作者:   發(fā)布時(shí)間:2014/6/27 10:28:38   瀏覽次數(shù):2685

基于NOD晶體電光效應(yīng)的閃電電場(chǎng)傳感器

閃電電場(chǎng)包含了閃電的很多信息，通過對(duì)閃電電場(chǎng)的測(cè)量可以更好地了解閃電的發(fā)生發(fā)展過程，研究閃電放電過程中的電荷傳輸?shù)姆群蜆O性，了解閃電現(xiàn)象的物理特征。為雷電防護(hù)、雷電探測(cè)、雷電定位提供理論依據(jù)。傳統(tǒng)的大氣電場(chǎng)測(cè)量方法在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)出諸多缺點(diǎn)，如體積大、易受電磁干擾、測(cè)量帶寬窄等，長(zhǎng)期的機(jī)械磨損也將導(dǎo)致測(cè)量誤差的產(chǎn)生?？紤]到傳統(tǒng)大氣電場(chǎng)傳感器的局限性，針對(duì)實(shí)際應(yīng)用，人們提出了光學(xué)電場(chǎng)傳感器的概念。與傳統(tǒng)的傳感器相比，光學(xué)電場(chǎng)傳感器具有較強(qiáng)的抗電磁干擾性，信號(hào)衰減小，測(cè)量頻帶寬，靈敏度高，文獻(xiàn)[1]在研究分析Pockels效應(yīng)原理的基礎(chǔ)上，提出了應(yīng)用Pockels效應(yīng)來測(cè)量大氣電場(chǎng)的方法。對(duì)晶體、光源的選擇及傳感器設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了一種基于BGO晶體Pockels效應(yīng)原理的脈沖電場(chǎng)傳感器。考慮到傳感器的成本，選用硅酸秘晶體(Bi12SiO20，NOD)晶體代替BGO晶體。NOD量一種兼有多種物理效應(yīng)的功能性晶體。在國(guó)外，NOD晶體已
成功地應(yīng)用于高電壓和強(qiáng)電流的測(cè)量，國(guó)內(nèi)已有對(duì)NOD晶體的電光效應(yīng)、磁光效應(yīng)、旋光特性及光電導(dǎo)特性的研究。
NOD晶體具有較強(qiáng)的線性電光效應(yīng)和光電導(dǎo)效應(yīng)，同時(shí)還兼有壓電、聲光效應(yīng)和旋光等性質(zhì)，可用于空間光調(diào)制器和傳感器等研究領(lǐng)域。NOD晶體原料成本低、機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性高，是一種很有發(fā)展前途的閃爍材料。水熱法生長(zhǎng)的NOD晶體光學(xué)均勻性好，應(yīng)力小，不潮解，沒有光折變，沒有光電導(dǎo)效應(yīng)，這些是它代替BGO晶體的很大優(yōu)勢(shì)。但由于其旋光效應(yīng)的影響，使其在光纖電壓電流傳感器中的應(yīng)用受到了限制。
文獻(xiàn)[8]指出：通過在晶體中摻雜鋁、磷、鈧、鉭等元素可降低晶體的旋光性，摻鋁元素后，晶體的旋光率會(huì)隨入射光波長(zhǎng)增加而降低3%-8%，摻鈧元素后，晶體的旋光率會(huì)隨波長(zhǎng)的增加而降低20%，然而這種方法在降低旋光率的同時(shí)有可能又會(huì)帶來光折變和光電導(dǎo)等效應(yīng)。文獻(xiàn)[9]指出：采用回旋偏光裝置排除晶體的旋光性，通過機(jī)械結(jié)構(gòu)控制光纖探頭在X方向掃描就可定性測(cè)量出樣品光學(xué)均勻性的好壞。文獻(xiàn)[IO]研究了硅酸鎵鑭(La3Ga5 Si014，LGS)晶體的電致旋光特性，理論分析表明，當(dāng)考察IGS晶體光軸方向時(shí)，電致旋光不會(huì)改變旋光率的大小。文中實(shí)驗(yàn)采用了“橢圓分析儀”方法，同時(shí)得出了旋光率和電光效應(yīng)引起的相位差隨電場(chǎng)的變化關(guān)系，證明了隨電場(chǎng)變化，旋光率幾乎不變的結(jié)論。
文中對(duì)NOD晶體中電光效應(yīng)和旋光效應(yīng)對(duì)光的偏振態(tài)影響進(jìn)行研究，推導(dǎo)出光透過處于外加電場(chǎng)中的NOD晶體后光強(qiáng)的表達(dá)式，研究NOD晶體旋光性對(duì)電光效應(yīng)應(yīng)用的影響，通過理論分析提出消除旋光效應(yīng)的方法。在此基礎(chǔ)上提出利用NOD晶體研制光纖閃電電場(chǎng)傳感器的設(shè)計(jì)方法，給出測(cè)量系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)組成，并對(duì)閃電電場(chǎng)傳感器的輸出特性進(jìn)行模擬仿真。
1 NOD晶體的旋光性對(duì)其電光效應(yīng)應(yīng)用的影響
所謂旋光性是指單色平面偏振光沿光軸方向通過晶體后，其偏振面會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)的角度與晶片的厚度成正比。旋光晶體中光的偏振面的旋轉(zhuǎn)是相對(duì)于波矢量k而言的，迎著光線看去，偏振面沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)者，稱為右旋；偏振面沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)者，稱為左旋。
經(jīng)過起偏器的一束平面偏振光，通過旋光晶體NOD后，其偏振面旋轉(zhuǎn)了一定的角度，經(jīng)檢偏器后，由光電轉(zhuǎn)換元件將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。A0為入射至旋光晶體的平面偏振光的振幅；a為出射于旋光晶體的平面偏振光的振動(dòng)方向與檢偏器所允許通過的偏振光的振動(dòng)方向（以下簡(jiǎn)稱檢偏器的振動(dòng)方向）之間的夾角。

基于NOD晶體電光效應(yīng)的閃電電場(chǎng)傳感器
根據(jù)菲涅耳的旋光理論，任何一束平面偏振光入射旋光晶體時(shí)，都會(huì)被分解為頻率相同、振幅相同、初始相位相同、方向相反的2個(gè)圓偏振光，分別稱為右旋圓偏振光和左旋圓偏振光。這兩束偏振光在晶體中具有不同的折射率，因此當(dāng)它們?cè)贜OD晶體中傳播了一定距離后，由于兩者的速度不同，從而有了一定的相位差，這時(shí)兩個(gè)圓偏振光合成后的平面偏振光的振動(dòng)面相對(duì)于入射到晶體時(shí)轉(zhuǎn)過了一定角度。
如果將檢偏器與起偏器所允許通過的平面偏振光的振動(dòng)方向一致時(shí)作為參考點(diǎn)，口為檢偏器所允許通過的平面偏振光的振動(dòng)方向與起偏器所允許通過的平面偏振光的振動(dòng)方向之間的夾角，妒為平面偏振光通過旋光晶體后轉(zhuǎn)過的角度，括號(hào)內(nèi)的第一項(xiàng)可通過轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器改變，第二項(xiàng)是兩個(gè)圓偏振光的雙折射引起的兩束光的相位差，這一項(xiàng)是晶
體旋光性對(duì)偏光干涉出射發(fā)光強(qiáng)度，大小的貢獻(xiàn)。這時(shí)，如果在晶體的一定方向加電場(chǎng)，由于旋光晶體具有電光效應(yīng)，同樣使得旋光晶體有雙折射產(chǎn)生。如：在旋光晶體BS0的z方向加電場(chǎng)，沿光軸方向通光，旋光晶體丙個(gè)圓偏振光產(chǎn)生的雙折射相比較，電光效應(yīng)產(chǎn)生的雙折射是在兩個(gè)互相垂直的方向上。同時(shí)考慮電光效應(yīng)和旋光效應(yīng)的影響。根據(jù)經(jīng)典的電磁學(xué)理論，當(dāng)一束線性偏振光沿光軸方向入射到處于電場(chǎng)中的旋光晶體時(shí)，會(huì)分解成兩束方向相反的橢圓偏振光。兩柬橢圓光的橢圓度相同，長(zhǎng)軸方向正交。 從以上看不到電光效應(yīng)所引起的折射率感應(yīng)主軸（通常稱為電感應(yīng)主軸）方向與檢偏器振動(dòng)方向之間有角度關(guān)系，這說明出射發(fā)光強(qiáng)度，與電光效應(yīng)所引起的折射率感應(yīng)主軸的方向無關(guān)。因此，依理論而言，只要調(diào)整起偏器與檢偏器的夾角就可排除旋光效應(yīng)，這與文獻(xiàn)[16]得出的結(jié)論相一致。
2基于NOD晶體的光纖電壓電場(chǎng)傳感器的設(shè)計(jì)
2.1傳感頭原理與結(jié)構(gòu)
圖2給出了NOD晶體光纖閃電電場(chǎng)傳感器傳感頭的原理與結(jié)構(gòu)，由準(zhǔn)直透鏡、起偏器、NOD晶體、1/4波片和檢偏
器構(gòu)成。在不考慮NOD晶體旋光效應(yīng)的情況下，光源發(fā)出的光由光纖傳輸，經(jīng)準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直通過起偏器后，變成線偏振光，再由1/4渡片將線偏振光變成圓偏振光，由于加在NOD晶體上的電場(chǎng)的作用，這個(gè)圓偏振光又變成橢圓偏振光，該橢圓偏振光是由2束電位移矢量互相垂直的線偏振光組成，由于它們?cè)诰w中的傳播速度不同，則出射時(shí)就有一定的相位差，該相位差與所測(cè)電場(chǎng)成正比。通過一個(gè)檢偏器使其產(chǎn)生偏振光干涉，把相位調(diào)制的光變成了振幅調(diào)制的光，再經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換電路，放大電路進(jìn)行處理，輸出顯示。根據(jù)前面的推論，在設(shè)計(jì)傳感器傳感頭時(shí)，首先調(diào)整檢偏器和起偏器正交，此時(shí)未加晶體且裝置處于消光狀態(tài)。然后加上晶體，檢偏器后有光輸出。蚍時(shí)再旋轉(zhuǎn)檢偏器，使裝置再次處于消光狀態(tài)。在晶體的長(zhǎng)度和光波長(zhǎng)都一定的的情況下，采用這樣的方法即可消除NOD晶體的旋光性對(duì)其電光效應(yīng)帶來的影響。
2.2傳撼器系統(tǒng)組成
圖3為NOD晶體光纖電壓電場(chǎng)傳感器系統(tǒng)框圖，整個(gè)系統(tǒng)包括：He - Ne激光器、晶體傳感探頭、數(shù)據(jù)采集與處理電路。He - Ne激光器發(fā)出的光經(jīng)石英多模光纖傳輸至傳感頭，受被測(cè)電壓或電場(chǎng)調(diào)制后的光通過光纖到達(dá)光電轉(zhuǎn)換電路O/E，o/E轉(zhuǎn)換的電流通過I/V轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化成放大的電壓信號(hào)，送示波器顯示。為了消除入射光光強(qiáng)漂移帶來的誤差，這里利用分束器分出一束光，以對(duì)入射光進(jìn)行監(jiān)控，盡可能減小能量的變化和方向漂移。

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