波长积累效应对光学玻璃电流传感器输出影响的理论分析

在单层保偏膜式光学玻璃电流传感系统中,费尔德(Verdet)常数、线性双折射和反射相移都是光波长的函数即存在色散特性,因此在采用宽带光源时系统中会产生波长积累效应。先给出了三者的色散特性公式,再对其波长积累效应进行理论分析和计算机仿真。研究结果表明,在所考虑的线性双折射和反射相移的量值范围内,波长积累效应对光学玻璃电流传感系统影响甚微,用单色光模型处理宽带系统的做法是合理的与可行的;光源谱宽变化对系统输出的影响小于0.025%,在考虑三者的联合影响时,Verdet常数色散的影响占主导地位,而且整体上系统输出随光源谱宽的增加而有微弱增加。     

宽带源系统中反射相移对BGOCS影响的理论分析

提出了适用于采用具有一定谱宽光源的BGOCT的理论分析方法,对不同光源谱宽通过反射相移的色散对系统输出的影响进行了理论研究.结果表明,光源谱宽在60 nm范围内,宽带系统输出相对单色系统输出变化小于万分之二.在理论研究中若不考虑光源线宽对其他光学参量的影响时,用单色光模型处理宽带系统的做法是合理的与可行的.     

光学电流互感器传感头色散特性对系统灵敏度影响研究

以琼斯矩阵为数学工具,利用理论分析和计算机仿真的方法研究了块状玻璃光学电流互感器传感头的色散特性对系统灵敏度的影响,并进行了实验验证.在光学电流互感器系统中,光源的驱动电流与环境温度改变,都会造成光源峰值波长移动.而在传感头中主要是由单层保偏反射膜的反射相移、光学玻璃的Verdet常数以及光学玻璃内的线性双折射这三个因素的色散特性,使得光学电流互感器的灵敏度随光源波长的变化而改变.研究结果表明,这种色散特性会对输出曲线的尺度因子产生明显的影响.因此,光源的恒温控制与光源驱动电流的恒流控制是必要的.本研究结果可为光学电流互感器的研究设计人员提供有用的参考.     

Joint effect of dispersions of reflection-induced retardance and Verdet constant upon the sensitivity of an optical current sensor

The dispersion properties of the reflection-induced retardance of polarization-preserving reflecting medium layer and the Verdet constant of the ZF-7 optical glass and their joint effect on the sensitivity of a bulk glass optical current sensor are theoretically analyzed taking the Jones’ Matrix as a mathematical tool and using simulation with a computer. The investigation results show that the dispersions will significantly affect the scale factor of the system. Therefore, it is necessary to stabilize the driving current and the ambient temperature of the optical source by some technical means to ensure the wavelength stability. These results might be useful for the researchers and designers working in the optical current sensing techniques area.     

一种大动态范围的磁光电流传感器方案

提出了一种扩大磁光式电流传感器动态范围的方法。磁光式电流传感器是基于法拉第效应和安培环路定律实现电流测量的。由于法拉第旋转角随被测电流周期性增大，测量时只能利用正弦曲线单调变化的部分，因此限制了电流的测量范围。利用光纤维尔德常数随光波长变化这一特性，通过测量两种光波旋转的角度差，获得了大电流的测量值。在正常计量范围内利用单波长数据获得精度较高的计量值，达到扩大传感器测量范围的目的。分析表明，当两波长的维尔德常数相差20％时，电流测量范围可以扩大到单波长时的6倍。采用这种方法可望用一个传感器同时满足电力系统中的计量和保护两种用途。     

Wavelength dependence of the sensitivity of a bulk-glass optical current transformer

The wavelength dependence of the sensitivity of a bulk-glass optical current transformer is theoretically analyzed, simulated numerically and verified experimentally. The results show that the wavelength dependence will cause obvious sensitivity fluctuation of the system because of the existence of the dispersions of the reflection-induced retardance, Verdet constant, and the linear birefringence inside the bulk-glass current sensing head. Therefore, it is necessary to stabilize the driving current and the ambient temperature of the optical source of the sensor or compensate the harmful effects caused by wavelength variation. These results might be useful for researchers and designers working in the optical current transformer techniques area.     

磁光材料Verdet常数贡献性的讨论

Verdet常数是表征材料磁光性能的重要参数,具有波长和温度依赖性.为了更好地分析入射光波长、温度等对Verdet常数的影响机理,从基础理论切入,分析了现有理论的优缺点.结合光的波粒二象性特性,提出了波动跃迁性贡献理论,即法拉第效应是光的波动性作用以及电偶极跃迁作用带来的贡献之和,波动性对偏转角的贡献为正,跃迁性贡献为负.在抗磁性材料中,波动性贡献大于跃迁性贡献,Verdet常数为正;顺磁性材料中,跃迁性贡献远大于波动性贡献,Verdet常数为负.进而分别以典型抗磁性材料重火石玻璃ZF1和顺磁性材料铽镓石榴石为例,并结合相关数据、参数、模型,对理论进行了验证.试验结果表明,在精确描述材料Verdet常数方面,波动跃迁性贡献理论具有一定的优越性.     

磁光非线性光纤中光参量增益的研究

将光纤中磁光效应和非线性效应作为微扰,推导了磁光四波混频的耦合模方程.通过解析解研究了各向同性磁光非线性光纤的参量过程,并指出利用磁光耦合系数的色散特性可以实现四波混频的相位匹配.同时,采用龙格-库塔法分析了在线双折射磁光非线性光纤中,忽略费尔德常量的波长依赖性时,左旋圆偏振光参量增益的磁控特性,指出了实验中采用较高费尔德常量的非线性光纤的必要性.研究表明:1)对于低线双折射磁光非线性光纤,优化双折射大小可以获得最大的参量增益;2)根据参量增益对磁光耦合系数的单调依赖特性,适当选择光纤长度、泵浦功率以及输入导波光的偏振态,可使参量增益的磁可调范围大大提高.     

用于光纤电流传感器的BGO晶体磁光特性研究

在理论分析Bi4Ge3O12（BGO）晶体磁光特性的基础上,利用倍频法测量了不同工作波长下BGO晶体的费尔德常量,获得了与理论相符的实验结果.同时根据BGO晶体费尔德常量随波长的变化关系曲线,通过对该晶体吸收系数的测量,得出了其磁光优值曲线.进而将BGO晶体的磁光特性与光纤电流传感器常用的几种磁光材料作了对比,结果表明BGO晶体适合用于光纤电流传感器.     

保偏膜式光学玻璃电流传感头温度特性理论分析

用理论分析和计算机仿真的方法研究了环境温度变化导致的光源中心波长移动和传感头材料Verdet常量与应力双折射变化对光学电流互感器输出性能的影响.结果表明：环境温度由10℃变化到30℃时,归一化尺度因子降低了1.379%.其中光源中心波长随温度的变化对输出尺度因子的影响大于其他光学参量温度特性的影响.因此,在光学电流互感器设计中,必须采取必要的技术措施减小或补偿传感头温度特性对系统的不利影响.     

高性能大口径顺磁旋光玻璃

旋光玻璃广泛用于激光的调制、偏转、开关和高功率激光系统的隔离器.旋光玻璃的主要性质为费尔德常数.含高顺磁离子的旋光玻璃具有大的费尔德常数,可见区高透过等优点.具有较大磁矩和较低f-d跃迁能隙的顺磁离子铽应具有大的费尔德常数.本工作以高Tb2O3含量的Tb2 O3-B2O3-Al2O3-SiO2为基本系统.研究玻璃的形成;测定了不同Tb3+离子浓度时的费尔德常数,符合线性关系;调整玻璃组成以避免析晶,发展了波长632 nm的费尔德常数为75.1～116.4 rad/(T·m)的TG20,TG28,TG32旋光玻璃系列.建立了10升规模铂坩埚高温熔炉,成形和退火设备.形成口径30 cm旋光玻璃的生产能力.产品的1054 nm光吸收小于0.008 cm-1,1 ns的激光破坏阈值大于8 J/cm2,透过波前畸变小于五分之一波长.所制造的旋光玻璃已用于美国Lawrence Livermore国家实验室,中国"神光Ⅱ"升级,英国Rutherford实验室的Vulcan Laser System和CNRS CEA Luli等高功率激光系统.     

高Tb3+离子含量磁光玻璃的Faraday效应及发光性能

采用高温熔融法制备了高Tb³⁺离子含量的GeO₂-B₂O₃-SiO₂系统磁光玻璃,测试了其Verdet常数和发光性能,探究了玻璃的Faraday效应、发光性能及光学碱度。研究结果表明:Verdet常数和光学碱度均随着Tb₂O₃含量的增加而线性增大,当Tb₂O₃摩尔分数为70%时,Verdet常数达到-5 000 min·T^-1·cm^-1 (632.8 nm),所有磁光玻璃样品随Tb₂O₃含量变化均发出明亮的黄绿光。由于浓度猝灭效应,高Tb₂O₃含量缩短了Tb³⁺离子间距,增强了交叉弛豫效应,降低了发光强度和荧光寿命。     

光源功率衰减对闭环光纤电流互感器变比影响研究

通过分析光源功率、中心波长、传感光纤Verdet常量,以及闭环光纤电流互感器变比之间的关系,结合测试数据,证明了中心波长漂移是光源功率衰减引起闭环互感器变比变化的主要原因.提出了一种通过提取光路干涉结果中直流信息,修正闭环互感器数字输出的方法,实现光源功率衰减引起的互感器变比误差补偿.实验结果表明,在出光功率衰减程度相同的情况下,闭环互感器变比变化量从补偿前的1.53%降低到了补偿后的0.45%.     

高非线性光纤中四波混频的磁控机理研究

将磁光效应和光纤非线性效应作为微扰,采用导波光耦合理论分析了高非线性光纤中导波光发生磁光四波混频的机理;实验测试了磁场对四波混频偏振依赖性的影响,理论分析与实验结果符合.研究表明,当输入的探测光和抽运光为相互正交的线偏振光时,四波混频的磁控效果最为明显,输出的闲频光功率随磁光耦合系数振荡变化,施加适当的外加磁场可使四波混频效率得到进一步提高.选择适当费尔德常数的光纤材料,利用磁光效应对四波混频偏振依赖性的影响,可实现不同范围的磁场测量.     

线性双折射色散对OCS灵敏度影响的理论研究

以琼斯矩阵为数学工具,利用理论分析和计算机仿真的方法研究了线性双折射的色散特性及其对光学电流传感器灵敏度的影响. 在光学电流传感器系统中,光源的驱动电流与环境温度改变,都会造成光源峰值波长移动. 由于光学玻璃材料线性双折射的色散特性,会使光学电流传感器的灵敏度随光源波长的变化而改变. 研究结果表明,线性双折射的色散特性会对输出曲线的尺度因子产生影响,但是影响很小可以忽略. 本研究结果可为光学电流传感器的研究设计人员提供有用的参考.     

反射相移色散对OCS灵敏度影响的理论研究

以琼斯矩阵为数学工具,利用理论分析和计算机仿真的方法研究了单层保偏反射膜反射相移的色散特性及其对光学电流传感器灵敏度的影响.在光学电流传感器系统中,光源的驱动电流与环境温度改变,都会造成光源峰值波长移动.由于反射膜上产生的反射相移的色散特性,会使光学电流传感器的灵敏度随光源波长的变化而改变.研究结果表明,反射相移的色散特性会对输出曲线的尺度因子产生明显的影响.因此,光源的恒温控制与光源驱动电流的恒流控制是必要的. 本研究结果可为光学电流传感器的研究设计人员提供有用的参考.     

磁光玻璃磁致旋光效应的研究

介绍磁致旋光效应和磁光玻璃磁致旋光效应的机理。对ZF1、ZF6磁光玻璃的磁致旋光效应分别进行了实验研究，给出偏振面旋转角与磁感应强度的关系．计算出波长不变情况下不同磁感应强度的费尔德常数。对实验数据进行了处理．并与理论预期值进行了比较．发现理论值与实验结果符合得较好。     

利用法拉第效应测光波波长

基于法拉第效应和柯西色散公式给出了一种新型的测量光波波长的方法。根据旋光角θ与磁感应强度B,获得样品的费尔德常数,再利用费尔德常数与波长的关系计算出光波波长,实现光波波长的测定。研究表明倍频法和消光法测量He-Ne激光器波长的误差分别为3.47%和6.67%,实现了波长较为精确的测量,同时提供了一种新的测量单色光波波长的方法。     

高Verdet常数的Tb~(3+)铝硼硅酸盐玻璃

本文研究了一种铝硼硅酸盐基质玻璃,通过加大单位体积的稀土离子浓度,并选择P值大的顺磁性Tb~(3+)作为弗尔德常数贡献的主要离子,经反复试验研究,制定合理的熔制工艺,得到性能稳定的透明顺磁旋光玻璃。弗尔德常数V=-0.375/Oe·cm。是目前世界上弗尔德常数较高的磁旋光玻璃。     

Effect of dispersion of linear birefringence upon the sensitivity of an optical current sensor

The dispersion properties of the linear birefringence inside the glass current sensing head of a bulk glass optical current sensor and its effect upon the sensitivity of the sensor are theoretically analyzed and simulated with a computer. The investigation results show that the effect is small enough to be ignored, although it can certainly affect the scale factor of the system slightly. These results might be useful for the researchers and designers working in the optical current sensing techniques area.