基于NOD晶體電光效應的閃電電場傳感器

基于NOD晶體電光效應的閃電電場傳感器

閃電電場包含了閃電的很多信息，通過對閃電電場的測量可以更好地了解閃電的發生發展過程，研究閃電放電過程中的電荷傳輸的幅度和極性，了解閃電現象的物理特征。為雷電防護、雷電探測、雷電定位提供理論依據。傳統的大氣電場測量方法在實際應用中表現出諸多缺點，如體積大、易受電磁干擾、測量帶寬窄等，長期的機械磨損也將導致測量誤差的產生。考慮到傳統大氣電場傳感器的局限性，針對實際應用，人們提出了光學電場傳感器的概念。與傳統的傳感器相比，光學電場傳感器具有較強的抗電磁干擾性，信號衰減小，測量頻帶寬，靈敏度高，文獻[1]在研究分析Pockels效應原理的基礎上，提出了應用Pockels效應來測量大氣電場的方法。對晶體、光源的選擇及傳感器設計中出現的問題進行分析，設計了一種基于BGO晶體Pockels效應原理的脈沖電場傳感器。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的功能性晶體。在國外，NOD晶體已
成功地應用于高電壓和強電流的測量，國內已有對NOD晶體的電光效應、磁光效應、旋光特性及光電導特性的研究。
NOD晶體具有較強的線性電光效應和光電導效應，同時還兼有壓電、聲光效應和旋光等性質，可用于空間光調制器和傳感器等研究領域。NOD晶體原料成本低、機械性能和化學穩定性高，是一種很有發展前途的閃爍材料。水熱法生長的NOD晶體光學均勻性好，應力小，不潮解，沒有光折變，沒有光電導效應，這些是它代替BGO晶體的很大優勢。但由于其旋光效應的影響，使其在光纖電壓電流傳感器中的應用受到了限制。
文獻[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，晶體的旋光率會隨入射光波長增加而降低3%-8%，摻鈧元素后，晶體的旋光率會隨波長的增加而降低20%，然而這種方法在降低旋光率的同時有可能又會帶來光折變和光電導等效應。文獻[9]指出：采用回旋偏光裝置排除晶體的旋光性，通過機械結構控制光纖探頭在X方向掃描就可定性測量出樣品光學均勻性的好壞。文獻[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，當考察IGS晶體光軸方向時，電致旋光不會改變旋光率的大小。文中實驗采用了“橢圓分析儀”方法，同時得出了旋光率和電光效應引起的相位差隨電場的變化關系，證明了隨電場變化，旋光率幾乎不變的結論。
文中對NOD晶體中電光效應和旋光效應對光的偏振態影響進行研究，推導出光透過處于外加電場中的NOD晶體后光強的表達式，研究NOD晶體旋光性對電光效應應用的影響，通過理論分析提出消除旋光效應的方法。在此基礎上提出利用NOD晶體研制光纖閃電電場傳感器的設計方法，給出測量系統的整體結構組成，并對閃電電場傳感器的輸出特性進行模擬仿真。
1 NOD晶體的旋光性對其電光效應應用的影響
所謂旋光性是指單色平面偏振光沿光軸方向通過晶體后，其偏振面會發生轉動，轉動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是相對于波矢量k而言的，迎著光線看去，偏振面沿順時針方向旋轉者，稱為右旋；偏振面沿逆時針方向旋轉者，稱為左旋。
經過起偏器的一束平面偏振光，通過旋光晶體NOD后，其偏振面旋轉了一定的角度，經檢偏器后，由光電轉換元件將光信號轉變為電信號。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方向與檢偏器所允許通過的偏振光的振動方向（以下簡稱檢偏器的振動方向）之間的夾角。

基于NOD晶體電光效應的閃電電場傳感器
根據菲涅耳的旋光理論，任何一束平面偏振光入射旋光晶體時，都會被分解為頻率相同、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，因此當它們在NOD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，這時兩個圓偏振光合成后的平面偏振光的振動面相對于入射到晶體時轉過了一定角度。
如果將檢偏器與起偏器所允許通過的平面偏振光的振動方向一致時作為參考點，口為檢偏器所允許通過的平面偏振光的振動方向與起偏器所允許通過的平面偏振光的振動方向之間的夾角，妒為平面偏振光通過旋光晶體后轉過的角度，括號內的第一項可通過轉動檢偏器改變，第二項是兩個圓偏振光的雙折射引起的兩束光的相位差，這一項是晶
體旋光性對偏光干涉出射發光強度，大小的貢獻。這時，如果在晶體的一定方向加電場，由于旋光晶體具有電光效應，同樣使得旋光晶體有雙折射產生。如：在旋光晶體BS0的z方向加電場，沿光軸方向通光，旋光晶體丙個圓偏振光產生的雙折射相比較，電光效應產生的雙折射是在兩個互相垂直的方向上。同時考慮電光效應和旋光效應的影響。根據經典的電磁學理論，當一束線性偏振光沿光軸方向入射到處于電場中的旋光晶體時，會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，長軸方向正交。 從以上看不到電光效應所引起的折射率感應主軸（通常稱為電感應主軸）方向與檢偏器振動方向之間有角度關系，這說明出射發光強度，與電光效應所引起的折射率感應主軸的方向無關。因此，依理論而言，只要調整起偏器與檢偏器的夾角就可排除旋光效應，這與文獻[16]得出的結論相一致。
2基于NOD晶體的光纖電壓電場傳感器的設計
2.1傳感頭原理與結構
圖2給出了NOD晶體光纖閃電電場傳感器傳感頭的原理與結構，由準直透鏡、起偏器、NOD晶體、1/4波片和檢偏
器構成。在不考慮NOD晶體旋光效應的情況下，光源發出的光由光纖傳輸，經準直透鏡準直通過起偏器后，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晶體上的電場的作用，這個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，由于它們在晶體中的傳播速度不同，則出射時就有一定的相位差，該相位差與所測電場成正比。通過一個檢偏器使其產生偏振光干涉，把相位調制的光變成了振幅調制的光，再經過光電轉換電路，放大電路進行處理，輸出顯示。根據前面的推論，在設計傳感器傳感頭時，首先調整檢偏器和起偏器正交，此時未加晶體且裝置處于消光狀態。然后加上晶體，檢偏器后有光輸出。蚍時再旋轉檢偏器，使裝置再次處于消光狀態。在晶體的長度和光波長都一定的的情況下，采用這樣的方法即可消除NOD晶體的旋光性對其電光效應帶來的影響。
2.2傳撼器系統組成
圖3為NOD晶體光纖電壓電場傳感器系統框圖，整個系統包括：He - Ne激光器、晶體傳感探頭、數據采集與處理電路。He - Ne激光器發出的光經石英多模光纖傳輸至傳感頭，受被測電壓或電場調制后的光通過光纖到達光電轉換電路O/E，o/E轉換的電流通過I/V轉換器轉化成放大的電壓信號，送示波器顯示。為了消除入射光光強漂移帶來的誤差，這里利用分束器分出一束光，以對入射光進行監控，盡可能減小能量的變化和方向漂移。

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光電傳感器

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