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.     

一种圆棒晶体球形端面球心位置检测方法

固体激光器中,激光晶体的加工工艺会对输出光整体质量产生影响,针对圆棒晶体球形端面球心位置偏离中心轴的缺陷,提出一种晶体端面球心位置测量方法.通过理论分析测试光路传输矩阵,求解球形端面反射光的位置与角度关系,得到圆棒晶体球形端面球心位置与入射光高度及球形端面反射光斑位置间的关系。实验获得测试光在晶体端面不同入射高度时光阑上球形端面反射光斑距离通光孔的距离,计算球形端面球心位置与中心轴的偏离量。对两种规格4根晶体进行测量,2根-3晶体与中心轴的垂直距离分别为2.55 mm、1.1 mm,2根-4晶体与中心轴的垂直距离为3.25 mm、0.9 mm,分析了晶体球形端面球心位置工艺误差产生的原因。     

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%.     

利用锗酸铋晶体的电光补偿型光学应力传感器

利用锗酸铋(BGO)晶体的弹光双折射与电光双折射可以相互补偿的特性,设计并研究了一种新型光学应力传感器。折射率椭球分析结果表明,在垂直于BGO晶体的(111)晶面方向上同时施加应力和电场,晶体的弹光双折射能够被电光双折射所补偿,因而可以实现应力的闭环光学测量。光学传感单元主要包括两个棱镜偏振器和一块平行四边形的BGO晶体,该晶体自身能够通过对光波的两次全反射产生0.5π的光学相位偏置,因而不需要附加四分之一波片。实验测量了30kPa以内的压缩应力,被测压缩应力与补偿电压之间具有较好的线性关系,且每1kPa压缩应力所需要的补偿电压约为4.26V。     

端面抽运激光晶体热形变及温度场分布研究

用有限元方法研究了端面抽运Nd∶YAG激光器中激光晶体的温度和端面热形变分布规律.研究表明,激光晶体的端面热形变分为端面伸长形变和鼓出形变两种,晶体的热形变透镜效应是由鼓出形变引起的.在端面抽运的Nd∶YAG晶体中采用第三类热传导边界条件,实验测量了晶体的端面伸长和端面鼓出形变,结果与理论分析相一致.     

衰减全反射型电压传感器的理论和实验研究

提出了一种新型反射型聚合物波导电压传感器理论,并且进行了实验研究。这种电压传感器采用棱镜波导耦合结构,在棱镜下底面依次镀有金属膜一聚合物一金属膜三层结构。通过两层金属膜对极化聚合物加电压,利用聚合物材料电光效应和导模共振吸收峰对聚合物折射率的敏感特性,通过反射光强的测量来确定作用电压的变化值。实验中的测试电压范围是从-140V至 140V,得到的线性度值为0．991,电压测量的分辨力为0．1V,电压测量灵敏度系数为0．0011V^-1。实验表明这种电压传感器具有良好的线性和较高的灵敏度。     

芯内双微孔复合腔结构的光纤法布里-珀罗传感器研究

提出了一种基于芯内双微孔复合结构的全光纤干涉传感器结构,建立了传感器反射光谱的理论模型,给出了反射光谱强度与微孔长度、孔内介质折射率、微孔端面反射与损耗系数以及光纤的特性参数间的关系,并模拟了传感器光谱对温度和折射率变化的响应特性.利用193 nm准分子激光器,在普通单模光纤上加工制作了具有复合腔结构的全光纤多参量传感器,进行了传感实验研究.结果表明,该传感器具有优于99%的温度、折射率线性响应度,对应两套温度和折射率灵敏度分别为-0.172 nm/℃,1050.700 nm/RIU和0.004 nm/℃,48.775 nm/RIU,不仅能够实现温度、折射率以及它们的区分测量,还能够应用于气体压力的测量,测量精度可达0.3 kPa.     

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.     

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。     

保偏反射膜温度特性对BGOCT灵敏度影响的理论研究

采用琼斯矩阵方法对保偏膜反射相移温度特性对块状光学电流互感器（BGOCT）灵敏度的影响作了理论研究,结果表明,当温度从5.3℃变化到39℃时,表征系统灵敏度的归一化尺度因子会在一定范围内变化.表明镀制于光学玻璃电流传感头上的保偏膜反射相移温度特性影响光学电流传感器的稳定性.因此,在实际系统设计中对光学玻璃电流传感头应采取必要的温度控制或补偿措施.     

基于光纤反射腔的高灵敏电流传感器方案

提出了一种基于平面Y分支波导与法拉第旋镜的高灵敏度光纤电流传感器结构方案。利用两个法拉第旋镜与平面Y分支波导构成一个光纤反射腔,通过光在腔中的多次反射来增加待测电流导致的传感光纤中的法拉第相移,从而实现对微弱电流的测量。该结构方案中首次采用了平面Y分支光波导,从而可降低光路系统损耗,增加灵敏度,为微弱电流测量的工程化提供了一种可行的方法。     

Torque equations for spin and orbital angular momenta of radiation fields and Faraday effect

The spin angular momentum S of light has never been linked to the Faraday rotation of light traveling in an optically active medium possessing a rotational invariance of a crystal, because there was no helicity term associated with the phase shift in the previous torque equation for S. In order to relate the change in S with time to the Faraday rotation, therefore, we derived an exact torque equation for S. As a result, a magnetic helicity term appeared in a new torque equation for S, so that one-half of the phase shift derived from the helicity term was equivalent to the Faraday rotation angle. However, the orbital angular momentum L had no relation to the Faraday rotation. It was thus clarified that the change in S with time is related to the Faraday rotation angle of light traveling in an optically active medium, owing to the appearance of the helicity term without a rotational invariance around the optical axis. It was also demonstrated theoretically that the Faraday rotation is accompanied by a torque acting on the crystal so that the total angular momentum of light and matter is conserved.     

Faraday rotation in a single-mode fiber with controlled birefringence

Faraday rotation within a polarization non-conserving single-mode optical fiber is used for ac magnetic field measurement. For that purpose the intrinsic fiber birefringence on the path to and from the Faraday rotation section is controlled. As control devices externally applied stress birefringence and phase retarder plates were used. With respect to magnetic field measurements on high electric potentials all control devices are placed at fiber input and output only.     

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|法拉第准直旋光器的旋光角度、法拉第准直旋光器与BGO晶体的对轴角度误差是主要的偏振误差源,影响系统的测量准确度及稳定性|根据电子式电压互感器IEC60044-7 0.2S级标准,法拉第旋光角度误差应该小于1.6°,旋光器与BGO晶体对轴角度误差小于1.85°.该研究对准互易反射式光学电压互感器光路设计和误差抑制具有一定的参考价值和指导意义.     

Faraday镜预转角对FMOCT输出光偏振态的影响

通过计算机仿真,运用琼斯矩阵理论分析了Faraday镜预转角对法拉第镜式光学电流互感器输出光偏振态的影响.实验测量了Faraday镜实际预转角的大小,测量了外磁场的改变对Faraday镜预转角的影响.外磁场的存在和变化使Faraday镜预转角偏离初始值,并使系统输出光由理想状态下的线偏振光退化成椭圆偏振光,并引起法拉第镜式光学电流互感器工作灵敏度和稳定性的下降.提出了用电磁屏蔽解决外界磁场影响的方法.     

磁旋光增强效应与旋光增强器特性分析

根据法拉第磁光效应的非互易性,分析了旋光反射腔的光强输出特性,表明这种反射腔具有旋光增强效应.在此基础上提出了用于检测微小旋转角的旋光增强法,并对旋光增强器的特性进行了理论分析和仿真计算.给出了测量灵敏度随器件反射率、样品吸收因素及一次旋光角变化的关系,讨论了角度测量工作点、测量范围以及相对灵敏度理论极限问题.旋光增强器有望应用于微流控系统的旋光检测以及实现磁旋光仪器的小型化和微型化. 关键词： 法拉第磁光效应 磁旋光增强 微小旋光角检测 微流控系统     

Faraday Rotation of Overdense Magnetized Plasma

In this study, we investigate Faraday rotation of electromagnetic waves that are anomalously transmitted through an over‐dense magnetized plasma layer. Here, magnetized plasma indicates that the plasma layer is immersed in a uniform magnetic field. Firstly, normally opaque over‐dense magnetized plasma is shown to be transparent to obliquely incident electromagnetic waves. This high transparency can be achieved by providing conditions for resonant excitations of plasmonic modes. The resonant characteristics of the transmission coefficient of the considered structure are determined and discussed. The conditions under which the magnetized plasma behaves as a complete reflector are also obtained. Faraday rotation is shown to be enhanced under high transparency conditions. The reflected wave also exhibits Faraday rotation and is enhanced under total reflection conditions. (© 2015 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

Giant Faraday and Kerr rotation with strained graphene

Polarized electromagnetic waves passing through (reflected from) a dielectric medium parallel to a magnetic field undergo Faraday (Kerr) rotation of their polarization. Recently, Faraday rotation angles as much as 0.1?rad were observed for terahertz waves propagating through graphene over a SiC substrate. We show that the same effect is observable with the magnetic field replaced by an in-plane strain field which induces a pseudomagnetic field in graphene. With two such sheets a rotation of π/4 can be achieved, which is the required rotation for an optical diode. Similarly a Kerr rotation of 1/4 rad is predicted from a single reflection from a strained graphene sheet.     

Noise reduction and signal to noise ratio improvement in magneto-optical polarization rotation measurement

The measurement of an extremely small magneto-optical polarization rotation angle with high sensitivity is integral to many scientific and technological applications. In this Letter, we have presented a technique based on Faraday modulation combined with the optical differential method to measure an extremely small polarization rotation angle with high sensitivity. The theoretical and experimental results show that common mode noise is reduced appreciably and signal to noise ratio is enhanced. The effectiveness of this technique has been demonstrated by measuring the Verdet constant of terbium gallium garnet glass and measuring the small polarization rotation angle. A sensitivity of enhancement of one order of magnitude has been achieved using differential detection based on Faraday modulation.     

磁场中双折射光纤的琼斯矩阵等效模型

采用延迟器与旋光器的串联模型, 研究磁场中双折射光纤的偏振传输特性, 将它们的琼斯矩阵按照两种不同的顺序级联相乘, 导出了两种等效模型中等效相位延迟量、等效快轴方向和等效旋光角的解析表达式。研究发现, 当光纤同时具有线双折射和圆双折射时, 单位长度的等效相位延迟量并不等于其固有的线双折射, 等效旋光角也不等于其法拉第旋转角, 它们同时都与光纤的固有线双折射和磁场引起的圆双折射相关联。且在不同级联顺序的两种等效模型中, 等效相位延迟器的快轴方向都不与光纤的双折射主轴重合, 而是分别向两个相反的方向偏移一定的角度, 偏移角为等效旋光角的一半。