基于NOD晶体电光效应的闪电电场传感器

作者:   发布时间:2014/6/27 10:28:38   浏览次数:2560

基于NOD晶体电光效应的闪电电场传感器

闪电电场包含了闪电的很多信息，通过对闪电电场的测量可以更好地了解闪电的发生发展过程，研究闪电放电过程中的电荷传输的幅度和极性，了解闪电现象的物理特征。为雷电防护、雷电探测、雷电定位提供理论依据。传统的大气电场测量方法在实际应用中表现出诸多缺点，如体积大、易受电磁干扰、测量带宽窄等，长期的机械磨损也将导致测量误差的产生。考虑到传统大气电场传感器的局限性，针对实际应用，人们提出了光学电场传感器的概念。与传统的传感器相比，光学电场传感器具有较强的抗电磁干扰性，信号衰减小，测量频带宽，灵敏度高，文献[1]在研究分析Pockels效应原理的基础上，提出了应用Pockels效应来测量大气电场的方法。对晶体、光源的选择及传感器设计中出现的问题进行分析，设计了一种基于BGO晶体Pockels效应原理的脉冲电场传感器。考虑到传感器的成本，选用硅酸秘晶体(Bi12SiO20，NOD)晶体代替BGO晶体。NOD量一种兼有多种物理效应的功能性晶体。在国外，NOD晶体已
成功地应用于高电压和强电流的测量，国内已有对NOD晶体的电光效应、磁光效应、旋光特性及光电导特性的研究。
NOD晶体具有较强的线性电光效应和光电导效应，同时还兼有压电、声光效应和旋光等性质，可用于空间光调制器和传感器等研究领域。NOD晶体原料成本低、机械性能和化学稳定性高，是一种很有发展前途的闪烁材料。水热法生长的NOD晶体光学均匀性好，应力小，不潮解，没有光折变，没有光电导效应，这些是它代替BGO晶体的很大优势。但由于其旋光效应的影响，使其在光纤电压电流传感器中的应用受到了限制。
文献[8]指出：通过在晶体中掺杂铝、磷、钪、钽等元素可降低晶体的旋光性，掺铝元素后，晶体的旋光率会随入射光波长增加而降低3%-8%，掺钪元素后，晶体的旋光率会随波长的增加而降低20%，然而这种方法在降低旋光率的同时有可能又会带来光折变和光电导等效应。文献[9]指出：采用回旋偏光装置排除晶体的旋光性，通过机械结构控制光纤探头在X方向扫描就可定性测量出样品光学均匀性的好坏。文献[IO]研究了硅酸镓镧(La3Ga5 Si014，LGS)晶体的电致旋光特性，理论分析表明，当考察IGS晶体光轴方向时，电致旋光不会改变旋光率的大小。文中实验采用了“椭圆分析仪”方法，同时得出了旋光率和电光效应引起的相位差随电场的变化关系，证明了随电场变化，旋光率几乎不变的结论。
文中对NOD晶体中电光效应和旋光效应对光的偏振态影响进行研究，推导出光透过处于外加电场中的NOD晶体后光强的表达式，研究NOD晶体旋光性对电光效应应用的影响，通过理论分析提出消除旋光效应的方法。在此基础上提出利用NOD晶体研制光纤闪电电场传感器的设计方法，给出测量系统的整体结构组成，并对闪电电场传感器的输出特性进行模拟仿真。
1 NOD晶体的旋光性对其电光效应应用的影响
所谓旋光性是指单色平面偏振光沿光轴方向通过晶体后，其偏振面会发生转动，转动的角度与晶片的厚度成正比。旋光晶体中光的偏振面的旋转是相对于波矢量k而言的，迎着光线看去，偏振面沿顺时针方向旋转者，称为右旋；偏振面沿逆时针方向旋转者，称为左旋。
经过起偏器的一束平面偏振光，通过旋光晶体NOD后，其偏振面旋转了一定的角度，经检偏器后，由光电转换元件将光信号转变为电信号。A0为入射至旋光晶体的平面偏振光的振幅；a为出射于旋光晶体的平面偏振光的振动方向与检偏器所允许通过的偏振光的振动方向（以下简称检偏器的振动方向）之间的夹角。

基于NOD晶体电光效应的闪电电场传感器
根据菲涅耳的旋光理论，任何一束平面偏振光入射旋光晶体时，都会被分解为频率相同、振幅相同、初始相位相同、方向相反的2个圆偏振光，分别称为右旋圆偏振光和左旋圆偏振光。这两束偏振光在晶体中具有不同的折射率，因此当它们在NOD晶体中传播了一定距离后，由于两者的速度不同，从而有了一定的相位差，这时两个圆偏振光合成后的平面偏振光的振动面相对于入射到晶体时转过了一定角度。
如果将检偏器与起偏器所允许通过的平面偏振光的振动方向一致时作为参考点，口为检偏器所允许通过的平面偏振光的振动方向与起偏器所允许通过的平面偏振光的振动方向之间的夹角，妒为平面偏振光通过旋光晶体后转过的角度，括号内的第一项可通过转动检偏器改变，第二项是两个圆偏振光的双折射引起的两束光的相位差，这一项是晶
体旋光性对偏光干涉出射发光强度，大小的贡献。这时，如果在晶体的一定方向加电场，由于旋光晶体具有电光效应，同样使得旋光晶体有双折射产生。如：在旋光晶体BS0的z方向加电场，沿光轴方向通光，旋光晶体丙个圆偏振光产生的双折射相比较，电光效应产生的双折射是在两个互相垂直的方向上。同时考虑电光效应和旋光效应的影响。根据经典的电磁学理论，当一束线性偏振光沿光轴方向入射到处于电场中的旋光晶体时，会分解成两束方向相反的椭圆偏振光。两柬椭圆光的椭圆度相同，长轴方向正交。 从以上看不到电光效应所引起的折射率感应主轴（通常称为电感应主轴）方向与检偏器振动方向之间有角度关系，这说明出射发光强度，与电光效应所引起的折射率感应主轴的方向无关。因此，依理论而言，只要调整起偏器与检偏器的夹角就可排除旋光效应，这与文献[16]得出的结论相一致。
2基于NOD晶体的光纤电压电场传感器的设计
2.1传感头原理与结构
图2给出了NOD晶体光纤闪电电场传感器传感头的原理与结构，由准直透镜、起偏器、NOD晶体、1/4波片和检偏
器构成。在不考虑NOD晶体旋光效应的情况下，光源发出的光由光纤传输，经准直透镜准直通过起偏器后，变成线偏振光，再由1/4渡片将线偏振光变成圆偏振光，由于加在NOD晶体上的电场的作用，这个圆偏振光又变成椭圆偏振光，该椭圆偏振光是由2束电位移矢量互相垂直的线偏振光组成，由于它们在晶体中的传播速度不同，则出射时就有一定的相位差，该相位差与所测电场成正比。通过一个检偏器使其产生偏振光干涉，把相位调制的光变成了振幅调制的光，再经过光电转换电路，放大电路进行处理，输出显示。根据前面的推论，在设计传感器传感头时，首先调整检偏器和起偏器正交，此时未加晶体且装置处于消光状态。然后加上晶体，检偏器后有光输出。蚍时再旋转检偏器，使装置再次处于消光状态。在晶体的长度和光波长都一定的的情况下，采用这样的方法即可消除NOD晶体的旋光性对其电光效应带来的影响。
2.2传撼器系统组成
图3为NOD晶体光纤电压电场传感器系统框图，整个系统包括：He - Ne激光器、晶体传感探头、数据采集与处理电路。He - Ne激光器发出的光经石英多模光纤传输至传感头，受被测电压或电场调制后的光通过光纤到达光电转换电路O/E，o/E转换的电流通过I/V转换器转化成放大的电压信号，送示波器显示。为了消除入射光光强漂移带来的误差，这里利用分束器分出一束光，以对入射光进行监控，尽可能减小能量的变化和方向漂移。

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