Научная статья на тему 'Волоконно-оптический датчик напряженности электрического поля'

Волоконно-оптический датчик напряженности электрического поля Текст научной статьи по специальности «Физика»

CC BY
790
131
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Область наук
Ключевые слова
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК / СИЛЛЕНИТ / ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Бурков В. Д., Мамедов А. М., Потапов В. Т., Потапов Т. В., Удалов М. Е.

Бурков В.Д., Потапов В.Т., Потапов Т.В., Удалов М.Е., Мамедов А.М. ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ. В работе описан волоконно-оптический датчик напряженности электрического поля на основе кристалла со структурой силленита на основе линейного электрооптического эффекта Поккельса. Чувствительность датчика составляет 0,1 В/см/Гц0,5 и время отклика 10-7 с.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Бурков В. Д., Мамедов А. М., Потапов В. Т., Потапов Т. В., Удалов М. Е.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Burkov V.D., Potapov V.T., Potapov T.V., Udalov M.E., Mamedov A.M. LECTRIC FIELD FIBER-OPTIC SENSOR. Fiber optic sensor for measurement of strength electric field is using silicate and germаnate bismuth crystals as sensing element is described. The function of this sensing elements based on the linear electro optic Pockels effect. The sensor has sensibility about 0,1 V/sm/Hz0,5 and time rise 10-7 sec.

Текст научной работы на тему «Волоконно-оптический датчик напряженности электрического поля»

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК НАПРЯЖЕННОСТИ

ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ

В.Д. БУРКОВ, проф. каф. проектирования и технологии пр-ва приборовМГУЛ, д-р техн. наук,

A. М. МАМЕДОВ, ст. науч. сотр. ИРЭ РАН,

B. Т. ПОТАПОВ, проф. ИРЭ РАН, д-р тех. наук,

ТВ. ПОТАПОВ, ст. науч. сотр. ИРЭ РАН, канд. физ.-мат. наук,

М.Е. УДАЛОВ, доц. каф. проектирования и технологии пр-ва приборов МГУЛ, канд. техн. наук

Проблема бесконтактных измерений напряженности электрического поля является весьма актуальной. Такие измерения необходимы при дистанционном контроле мощных энергетических установок, параметров ЛЭП, СВЧ трактов и антенн. При этом необходимо, чтобы чувствительный элемент или первичный преобразователь датчика вносил минимальное искажение в структуру распределения поля, был пассивным (т.е. не требовал наличия электрического питания в зоне измерений), миниатюрным и обеспечивал гальваническую разрядку между зоной измерения и регистрирующей аппаратурой. Таким условиям удовлетворяют волоконно-оптические датчики (ВОД), в которых в качестве чувствительных элементов (ЧЭ) используются кристаллы со структурой силленита, такие как Bi12SiO20 или Bi2GeO20 [1-2].

В данной работе приведены результаты исследования такого ВОД.

Принцип действия ВОД основан на линейном электрооптическом эффекте Пок-кельса, т.е. электрооптическая модуляция световой волны осуществляется вследствие

преобразования линейно поляризованного света в эллиптически поляризованный. На рис. 1 приведена оптическая схема ЧЭ. В данном случае используется продольный эффект Поккельса, когда электрическое поле направлено в кристалле вдоль оси [001] параллельно направлению распространения света.

Линейный электрооптический эффект в кристаллах со структурой силленита характеризуется рядом особенностей. Во-первых, он реализуется в условиях значительной оптической активности; во-вторых, в определенных ориентациях может сопровождаться эффектом электрогирации. Теоретический анализ [3] показывает, что при ориентации поля в кристалле вдоль кристаллографической оси [001] направляющие косинусы тензора гирации равны нулю. С другой стороны, при ориентации светового луча вдоль оси [001] в кристалле реализуется продольный ЭО эффект, допускающий амплитудную модуляцию света [4]. Дальнейшее рассмотрение относится именно к такой ориентации, поэтому эффект электро-гирации не учитывается.

Е

-----------►

(внешнее электрическое поле)

Свет

-------►

Интенсивность

I

12 3 4

Рис. 1. Схема чувствительного элемента: 1 - поляризатор; 2 - фазовая пластина; 3 - кристалл Bi12SiO20 ; 4 - анализатор; E. = к ■ E, где к - коэффициент преобразования внешнего поля Е в поле внутри кристалла E. , которое определяется электрической проницаемостью Bi12SiO20 и геометрии кристалла

E,

130

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2008

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

Рис. 2. Ориентация эллипса поляризации на выходе кристалла Bi12SiO20.

Рассмотрим вопрос о модуляции света в кристаллах Bi12SiO20 в продольном электрическом поле. Решение уравнения Максвелла для плоской световой волны, нормально падающей на анизотропный оптически активный кристалл вдоль оси [001], показывает, что в кристалле могут распространяться две ортогональные (по Эрмиту) эллиптические поляризованные собственные волны. При этом главные оси эллипсов поляризации собственных волн совпадают с наведенным полем главными осями х’ и у’ двумерного тензора диэлектрической проницаемости без учета пространственной дисперсии. С этими осями, повернутыми относительно кристаллографических осей х и у на 450 в плоскости хоу , связываем лабораторную систему координат (рис. 2).

Далее проводя преобразования и решая дисперсионное уравнение, получим выражение для матрицы Джонса.

Т=

m- z. . ДВ . m- z. 2-9 . m-z.

cos(—)—-----sin^-)-------sm(—)

2 m 2 m 2

2-9 . m-z. m• z. ДВ . m-z.

---sin(--) cos(----)+г---sin(--)

m 2 2 m 2

где

m=,1(Д В)2 +(2-9)2

- нормированная разность фаз собственных волн;

ДВ=Т-

1-Г41 - Ег

- параметр линейного двулучепреломления

(ЛДП).

Известно, что решение на основе матрицы Джонса обладает полнотой: любому

входному состоянию однозначно ставится в соответствие состояние в произвольной плоскости z = z’. Действие внешнего электрического поля определяем, анализируя состояние поляризации на входе в случае падения на кристалл линейнополяризованной волны.

В этом случае в оптимальной рабочей точке, а именно когда поляризатор и анализатор установлены под углом ф = п/4 и ©•/ = (п/2)^(1 + 2л),

анализ дает следующее выражение для интенсивности света I на выходе кристалла :

I

1+

^ЧЧ-Ег.^ |х

xsin(2 - ф-0 - /)

(1)

где I0 - интенсивность света на входе кристалла;

X - длина волны света;

л0 и r - коэффициент преломления и электрооптический коэффициент Bi12SiO20 соответственно;

Ег- напряженность электрического поля в кристалле (Е.« Е);

9 - оптическая активность Bi12SiO20 ;

l - длина кристалла;

ф - угол между осями поляризатора и анализатора.

На рис.3. приведена конструкция чувствительного элемента ВОД напряженности электрического поля.

Блок-схема экспериментальной установки, на которой производились исследования ВОД напряженности электрического поля, приведена на рис. 4.

Чувствительный элемент ВОД, длина кристалла BSO в котором составила l = 8 мм, располагался, как показано на рис. 4, между двумя плоскими электродами, расположенными на расстоянии 12 мм один от другого. Кристалл BSO полностью находился внутри зазора между пластинами.

На электроды с модулятора подавалась периодическая последовательность прямоугольных импульсов напряжения величиной до 300В. Частота повторения и длительность импульсов задавались генератором Г 5-58 и составляли 100 кГц и 2 мксек, соответственно, а фронт нарастания импульсов составляло ~10-7 с.

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2008

131

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

Свет от источника

Рл

Волоконнооптический вход 5

2'

На ФПУ

Волоконно-

оптический

выход

1'

1

2

3

6

4

Рис. 3. Конструкция однопроходного чувствительного элемента ВОД для измерения напряженности электрического поля: 1 - коллиматор; 2 - поляризатор; 3 - кристалл BGО; 4 - четвертьволновая пластина Х/4; 5 - керамический наконечник коллиматор; 6 - стеклянная оправа; 7 - защитная кварцевая трубка

свет

1 ! ИИ ... .

I l l l l ФПУ * ! ~1Г~

l l l Jt \

Многомодовое оптическое волокно

Г5-54

Рис. 4. Блок-схема экспериментальной установки: 1 - оптоэлектронный блок; 2 - чувствительный элемент (ЧЭ); 3 - медные пластины; ИИ - источник оптического излучения; ФПУ - фотоприемное устройство; Г5-54 - генератор прямоугольных импульсов

Немодулированное оптическое излучение с длиной волны х = 0,83мкм от светодиода по многомодовому оптическому волокну поступало на чувствительный элемент, где осуществлялась его модуляция электрическим полем, и далее регистрировалось фотоприемным устройством и анализировалось на осциллографе Tektronix.

При величине напряжения на электродах, равном 300 В, отношение сигнал/шум в схеме составило ~5. При полосе частот фотоприемного устройства равной = 5-105 Гц, величина пороговой чувствительности по полю составила E = 100мВ/см/ 4Гц . Это значение

пор У '

примерно в 4 раза превышает величину расчета пороговой чувствительности, полученную из выражения (1) и равную = 24мВ/см/уГц .

Быстродействие датчика определяется полосой фотоприемного устройства и составляет ~10"7с. Так как инерционность эффекта Поккельса составляет ~10_12с. То применение более широкополосных ФПУ позволит созда-

вать ВОД со значительным более высоким быстродействием.

Таким образом реализован ВОД напряженности электрического поля с чувствительностью ~0,1 В/см/д/Гц и быстродействие до 10-7с, которое определялось полосой ФПУ; габариты чувствительного элемента составляют: длина ~ 6 см, диаметр = 6 мм, длина волоконно-оптического тракта ~ 60 м.

Библиографический список

1. Окоси, Т. Волоконно-оптические датчики / Т. Окоси и др.; пер. с японского. - Л.: Энергоатомиздат. - 1990.

2. Optical fiber sensors: system and applications, ed. B Culshow and Y. Dakin, v. 2, 1989, Boston, M.A., Artech House

3. Feldman A. «Faraday Rotation in BSO, Appl. Phys. Lett., 1970,12, №5, p. 2001-2002.

4. V.V.Kutzaenko V.K. Gоrchakov , VT. Potapov «Electrooptical and magnetooptical effects in Bismuth silicate crystals and optical polarization sensors» Intern. Journ. Optoelectronics, 1990 г., v. 5, №3, pp. 235-250.

132

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2008

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.