之一。另外，考虑到目前全光纤电流传感器所遇到的线性双折射问题以及光涡旋光束在高灵敏度传感和高精确度测量中的潜在应用价值，研究如何利用光涡旋光束实现对电流的高灵敏度、高精确度的检测与传感具有重大的研究意义，成为亟待解决的技术问题。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种基于复合光涡旋的晶体电流传感器，是一种全新的、有别于传统电流检测方式的基于复合光涡旋的晶体电流传感装置。本发明充分利用光涡旋在传输过程中可以保持很好的圆偏振态的特性，利用法拉第磁光效应引起光束偏振态的改变能在复合光斑中直接体现的原理，有效解决因线性双折射使得光纤电流互感器的灵敏度降低的问题，从而实现电流传感的功能。

为达到上述发明创造目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于复合光涡旋的晶体电流传感器，包括激光发射单元、前端非偏振分束器、复合光束生成单元、晶体传感单元和检测单元，激光发射单元的输出端连接前端非偏振分束器的输入端，复合光束生成单元的输入端和输出端皆连接前端非偏振分束器的信号端，前端非偏振分束器的输出端连接晶体传感单元的输入端，晶体传感单元的输出端连接检测单元的输入端；激光发射单元用于输出线偏振态的基模高斯光束，激光发射单元输出的线偏振态的基模高斯光束的波长在复合光束生成单元可调制的光波长范围内；前端非偏振分束器使线偏振态的基模高斯光束直接通过，向复合光束生成单元输入线偏振态的基模高斯光束；

复合光束生成单元用于将接收到的线偏振态的基模高斯光束转换成光涡旋光束，复合光束生成单元先将接收到的线偏振态的基模高斯光束转换成圆偏振态的基模高斯光束，再将圆偏振态的基模高斯光束均分成两路线偏振光，然后将两路线偏振光调制成光涡旋光束，再合束并转换为圆偏振态的复合光涡旋光束，然后输出至前端非偏振分束器；

前端非偏振分束器还能将来自复合光束生成单元生成的复合光涡旋光束反射至晶体传感单元；晶体传感单元主要包括晶体，晶体传感单元用于将来自复合光束生成单元生成的复合光涡旋光束通入晶体中，并施加沿晶体光轴方向的磁场，使施加磁场后产生法拉第磁光效应，然后将施加磁场前后的复合光涡旋光束反射至检测单元；检测单元用于探测来自晶体传感单元的施加磁场前后的复合光涡旋光束的光强分布，并计算加磁场前后光斑的偏转角，然后利用检测单元的数据处理模块和检测单元外联的上位机，通过对光斑的偏转度的大小计算，对应所加电流的大小，从而实现对电流的传感检测。