反射式光学电压互感器光路建模及偏振误差分析

光路系统的偏振误差极大地制约着准互易反射式光学电压互感器的准确度.借助琼斯矩阵,建立了分立光学器件及光纤熔接点的传输模型,推导出完整的电压互感器光路系统的数学模型.以此模型为基础,对电压互感器中的偏振误差进行了仿真分析.结果表明:光源偏振度、起偏器消光比及起偏器与相位调制器的对轴角度主要影响系统的检测灵敏度;法拉第准直...     

Sagnac型光学电压互感器传感单元非线性误差分析与抑制

基于Pockels效应的Sagnac型光学电压互感器的传感单元是由法拉第准直旋光器和BGO晶体构成,其中由偏振串扰引入的非线性误差是影响互感器测量精度及稳定性的主要误差来源。为了抑制传感单元存在的非线性误差,从主要光路器件及器件间的耦合点中分析产生偏振串扰的非理想耦合点及耦合机理,并提取表征该耦合点的误差特征参量,建立各非理想耦合点的传输模型,由此推导由传感单元偏振串扰引入的非线性误差模型,数值仿真并实验验证非理想偏振耦合对互感器性能的影响。在此基础上,提出了由BGO晶体敏感环境振动、温度波动等产生的非线性误差的抑制方法,实验结果验证了抑制方法的有效性。     

反射式电光调制非互易相位调制器设计

基于反射式电光相位调制原理与偏振器、法拉第旋光器结合,提出了一种用于光纤环形干涉仪的非互易相位调制方案.其结构利用铌酸锂晶体不同切向电光特性,构成环形干涉仪上顺逆两束可调相位干涉信号,特别是引入信号能量损耗较小的全反射棱镜,实现非互易相位调制,有效降低了相位调制器半波电压.实验测得反射(调制两次)结构相位调制半波电压比...     

一种完整测量膜片法拉第效应和损耗的方法

提出了一种能完整测量零锁区激光陀螺法拉第偏频组件中旋光膜片的法拉第旋光效应和超低损耗的方法和自动测量系统.该方法利用双光路正交分解平衡测量原理,通过测量两束光光强平衡时起偏器的偏振方向来确定旋光膜片的法拉第转角和超低损耗.测量结果表明：系统对法拉第转角的测量分辨率小于0.9″,损耗测量分辨率为10 ppm.环境温度的波动对法拉第转角的测量变化很小,但对膜片超低损耗测量影响很大,温度变化8.1 K,膜片损耗测量值变化一个周期.实验及结果证明,该系统能满足超高精度测量的要求.     

互易性光学量对FMOCT输出光偏振态的联合影响

提出了用于大电流测量的法拉第镜式光学电流互感器方案.采用琼斯矩阵分析了互易性光学量联合作用对法拉第镜式光学电流互感器输出光偏振态的影响,做了计算机仿真验证；利用椭率概念定量分析了输出偏振光的椭圆退化问题,计算了输出光椭率与互易性光学量的关系；在输出光的椭圆退化问题上与单层保偏膜式光学电流互感器方案进行了对比.结果表明,在互易性光学量联合作用的条件下,法拉第镜式光学电流互感器的输出光仍保持线偏振状态,这将改善由温度引起的互易性光学量变化对系统工作稳定性的影响.     

Bi_(12)GeO_(20)的旋光性和法拉第效应

在4300～8000(?)波长范围研究了Bi_(12)GeO_(20)的旋光性和法拉第效应.分析表明,锗酸铋的旋光频散特性可以用Drude的分子旋光模型来描述.它的较强的法拉第效应使它有可能用于光学非互易器件或偏振旋转器中.     

一种完整测量膜片法拉第效应和损耗的方法

提出了一种能完整测量零锁区激光陀螺法拉第偏频组件中旋光膜片的法拉第旋光效应和超低损耗的方法和自动测量系统.该方法利用双光路正交分解平衡测量原理,通过测量两柬光光强平衡时起偏器的偏振方向来确定旋光膜片的法拉第转角和超低损耗.测量结果表明:系统对法拉第转角的测量分辨率小于0.9",损耗测量分辨率为10 ppm,环境温度的波动对法拉第转角的测量变化很小,但对膜片超低损耗测量影响很大,温度变化8.1 K,膜片损耗测量值变化一个周期.实验及结果证明,该系统能满足超高精度测量的要求.     

法拉第磁光效应与电致旋光效应互补特性实验

利用单块钼酸铅(PbMo_O4,PMO)晶体,实验验证了法拉第磁光效应与电致旋光效应的互补特性.该实验的教学意义在于使学生通过实验理解这两个光学效应的共同本质属性,即它们均属于外场致偏振旋光调制.实验装置主要包括两个偏振器、钼酸铅晶体及其调制电压源和电流源;当将相位相反的交流调制电流和电压同时施加于钼酸铅晶体时,实验观测到磁光调制和电致旋光调制具有相互补偿的特性,其补偿电压约为0.541 kV/A.     

法拉第效应非互易性验证实验中的菲涅耳效应

通过改变入射光的偏振特性和入射角度研究了菲涅耳效应对法拉第效应非互易性观测的影响.实验结果表明:含普通半透半反镜的光路中菲涅耳效应给偏振方向的准确观察带来误差,误差大小由反射界面折射率、入射角以及入射光偏振方向共同决定,结合实验结果,提出了非互易性验证实验的改进方案.     

光谱仪会聚光路中退偏器的设计方法

为了降低光谱仪的偏振敏感度,提出了一种在会聚光路中设计退偏器的方法。该方法首先将系统的望远镜和准直镜视为辅助光路,使得光束的偏振状态可以用Stocks矢量来表示;然后使用Mueller矩阵来表示元件的偏振特性,并推导出了基于Mueller矩阵的系统偏振敏感度模型;最后利用多重多元回归分析来提升Mueller矩阵的计算速度与精度。基于该方法设计了一款放置在会聚光路中的改进型退偏器,系统的偏振敏感度小于1%,像点分裂距离小于8μm,该结果满足设计要求,验证了该方法在会聚光路中设计退偏器的有效性。     

基于BGO晶体的反射型法拉第光纤电流传感器

采用Bi4Ge3O12（BGO）晶体作为传感元件,设计了一种闭合磁环型光纤电流传感器,并对其传感特性进行了理论分析和实验研究.将BGO晶体加工成一带斜面的长方体,并在端面镀金属膜,通过光在晶体中多次临界反射来增大光程以提高测量灵敏度.实验测量得到的法拉第转角与采用倍频法测量的结果符合较好,但与实际结果存在一较大比例系数.对产生该系统误差的主要因素——传感头端面金属膜反射引起的相移及入射角偏离临界角时产生的相移进行了详细地理论分析和数值模拟.结果表明,金属膜反射和偏离临界角引起的相移对测量结果均有较大影响,但输出与作用在传感头上的磁感应强度呈很好的线性关系,可以通过将传感器的测量值乘上一个补偿系数来消除反射相移所产生的误差.     

Quasi-reciprocal reflective optical voltage sensor based on Pockels effect with digital closed-loop detection technique

A novel Pockels effect based optical voltage sensor (OVS) consisting of quasi-reciprocal reflective optical circuit is proposed and demonstrated in this paper. The quasi-reciprocal reflective optical circuit is realized so that a digital closed-loop detection technique adopted from fiber gyroscopes can be introduced to obtain the voltage-induced Pockels phase. Due to the digital closed-loop detection scheme, the proposed OVS is insensitive to the fluctuation of the light intensity and the dynamic range is independent of the half-wave voltage of the Pockels crystal compared to the conventional crystal bulk-type with the light intensity based detection scheme. A prototype of the proposed OVS is designed and evaluated. The calculated results of the electric field distribution show that the maximal measured voltage of the sensing element is up to 15 kV. The dc voltage from 0 to 3000 V and 50 Hz ac voltage from 0 to 5000 V are measured with good linearity. The proposed OVS achieves accuracy within ± 1% and ± 0.44% with the measured dc voltage above 800 V and ac voltage above 500 V, respectively. The influences of the alignment error in the sensing element on the measurement accuracy are also theoretically analyzed and experimentally verified.     

A polarimetric glucose sensor using a liquid-crystal polarization modulator driven by a sinusoidal signal

Rather than using a conventional Faraday modulator, this study adopts a liquid-crystal based rotator to modulate the azimuth of the linear polarized light in a sinusoidal signal for the measurement of glucose concentrations. The tilt angle of the LC director would vary as a sinusoidal-like function; however the modulating frequency in the sensing system is the double of the driving signal. A new signal demodulation algorithm, therefore, is developed that enables the polarization rotation angle corresponding to the glucose concentration to be derived. The standard deviation in rotation angle level of 0.00551° has been obtained, with a 0.998773 correlation coefficient between the reference and the measured values. The proposed measurement method has a minimum resolvable concentration of 0.2 g/dl. Compared to its conventional counterparts, the developed polarimeter potentially has a simpler structure, fewer optical elements, and a cheaper modulator component.     

热稳定法拉第旋转TbYbBiIG磁光单晶及性能

采用高温溶液法，以Ｂｉ２Ｏ３／Ｂ２Ｏ３为助熔剂成功地生长出掺铋复合稀土铁石榴石（ＴｂＹｂＢｉ）３Ｆｅ５Ｏ１２（简称ＴｂＹｂＢｉＩＧ）晶体。晶体外形规则，最大尺寸为７×６×４ｍｍ３，Ｘ射线衍射分析证实，生长的晶体为ＴｂＹｂＢｉＩＧ单相单晶体，扫描电镜能谱分析其组成为Ｔｂ２．０６Ｙｂ０．４６Ｂｉ０．４８Ｆｅ５Ｏ１２。在１．０μｍ～１．７μｍ波段测量出晶体法拉第旋转谱和光吸收谱。当λ＝１．５５μｍ时，在１０°Ｃ～８０°Ｃ温度范围内测得法拉第旋转θＦ的温度系数为ｄθＦ／ｄＴ＝－２．３×１０－２ｄｅｇ·ｍｍ－１Ｋ－１。研究结果表明，ＴｂＹｂＢｉＩＧ单晶体在近红外波段θＦ约为ＹＩＧ单晶的３倍，温度系数小，是制作高性能光隔离器的一种好材料     

电光与磁光效应的互补特性及其传感应用

研究了兼有电光效应和磁光效应的晶体内电光与磁光效应的互补特性及其传感应用. 在光强度调制条件下, 晶体中偏振光波的电光调制与磁光调制具有互相补偿的效果, 从而能够使输出光强度保持为一个固定值. 基于这种互补特性, 提出了一种利用单块闪烁锗酸铋(Bi₄Ge₃O₁₂, BGO)晶体的电光补偿型光学电流(磁场)传感器, 其光学传感单元由两个偏振器和一块平行四边形BGO晶体组成. 该晶体自身能够产生π/2的光学相位偏置, 同时兼用作电流传感和电光补偿元件, 通过控制BGO晶体的外加电压, 能够实时补偿被测电流(磁场)变化引起的磁光旋转角和输出光强度的变化, 从而实现电流(磁场)的闭环光学测量. 实验测量了5.0 A范围内的工频交流电流, 所需要的电光补偿电压约为21.2 V/A, 补偿电压与被测电流之间具有良好的线性关系, 其非线性误差低于1.7%.     

双视场柔性切换成像系统设计

针对光电系统视场切换问题,提出柔性切换方案,提高视场切换的速度与精度。根据某光电跟踪装置对光电成像系统小型化、轻型化的要求,设计了双视场一体化同轴、共像面光学系统,利用偏振片的起偏原理,将大小2个视场的光学系统分为俯仰偏振和偏航偏振2个光学通道,再利用液晶旋光（0,90两位置）效应和偏振片检偏原理,对俯仰偏振和偏航偏振2个光学通道进行分时选通（即柔性切换）。测试表明,2个光学通道的（柔性）切换时间只有几个毫秒,是机械式切换的1%左右。实验验证双视场柔性切换成像系统技术方案可行,能满足某光电跟踪系统的要求。