ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ И НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК G01R13/40 

Изобретение касается создания приборов для измерения напряженности электрического поля и напряжения.

Известно волоконно-оптическое устройство [1], состоящее из источника излучения и фотоприемника, оптически связанных с датчиком из электрического материала в виде планарного световода на основе, например, Ti : LiNbO₃ с нанесенными на его поверхность электродами. Ориентация электрооптического материала такова, что при подаче на электроды напряжения уменьшается показатель преломления области световода, расположенной между электродами. Падающий на эту область луч претерпевает полное внутреннее отражение. Изменение интенсивности света регистрируется фотоприемником.

Известно волоконно-оптическое устройство на основе электрооптического эффекта Поккельса, содержащее излучатель и фотоприемник, оптически связанные посредством волоконных световодов с датчиком, состоящим из поляризатора, чувствительного элемента и анализатора. Линейно поляризованный свет после поляризатора падает на электрооптический кристалл, в котором пропорционально величине приложенного электрического напряжения возникает поворот плоскости поляризации, в результате после анализатора свет оказывается амплитудно модулированным пропорционально приложенному к кристаллу напряжению, а фотоприемник регистрирует изменение интенсивности света.

Перечисленные аналоги имеют наиболее удобную структуру, представляющую собой излучатель, с выхода которого излучение подводится по передающему волоконному световоду к датчику, включающему модулирующий элемент и с выхода которого по приемному волоконному световоду промодулированное излучение поступает на фотоприемник.

Недостатками таких устройств являются наличие модовой и хроматической дисперсии в тракте передачи, трудности согласования передающего и приемного световодов с модулирующим элементом, наличие ярко выраженной зависимости модуляционных характеристик от температуры.

Известно устройство для измерения напряженности электрического поля и напряжения [2] , выбранное в качестве прототипа, которое содержит источник монохроматического света, модулирующий элемент, выполненный из электрооптического монокристалла с сформированной на нем регулярной доменной структурой, на противоположные грани модулирующего элемента нанесены плоские электроды, после модулирующего элемента размещена диафрагма, центр которой совпадает с осью светового пучка. Через диафрагму проходит только первый дифракционный максимум. Интенсивность света, прошедшего через диафрагму, регистрируется фотоприемником.

Недостатками такого устройства являются низкая чувствительность, определяемая длиной пути луча в кристалле модулирующего элемента, недостаточная достоверность измерения, определяемая характеристиками среды распространения светового излучения от передатчика до приемника, непригодность прототипа для измерений при значительном удалении модулирующего элемента от источника и приемника излучения.

Целью изобретения является повышение достоверности измерений за счет введения дополнительного измерительного канала, отличающегося от основного длиной λ волны оптической несущей, повышение чувствительности измерительного датчика и увеличение полосы пропускания измерителя.

Это достигается тем, что волоконно-оптический измеритель содержит источник излучения и фотоприемник, между которыми расположен датчик с модулирующим элементом, выполненным из электрооптического монокристалла, в котором сформирована регулярная доменная структура, на две противоположные грани которого, перпендикулярные осям доменов, нанесены плоские электроды, установленные между четырех диафрагм.

Использование двухволнового излучателя с длинами волн λ₁ и λ₂ , фотоприемника, пространственно разделяющего световые потоки с длинами волн λ₁ и λ₂ посредством голографической дифракционной решетки, сформированной в стеклянном блоке, на два фотодиода p-i-n-типа, сформированных в этом же блоке и электрически соединенных с блоком обработки сигналов, датчика, в котором перед модулирующим элементом установлено интерференционное устройство разделения каналов на два идентичных измерительных плеча и γ -объединитель, позволяет повысить достоверность измерений. Применение в датчике двух треугольных призм для увеличения пути света в модулирующем элементе обеспечивает повышение чувствительности датчика. Передача излучения к датчику по волоконному световоду с градиентным профилем показателя преломления, применение в датчике микрообъектива и градиентных стержневых линз для фокусировки и формирования световых пучков и вывод промодулированного излучения от датчика по волоконному световоду с градиентным профилем показателя преломления позволяют увеличить широкополосность измерителя.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемый измеритель отличается тем, что источник излучения выполнен двухволновым с длинами волн λ₁ и λ₂ , подводимых по передающему волоконному световоду с градиентным профилем показателя преломления к датчику, на входе которого закреплен микрообъектив с градиентными стержневыми линзами, формирующий световой поток, выходящий из световода на интерференционное устройство разделения каналов на два идентичных измерительных плеча датчика, причем световой поток в первом измерительном плече датчика попадает на градиентную стержневую линзу, расположенную на оптической оси микрообъектива, и формируется ею в виде параллельного пучка, который дифрагирует на расположенном вблизи выходного торца градиентной стержневой линзы модулирующем элементе, за которым на оптической оси микрообъектива расположены первая диафрагма, градиентная стержневая линза и треугольная призма, возвращающая световой поток через градиентную стержневую линзу, расположенную между призмой и модулирующим элементом, на модулирующий элемент, где происходит повторная дифракция, после которой световой поток попадает на волоконно-оптический γ-объединитель через расположенные между ним и модулирующим элементом вторую диафрагму и градиентную стержневую линзу, после чего вводится γ -объединителем вместе со световым потоком, имеющим длину волны λ₂ и прошедшим по второму измерительному плечу в приемный световод, идентичный передающему. Причем на выходе приемного световода установлен фотоприемник, пространственно разделяющий световые потоки с длинами волн λ₁ и λ₂ посредством голографической дифракционной решетки, сформированной в стеклянном блоке, на два фотодиода p-i-n-типа, сформированных в этом же блоке и электрически соединенных с блоком обработки сигналов. Таким образом, предлагаемый измеритель соответствует критерию "новизна" и "существенные отличия". На чертеже представлена конструкция предлагаемого измерителя.

Волоконно-оптический измеритель состоит из двухволнового излучателя 1 с длинами волн, например λ₁ = 0,85 мкм и λ₂ = 1,3 мкм, выполненным, например, на основе полупроводниковых излучателей ИЛПН-204 и ИЛПН-206, передающего волоконного световода 2 с градиентным профилем показателя преломления, например, ОВМГ-01-1, датчика 3, содержащего микрообъектив 4, выполненный на основе градиентных стержневых линз типа "Селфок", на оптической оси которого размещено интерференционное устройство разделения каналов, сформированное в стеклянном блоке из стекла типа К8, на одну грань которого, расположенную под углом 45^о к оптической оси микрообъектива, оптимального для работы многослойного интерференционного фильтра, отклоняющего световой поток с длиной волны λ₂ на 90^о для обеспечения минимума вносимых потерь в проходящий световой поток и минимума переходных помех между оптическими каналами, нанесен интерференционный фильтр 5, выполненный, например, 18-слойным, а на другую нанесено зеркало 22. При этом угол между интерференционным фильтром и зеркалом составляет 90^о для обеспечения параллельности световых потоков с длинами волн λ₁ и λ₂, поступающих на модулирующий элемент, поэтому угол среза этой грани 45^о + 90^о = =135^о к оптической оси микрообъектива. Измеритель также содержит восемь стержневых градиентных линз 6-13 типа "Селфок", модулирующий элемент 14 на основе электрооптического монокристалла, например, LiNbO₃, в котором сформирована регулярная доменная структура и на противоположные грани которого, перпендикулярные осям доменов, нанесены плоские электроды 15, выполненные, например, из серебра, четыре диафрагмы 16-19, две треугольные призмы 20, 21, выполненные, например, из стекла К8, γ -объединитель 23, выполненный, например, сплавным из двух световодов, приемного волоконного световода 24, аналогичного передающему, фотоприемник 25, выполненный в виде стеклянного блока, например, из стекла К8, на одной из граней которого сформирована голографическая дифракционная решетка, а на противоположной грани - два фотодиода p-i-n-типа, электрически соединенные с блоком 26 обработки сигналов, который включает, например, однокаскадный усилитель с истоковым повторителем в качестве согласующего устройства и персональный компьютер типа IBM PC для обработки полученных от датчика сигналов программными методами.

Устройство работает следующим образом.

Генерируемый излучателем 1 свет с длинами волн λ₁ и λ₂ вводится в передающий волоконный световод 2, по которому передается к датчику 3, где поступает на микрообъектив 4, формирующий параллельный пучок, падающий на интерференционный фильтр 5, установленный под углом 45^о к оптической оси микрообъектива 4, где излучение с длиной волны λ₁ поступает на первое измерительное плечо, а излучение с длиной волны λ₂ , отражаясь от зеркала 22, поступает на второе измерительное плечо датчика, идентичное первому. При этом в первом измерительном плече излучение поступает на градиентную стержневую линзу 6, которая фокусирует световой пучок на модулирующем элементе 14. Под действием электрического напряжения, приложенного к электродам 15, происходит изменение показателя преломления Δ n в электрооптическом материале модулирующего элемента. Так как оси соседних доменов направлены навстречу одна другой, то изменения показателя преломления в соседних доменах имеют разные знаки. В результате модулирующий элемент представляет для проходящего через него света дифракционную решетку с периодом, равным периоду доменной структуры, и амплитудой изменения показателя преломления соседних доменов 2 Δ n. Причем интенсивность первого дифракционного максимума пропорциональна квадрату функции Бесселя нулевого порядка
Y_о²(Г), где Г = 2 πΔ nl/ λ ;
λ - длина волны света;
l - длина пути света в кристалле;
Δ n - изменение показателя преломления кристалла под действием приложенного напряжения.

Диафрагма 16 пропускает только ту часть излучения, которая попадает в первый дифракционный максимум, градиентная стержневая линза 7 формирует световой поток, возвращаемый призмой 20 через градиентную стержневую линзу 8, формирующую параллельный пучок на модулирующий элемент 14, где происходит повторная дифракция, первый максимум которой пропускается диафрагмой 17 и вводится градиентной стержневой линзой 9 в γ -объединитель 23, который объединяет световые потоки с длинами волн λ₁ и λ₂, прошедшие по двум идентичным плечам измерителя, и вводит их в приемный волоконный световой 24, по которому излучение подводится к фотоприемнику 25, где происходит пространственное разделение потоков с разными длинами волн λ₁ и λ₂ на два фотодиода. При этом сигналы с фотодиодов поступают на блок обработки сигналов 26, где преобразуются в удобную для снятия информации форму с последующей их обработкой на персональном компьютере IBM PC программными методами.

Изобретение может быть использовано при создании приборов для измерения напряженности электрического поля и напряжения. Цель изобретения - повышение достоверности, чувствительности и точности измерителя. Измеритель содержит двухволновый источник 1 излучения и фотоприемник 25, оптически связанные посредством волоконных световодов 2 с датчиком 3, включающим в себя модулирующий элемент 14 из электрооптического монокристалла, в котором сформирована регулярная доменная структура с осями доменов, перпендикулярными плоскостям электродов 15, нанесенных на две противоположные грани этого элемента, диафрагмы, микрообъектив 4, на оптической оси которого размещено интерференционное устройство разделения каналов с разными длинами волн на два идентичных измерительных плеча, сформированное в стеклянном блоке, на одну грань которого, расположенную под углом 45° к оптической оси объектива, нанесен многослойный интерференционный светофильтр 5, а на другой грани, срезанной под углом 135° к оптической оси микрообъектива 4, выполнено зеркало 22. Измерительное плечо составляют оптически связанные четыре градиентные стержневые линзы 6 - 9, модулирующий элемент и треугольная призма 20, первое и второе измерительное плечо оптически связаны с фотоприемником 25 через ϒ-объединитель и приемный волоконный световод с градиентным профилем показателя преломления, идентичный передающему волоконному световоду, связывающему излучатель с датчиком. При этом фотоприемник 25 выполнен в виде стеклянного блока, на одну из граней которого нанесена голографическая дифракционная решетка пространственного разделения световых потоков с разными длинами волн, а на противоположной грани сформированы два фотоприемника p-i-n-типа электрически связанных с блоком обработки сигналов. Датчик измерителя выполнен полностью из диэлектрических материалов, имеет малые массогабаритные характеристики, допускает интегральное исполнение. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ И НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий источник излучения и фотоприемник, оптически связанные с датчиком, включающим в себя модулирующий элемент, выполненный из электрооптического монокристалла, в котором сформирована регулярная доменная структура с осями доменов, перпендикулярными к плоскостям электродов, нанесенных на две противоположные грани этого элемента и первую диафрагму, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и чувствительности, источник излучения выполнен двухволновым с длинами волн λ₁ и λ₂ и оптически связанными посредством волоконного световода с датчиком, на входе которого установлен микрообъектив, на оптической оси которого размещено интерференционное устройство разделения каналов на два идентичных измерительных плеча, сформированное в стеклянном блоке, на одну грань которого, расположенную под углом 45^o к оптической оси микрообъектива, нанесен интерференционный многослойный светофильтр, а на другой грани, срезанной под углом 135^o к оптической оси микрообъектива, выполнено зеркало, при этом каждое измерительное плечо содержит оптически связанные первую стержневую линзу, модулирующий элемент, первую диафрагму, вторую стержневую линзу, треугольную призму, третью и четвертую стержневые линзы и вторую диафрагму, оба измерительных плеча оптически связаны с фотоприемником через y-объединитель и приемный волоконный световод, а фотоприемник выполнен в виде стеклянного блока, на одну грань которого нанесена голографическая дифракционная решетка пространственного разделения световых потоков с длинами волн λ₁ и λ₂ на два фотодиода pin-типа, которое сформированы на противоположной грани стеклянного блока, причем каждый из фотодиодов электрически соединен с блоком обработки сигналов. 2. Измеритель по п. 1, отличающийся тем, что волоконные светодиоды и стержневые линзы выполнены градиентными.