專利名稱：物理量的光學(xué)測(cè)定方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明旨在提供一種物理量的光學(xué)測(cè)定方法，當(dāng)光束通過光學(xué)介質(zhì)時(shí)，該物理量可產(chǎn)生光的相位差，其中與有3次軸的電光晶體的第1電光軸有關(guān)的具有可預(yù)先規(guī)定的第1偏振角的線性偏振輸入光束可通過這種電光晶體來進(jìn)行轉(zhuǎn)向，同時(shí)可檢測(cè)2個(gè)由電光晶體構(gòu)成的第1和第2部分光束，第1電光軸和一個(gè)與其正交的第2電光軸均在一個(gè)平面上，該平面又定向垂直于一個(gè)第3軸，在這種情況下，沒有電場(chǎng)或力場(chǎng)，光的傳播與極化無關(guān)，并且在電場(chǎng)或力場(chǎng)對(duì)電光晶體產(chǎn)生作用時(shí)，該光向第1電光軸方向傳播的束度要快于第2電光軸方向傳播的速度。
一種用以實(shí)現(xiàn)上述方法的在電光傳感器上產(chǎn)生相移信號(hào)的裝置，它包括有一光源，該光源通過第1偏振器，用電光晶體的第1光入射面與光學(xué)系統(tǒng)相連接，至少有一相位延遲片和至少在電光晶體的第1光入射面之間有一第2偏振器，且至少有一測(cè)光器用于轉(zhuǎn)換成電光信號(hào)。
上述方法和裝置已在美國專利US.4,904,931中公開過，它涉及本發(fā)明的現(xiàn)有技術(shù)狀況。文中提到通過一個(gè)第一偏振器，接著通過一個(gè)電光晶體，一個(gè)λ/8波片+45°或-45°相移的45°延遲片傳輸二束相互平行的光束。之后通過一個(gè)由兩束光束共用的第二偏振器。輸出信號(hào)用光電二極管分開收集，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)之后再進(jìn)行分析計(jì)算。應(yīng)用磷酸二氫鉀晶體作為電光晶體，如同它在普克爾盒中的應(yīng)用一樣。光的傳播方向平行于晶體的4次旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸，在一個(gè)垂直于這個(gè)主方向的平面內(nèi)，該晶體有二個(gè)電光主軸，該主軸相互正交取向，并沿著它光線以不同的速度傳播，條件是在該晶體上所加的電壓平行于光傳播的方向。各種不同的傳播速度差與電壓成比例，所以該電壓可由傳播時(shí)間差來測(cè)定。依照接收二極管的二個(gè)90°相移的輸出信號(hào)的關(guān)系。將用作光源的這二個(gè)光發(fā)射光電二極管調(diào)整到一個(gè)恒定的與相同的峰值。當(dāng)電壓高時(shí)，電光晶體中的光受電壓限制的相移可經(jīng)過若干個(gè)周期，所以當(dāng)僅對(duì)某一光束所測(cè)的發(fā)光強(qiáng)度I進(jìn)行計(jì)值時(shí)，該輸出信號(hào)與待測(cè)電壓之間的關(guān)系是多值的。I被視為I＝I0·(1＋sinг)/2 (1)其中，I0表示略去在晶體中的損失，在偏振器中是入射在第一偏振器的發(fā)光強(qiáng)度，而г是由感應(yīng)雙折射產(chǎn)生的光學(xué)相移，該光學(xué)相移與所加的電場(chǎng)成比例。對(duì)于一個(gè)正弦的交流電壓，其г(t)=г0·Sin(ω·t)，ω為角頻率，而t為時(shí)間。此外，如果電壓峰值點(diǎn)正好與函數(shù)Sin(t)的某一峰值疊合，就不可能采用一種手段來進(jìn)一步確定電壓的方向，及是遞增還遞減。在美國專利US-A-4,904,931中，這個(gè)問題是這樣解決的；即傳感器帶有一個(gè)第二光學(xué)波道。借助2個(gè)設(shè)置在二個(gè)波道之間的45°-延遲波片調(diào)整90°的相位差。
波道1∶I1(t)＝I0·(1＋sin(г(t)－45°))/2，波道2I2(t)＝I0·(1＋sin(г(t)＋45°))/2，(2)這些約90°相移的信號(hào)可用某一相應(yīng)的分析計(jì)算電子裝置來處理，即作為輸出信號(hào)在晶體上出現(xiàn)附加交流電壓的瞬時(shí)圖象。
附加的第2波道提供主要光學(xué)部件光源，玻璃纖維光纜，準(zhǔn)直器，偏振器的數(shù)量都是雙倍的，顯然傳感器費(fèi)用也提高了。常常不可忽視的晶體的雙折射由于固有的機(jī)械應(yīng)力與缺陷使這兩個(gè)波道之間的實(shí)際相位差偏離90°。此外該相位差還與溫度有關(guān)。這兩個(gè)波道的光學(xué)系統(tǒng)需有一較大的位置，且要求一相當(dāng)大的晶體斷面。較大的晶體斷面對(duì)總(平面)布置的電的絕緣(耐壓)強(qiáng)度非常不利，且提高了晶體的成本。
本發(fā)明的任務(wù)是對(duì)上述這種類型的物理量的光學(xué)測(cè)定方法與裝置作進(jìn)一步的改進(jìn)，以便使形成物理量的這兩個(gè)相移的信號(hào)可從一個(gè)共用的光學(xué)波道中導(dǎo)出。
本發(fā)明方法的特征在于該輸入光束轉(zhuǎn)向之后通過這個(gè)電光晶體轉(zhuǎn)回，然后，通過一分束器和一個(gè)第1偏振器，一方面向在輸出端提供第1個(gè)相位信號(hào)的第1光電檢測(cè)器轉(zhuǎn)向，另一方面通過帶有可預(yù)先規(guī)定第1相位差的移相器和第2偏振器向在輸出端提供與第1個(gè)相位信號(hào)有關(guān)的已相位移動(dòng)的第2相位信號(hào)的第2光電檢測(cè)器轉(zhuǎn)向；第1偏振角在30°-60°范圍內(nèi)；特別是在40°-50°范圍內(nèi)；進(jìn)入電光晶體中的輸入光束和轉(zhuǎn)向的，由電光晶體轉(zhuǎn)回的光束沿不同的光路由電光晶體轉(zhuǎn)向；由第1和第2相位信號(hào)中取出的測(cè)量結(jié)果信號(hào)及其相關(guān)的溫度關(guān)系按下式進(jìn)行校正SK＝S·δ(T).
δ(T)＝1＋∈(T－293)，∈＝電光相位移的溫度系數(shù)，T＝Δφ′/γ＋293等于移相器按K氏的溫度，γ為溫度系數(shù)，Δφ′＝180°·(t0－t1)/(t2－t1)－90°，t1，t2等于相繼通過Imax/2的第1個(gè)相位信號(hào)(I1)，t0等于通過Imax/2的第2個(gè)相位信號(hào)(I2)，t1＜t0＜t2，Imax＝(I1，I2)的最大振幅；由第1和第2相位信號(hào)(I1，I2)中取出的測(cè)量結(jié)果信號(hào)S及與其有關(guān)的溫度關(guān)系按下式進(jìn)行校正SK＝S·δ(T).
δ(T)＝1＋∈(T－293)，∈為機(jī)械感應(yīng)的雙折射的溫度系數(shù)，T＝Ta＋ΔT，Ta為初始溫度，ΔT＝N·π/(2·Δг·γΔn)，Δг＝4·π·L·n/λ，L為晶體長度，λ＝光的波長，Δn為雙折射時(shí)折射率的差，N為按π/2增量時(shí)附加的過零點(diǎn)數(shù)。
本發(fā)明裝置的特征為與第1個(gè)光入射面相對(duì)的第2個(gè)晶體表面上通過電光晶體與用于光轉(zhuǎn)向的裝置相連接，并且第1個(gè)光入射表面與第1個(gè)光透射表面相同；電光晶體的第1個(gè)光透射表面要經(jīng)過分束器，并且a)一方面與相位延遲板相連以及b)另一方面通過一偏振器至少與一個(gè)另外的用來轉(zhuǎn)換成光電信號(hào)的測(cè)光器進(jìn)行光學(xué)的連接；分束器通過一個(gè)90°棱鏡與測(cè)光器進(jìn)行光學(xué)連接；通過電光晶體，使光進(jìn)行轉(zhuǎn)向的裝置，其中a)為反射器或b)為90°棱鏡11；電光晶體與其第1個(gè)光入射表面及其對(duì)面的具有導(dǎo)電層狀電極的第2個(gè)表面相連接，尤其是第1個(gè)光入射表面上的層狀電極是透光的。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于晶體固有的雙折射對(duì)這兩個(gè)信號(hào)之間的相移沒有什么影響，從而，需要的光學(xué)分量較少。只需一個(gè)光學(xué)的光源。由于所需位置較小晶體斷面實(shí)際上也可減小。
以下根據(jù)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。


圖1a和1b是有集中發(fā)射與接收路徑的傳感器的配置。
圖2a與2b是根據(jù)圖1a與1b對(duì)傳感器配置部分的角度定位。
圖3為90°—相位移的誤差(分布)曲線作為根據(jù)圖1a與1b的傳感器配置的分束器的S與P偏振之間的相對(duì)相位延遲的函數(shù)。
圖4將有λ/4—波片的光路中的電光調(diào)制的對(duì)比度作為分束器的S與P偏振之間的相對(duì)相位延遲的函數(shù)。
圖5根據(jù)圖1a與1b的傳感器配置的相對(duì)光功率。
圖66a與6b為具有分立的發(fā)射與接收路徑的傳感器配置。
圖7示出根據(jù)圖6a和6b的傳感器配置中使用反射鏡代替棱鏡時(shí)電子光學(xué)晶體中的光的路徑。
圖8根據(jù)圖6a與6b的傳感器配置的相對(duì)的光功率，分束器的分束比為1∶1。
圖92個(gè)電光信號(hào)的信號(hào)圖作為時(shí)間函數(shù)來說明溫度補(bǔ)償。
圖10與圖11用于某一動(dòng)態(tài)的光學(xué)的壓力測(cè)量與力的測(cè)量的傳感器。變型。在圖1a的傳感器結(jié)構(gòu)中，由光源(L)例如激光二極管射出的光首先經(jīng)過一纖維光學(xué)分束器和纖維耦合器(FK)，然后經(jīng)過一纖維光纜，特別是玻璃纖維光纜(F1)，經(jīng)它們傳輸?shù)絺鞲?器)頭。在那里，光通過第1準(zhǔn)直管(K1)準(zhǔn)直；然后由一個(gè)通過第一偏振鏡(起偏振鏡)(P1)進(jìn)行線性起偏。然后依次通過一分束器(1)，第1與第2玻璃片(2，3)和一電光晶體(4)，該晶體的端面上具有一個(gè)導(dǎo)電的，光反射的，(鍍金屬)鏡面化的第3玻璃片(5)，層狀電極(6)。其中第二玻璃片(3)上的層狀電極是一電接地的，透明的銦錫氧化層(Indiumtinoxidschicht)。(7)是指反射鏡。在第3玻璃片(5)上具有同時(shí)用作反射鏡(7)的，層狀電極(6)；該層狀電極由一圍繞著第3玻璃片(5)的鍍鉻層組成。在第3玻璃片(5)上光束被反射回去，以致于該光束再次通過電光晶體(4)。在分束器(1)中，該光束被分成二部分光束(T1，T2)。透射的第1部分光束(T1)經(jīng)過第1偏振鏡(起偏鏡)(P1)，該偏振鏡現(xiàn)在用作檢偏器，通過第1準(zhǔn)直器(K1)和玻璃纖維光纜(F1)到達(dá)光纖耦合器(FK)。從那里，由耦合比確定的部分光線到達(dá)光電探測(cè)器或第1測(cè)光器(D1)，該測(cè)光器在輸出端將接收到的與發(fā)光強(qiáng)度成比例的信號(hào)(I1)提供給分析計(jì)算裝置或計(jì)算機(jī)和微處理器(14)，在該微處理器上從輸出端可獲得測(cè)量結(jié)果信號(hào)(S)。
在分束器(1)上反射的第二部分光束(T2)，首先通過相位延遲片，特別是λ/4—延遲片(9)，然后是第2偏振鏡(P2)，偏轉(zhuǎn)棱鏡或90°—轉(zhuǎn)向棱鏡(10)和第2準(zhǔn)直器(K2)，該準(zhǔn)直器使部分光束(T2)輸入耦合到一個(gè)第2玻璃纖維光纜(F2)中。通過這個(gè)玻璃纖維光纜(F2)，部分光束(T2)最終到達(dá)第2測(cè)光器(D2)，該測(cè)光器在輸出端上將所接收到的與光強(qiáng)度成比例的電信號(hào)(I2)提供給微處理器(14)。
這3塊玻璃板(2，3，5)對(duì)于傳感器的工作原理來說是不重要的。實(shí)際上它們用作固定元件和蒸鍍過的層狀電極(6)的基片，將待檢測(cè)的電壓或高壓(8)施加到該蒸鍍過的層狀電極上。第1玻璃片(2)僅僅用作中間元件。為了使熱感應(yīng)的電壓盡可能的小，這3塊玻璃片(2，3，5)的玻璃應(yīng)有如同電光晶體(4)一樣的類似的熱膨脹系數(shù)。
輸入信號(hào)與輸出信號(hào)的相互交換在圖1b與圖1a中的相反。
圖2a給出根據(jù)圖1a傳感器配置的光學(xué)部分(分量)的角定位。第1偏振鏡(P1)的偏振方向平行于分束器(1)的基面的兩個(gè)相互正交棱(u，v)之一。該分束器的第3棱(w)與其他兩個(gè)棱正交。即偏振平行或垂直于光束時(shí)重要的光學(xué)入射面(在偏振方向(x)和(y)中P和S偏振，即平行或垂直于各個(gè)光學(xué)入射面的偏振)。這樣，通過分束器(1)進(jìn)行傳輸，得到了這種線性偏振。第1偏振鏡(P1)的其他定位產(chǎn)生的結(jié)果是，此光逐漸變?yōu)橐环N橢圓的(偏振)狀態(tài)，因?yàn)镾與P分量通過分束器(1)的傳輸一般來說獲得的相位移是不同的。電光晶體(4)的2個(gè)標(biāo)有第1和第2的電光軸(H1，H2)垂直于光束方向，而且也垂直于光束方向中電光晶體(4)的標(biāo)有第3的光軸(H3)。標(biāo)有第1和第2的電光軸(H1，H2)同入射光的偏振方向構(gòu)成45°角。電光晶體(4)的端面同樣也垂直于光束方向。λ/4—延遲片(9)的主軸垂直于由分束器(1)反射的光束的方向，并且同分束器(1)的棱邊(v，w)的方向構(gòu)成+45°或-45°角。因此，該主軸同時(shí)平行于電光晶體(4)的電光軸的投影。第2偏振鏡(P2)的偏振方向相對(duì)λ/4—延遲片(9)的主軸有45°角。90°—與轉(zhuǎn)向棱鏡(10)的棱邊(u，v，w)與分束器(1)相應(yīng)的棱邊(u，v，w)平行。
圖2b示出根據(jù)圖1b的傳感器結(jié)構(gòu)的光分量的取向。
幅度和相位效應(yīng)下面觀察對(duì)相對(duì)的相位г和電光信號(hào)I1，I2的調(diào)制對(duì)比度K1與K2有干擾的效應(yīng)。對(duì)于分量的選擇，分布和角的取向從中得出的結(jié)論作進(jìn)一步說明。
最重要的干擾效應(yīng)是—分束器(1)對(duì)于反射和透射中的P與S偏振來說引入不同的相移?！瓷涞哪芰εc透射對(duì)于S與P偏振來說一般是有區(qū)別的?！?0°棱鏡(10)在S與P偏振之間同樣也引入相移。
此外，由于λ/4延遲片(9)不準(zhǔn)確和/或分量的角度調(diào)整不準(zhǔn)確也可能產(chǎn)生干擾作用。
這兩個(gè)波道中的信號(hào)I1和I2表示為I1(t)＝I0·[A1＋B1·cos(г－∈1)]1/2(3)I2(t)＝I0·[A2＋B2·cos(г＋π/2－∈2)]1/2(4)其中，式(3)為沒有λ/4延遲片(9)的光路，而式(4)為有λ/4延遲片(9)的光路。同時(shí)A1，B1和A2，B2是確定調(diào)制對(duì)比度K1和K2的系數(shù)，K1＝B1/A1而K2＝B2/A2，г為電光相移，∈1和∈2為附加的相位項(xiàng)(Phasenterme)，該相位項(xiàng)可造成90°相位的偏離。
理想的情況為A1＝B1＝A2＝B2＝1和∈1＝∈2＝0。1.分束器的影響
在有λ/4延遲片(9)的光路中，上述干擾效應(yīng)對(duì)對(duì)比度與90°相移沒有影響，條件是圖2a與2b中示出的取向是經(jīng)過選擇的，即，A1＝B1＝1而且∈1＝0，結(jié)果I1＝I0·[1＋cosг]/2.
對(duì)于有λ/4延遲片(9)的光路和特殊情況δ1≠0，as＝ap時(shí)，表示為A2＝1，B2＝cosδ1，∈2＝0因此I2＝I0·[1＋cosδ1·cos[г＋π/2]/2，(5)式中，as與ap為經(jīng)分束器(1)反射之后和由分束器(1)的第2次透射之后，s—與p—偏振光的光強(qiáng)幅度。而δ1為由分束器(1)引入的s-與p-偏振光之間的相移。該相移通常對(duì)于反射與透射來說是有差異的。
降低調(diào)制對(duì)比度K2系數(shù)約為cosδ1。90°相移不受影響(∈2＝0)。
對(duì)于有λ/4延遲片(9)的光路及一般情況δ1≠0，as≠ap來說得到下式A2＝(as2＋ap2)/2，(6)B2＝[as2－ap2·cos2δ1＋(as2－ap2)2/4]0，5和 (7)∈2＝arc tan(as2－ap2)/(±2·as·ap·cosδ1)·(8)
式中，±符號(hào)是指λ/4延遲片(9)的取向，即與偏振方向(x)有關(guān)的±45°中的快軸。在這種情況下，原則上調(diào)制對(duì)比度K2與90°相移都由分束器(1)來調(diào)整。
圖3示出90°相位移作為具有as/ap＝0.5或0.9或1.0振幅的分束器(1)的相對(duì)相位延遲函數(shù)的誤差值|∈2|。人們發(fā)現(xiàn)如振幅as，ap為s和p偏振相同時(shí)(見短虛線，該相對(duì)的相位延遲對(duì)90°相位移不產(chǎn)生影響(∈2＝0)。相反，振幅不同時(shí)肯定有誤差，參見長虛線和短虛線。
圖4表示作為具有與圖3有關(guān)的給出3個(gè)振幅as/ap＝0.5或0.9或1.0的相對(duì)相位延遲δ1的函數(shù)的調(diào)制對(duì)比度K2＝B2/A2。對(duì)于小于10°的分束器(1)上的相對(duì)相位延遲δ1來說，調(diào)制對(duì)比度K2幾乎與振幅比as/ap無關(guān)，因此影響不大。
有關(guān)具有金屬/電介質(zhì)的混合—分層的市售的(立方形)分束器(1)，其所測(cè)得的數(shù)值為透射δ1＝1°，as/ap＝0.954，反射δ1＝6°，as/ap＝1.049。
不同型號(hào)的這種分層型的分束器，其離散值較小。
所以，在通路中有λ/4延遲(a)的調(diào)制對(duì)比度減少了0.014(λ/4延遲片(9)在透射光路中)或減少了0.02(λ/4延遲片(9)在反射光路中)。使90°相位移受到角度約為∈2＝270°∈2＝2.71°的干擾。因此，這種干擾作用小得可忽略。
對(duì)于具有專門的介電材料的分光層的分束器(1)來說，振幅as/ap比明顯的不等于1，且對(duì)調(diào)制對(duì)比度K2與90°相位移有相當(dāng)大的影響。見圖3與圖4。
最好，選擇的振幅比as/ap分束器型號(hào)盡可能的離1近些，且相位延遲δ1盡可能的接近0。如果相對(duì)的相位延遲δ1對(duì)于透射與反射區(qū)別很大，則應(yīng)將帶λ/4延遲片(9)的光路放入相對(duì)的相位延遲δ1數(shù)值較小的光路中。
2.λ/4延遲片(9)的相位誤差的附加效應(yīng)實(shí)際上，對(duì)于附加的上述干擾效應(yīng)來說，通過λ/4延遲片(9)的相位延遲偏離90°相移有一相移角δ3。對(duì)于系數(shù)A2，B2，與90°誤差ε2來說，有這樣情況，即，第1偏振鏡(P2)(檢偏器)平行取向于偏振方向(Y)，(根據(jù)圖2a與2b的s—偏振)A2＝(as2＋ap2/2＝(as2－ap2)·sinδ3/2 (9)B2＝(as2·ap2·cos2δ1·cos2δ3＋[(as2－ap2)－(as2＋ap2)·sinδ3]2/4)0.5(10)∈2＝arc tan[(as2－ap2)－(as2＋ap2)·sinδ3]/(±2·as·ap·cpsδ1·cosδ3) (11)如果第1偏振器(P2)平行于偏振方向(x)，則式4中的符號(hào)B2和∈2就會(huì)改變，即
I2(t)＝I0·[A2－B2·cos(г＋π/2＋∈2)]/2(12)式(9)中，第2個(gè)符號(hào)有如前述式(10)中第3個(gè)符號(hào)，式(11)中第2個(gè)符號(hào)的相應(yīng)變化。
當(dāng)相移角δ3＝1.8°時(shí)，可得到δ1＝1°，而as/ap＝0.954時(shí)，90°相移的偏差為∈2＝0.90°，第二個(gè)偏振器(P2)平行于X或∈2＝4.49°，第二個(gè)偏振器(P2)平行于Y。
人們看到，當(dāng)這種干擾效應(yīng)較小時(shí)，λ/4延遲片(9)的相移角δ3經(jīng)過偏振調(diào)整之后被加成或減成上述的δ3＝0°所算出的2.7°的90°誤差。所以這90°誤差可通過最終的選擇，從δ3補(bǔ)償?shù)?。
第1偏振器(P1)從X向Y或從Y向X的轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)90°相位移和調(diào)制對(duì)比度不起作用。
由于分量的方位角—取向不準(zhǔn)確給出的干擾效應(yīng)在這里不作考慮。實(shí)際上，可對(duì)角度作精確調(diào)整，以致使干擾不起作用。
3.90°轉(zhuǎn)向棱鏡(10)的影響當(dāng)全反射時(shí)，S與P偏振之間的90°棱鏡中，對(duì)于棱鏡的折射率為1.5的相位移為36.9°。
如果圖1b中的90°棱鏡位于不帶λ/4延遲片(9)的接收光路中，則在圖2b中給定了角度取向的相位移不影響傳感器信號(hào)。如果圖1a與2a中的90°棱鏡位于帶λ/4延遲片(9)的光路中，則λ/4延遲片(9)和第二偏振器(P2)必須位于90°棱鏡(10)之前，即位于90°棱鏡(10)與分束器(1)之間。在90°棱鏡(1)與準(zhǔn)直器(K2)之間的配置有這樣的結(jié)果使這個(gè)光路中的調(diào)制對(duì)比度系數(shù)降低了大約0.2。
圖5示出理想的，無損耗情況下的相對(duì)的光學(xué)的功率平衡與在纖維耦合器(FK)和分束器(1)上的分束比1∶1。在光源(L)輸入耦合到玻璃纖維光纜(F1)中的光功率假設(shè)為100％在纖維耦合器(FK)的后面還保留有其余的50％。因?yàn)椋斯庠诘?偏振器(P1)上，假設(shè)為非偏振的，所以通過第1偏振器(P1)的功率再一次被分成二等分即分成初始光功率25％。經(jīng)過分束器(1)的2次透射之后，光強(qiáng)度降低到6.25％。這是最大的光功率，相當(dāng)于由I1(t)與I2(t)給出的電光調(diào)制的最大值，該調(diào)制通過檢偏器(P1，P2)到達(dá)接收光路中。在一光路中，這種光功率通過纖維耦合器(FK)再次二等分，以致于在測(cè)光器(D1，D2)上，在調(diào)制的最大值中最終輸入3.125％或6.25％的最初的光功率。
如果使用S與P偏振時(shí)，透射與反射比為2∶1的分束器，則可實(shí)現(xiàn)，在這兩個(gè)測(cè)光器(D1，D2)上輸入的最大光功率相同。該光功率達(dá)到最初功率的5.55％，相等于括號(hào)中給定的數(shù)值。
圖6a與6b示出其他類型的傳感器，在這些類型的傳感器中，透射光路與接收光路是分開的。每個(gè)傳感器只需要一個(gè)光源(L)。這兩個(gè)90°相移再次由電光晶體(4)中的總的光路中導(dǎo)出，以致于電光晶體(4)的雙折射不影響90°相移。產(chǎn)生90°相位移的光學(xué)系統(tǒng)與圖1和圖2中的相同。第2玻璃片(3)同第3玻璃片(5)一樣具有對(duì)光學(xué)信號(hào)來說透明的涂層電極(6)。輸入光束的轉(zhuǎn)向不是用反射鏡，而是用第3玻璃片(5)上的90°棱鏡(11)來實(shí)現(xiàn)。
這兩種類型與傳感器的優(yōu)點(diǎn)是—當(dāng)使用圖1a與1b中的這些類型的傳感器時(shí)，首先在第1測(cè)光器(D1)上，由于光Y系統(tǒng)中不希望的反射出現(xiàn)了信號(hào)背景。這種反射的原因是在交界面上的折射率的跳變，特別是在光纖插頭(Faserstecker)中的折射率的跳變。在圖6a與6b的傳感器配置中，這些多次反射形成的光斑沒有到達(dá)或只以很微弱的形式到達(dá)檢測(cè)器，因此干擾不太大。該光纖插頭的質(zhì)量要求可小些。—不用光纖耦合器(FK)。—測(cè)光器(D1，D2)上的光功率較高。除了這些優(yōu)點(diǎn)之外，還有以下缺點(diǎn)—在透射面/接收面與傳感器頭之間必需有玻璃光纖連線?！匦栌械?準(zhǔn)直器(K3)和第3偏振器(P3)?！鈱W(xué)系統(tǒng)的橫向尺寸較大。因此電光晶體(4)的必要的最小截面同樣比較大。
關(guān)于振幅效應(yīng)與相位效應(yīng)與圖1a和圖1b中的傳感器配置相同。另外，可考慮，在第3玻璃片(5)的上面90°棱鏡(11)中的第2次反射時(shí)相對(duì)的相位移在S與P偏振之間的角度是2，同時(shí)，為折射率1.5的90°棱鏡(11)的角度為2＝36.9°。之所以這些相位移對(duì)90°相位移與調(diào)制對(duì)比度的相對(duì)相位沒有影響，是因?yàn)槔忡R下面的棱邊是與電光晶體(4)的電光軸(H1，H2)平行的。所述90°相位移的兩個(gè)信號(hào)總共所移動(dòng)的相位角2·2是相同的。但是，其相對(duì)的相位保持不變。光強(qiáng)度I1與I2的信號(hào)可以從對(duì)式(3)與式(4)進(jìn)行變更得到。I1(t)＝I0·[A1＋B1·cos(г－t1)－2·2]/2und(13)I2(t)＝I0·[A2＋B2·cos(г＋π/2－∈2)－2·2]/2， (14)其中，式(13)為沒有λ/4延遲片(9)的光路，而式(14)為有λ/4延遲片(9)的光路。
從這兩個(gè)式(13，14)中可求得與作用電場(chǎng)或高壓(8)成比例的光學(xué)相位移г，如同上述美國專利US-A-4,904,931中所詳細(xì)描述的那樣。與光學(xué)相位移г有關(guān)的所測(cè)電壓幅度或測(cè)量結(jié)果信號(hào)由校準(zhǔn)系統(tǒng)來確定。
零點(diǎn)漂移不會(huì)影響傳感器的性能。如果需要，則它可通過帶有2.2延遲的附加延遲片在兩個(gè)光路中進(jìn)行再次補(bǔ)償。
如果把45°邊緣的90°棱鏡(11)對(duì)準(zhǔn)電光晶體(4)的電光軸(H1，H2)，則90°棱鏡(11)的相對(duì)相位延遲會(huì)產(chǎn)生具有附加干擾作用的結(jié)果。
為了避免附加的90°棱鏡(11)可使輸入光束稍微傾斜于電光晶體(4)的第3電光軸(H3)，可再次在第3玻璃片(5)的反射器表面(7)上反射，這相當(dāng)于圖7中所加入的光路(12)。標(biāo)號(hào)(13)為由分束器(1)，λ/4—延遲片(9)，偏振器(P1，P2，P3)，準(zhǔn)直器(K1，K2，K3)和90°棱鏡(10)組成的光學(xué)系統(tǒng)。
光學(xué)的功率平衡對(duì)于兩個(gè)傳感器配置是相同的，而圖8中所描述的是理想的，無損耗的情況。光電調(diào)制的最大值中，在兩個(gè)測(cè)光器(D1，D2)上光功率一般為輸入的最初光學(xué)功率的25％。
光源(L)最好具有較短的相干長度，以致于例如在傳感器光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)的多次反射時(shí)不出現(xiàn)干擾作用。這些作用可通過較高的噪聲干擾所測(cè)量的發(fā)光強(qiáng)度I1與I2來消除。最好使用發(fā)光二極管或多模的激光二極管來測(cè)量。
玻璃光纖連接是多?！饫|(F1，F(xiàn)2)。如果把激光二極管當(dāng)作光源(L)使用，則用于透射線路的玻璃纖維光纜(F1)至少要選擇長的(一般為幾十米)，以致于使在傳感器頭上輸入的光有足夠的去偏振作用和足夠的互不干擾作用，以便抑制由于偏振波動(dòng)和干擾作用引起的信號(hào)波動(dòng)和噪聲。如果使用圖6a與圖6b中的分立的透射與接收光路時(shí)，處于偏振狀態(tài)3單模光纖(F3)適合于透射光路，條件是，選擇多模激光二極管用作光源(L)。使用發(fā)光二極管，輸入耦合到單模光纖中的光學(xué)功率就太低。所以在傳感器頭上必須對(duì)準(zhǔn)光纖軸，以便偏振方向與輸入偏振器(P3)的通光方向平行。
如果使用圖1a與1b中合并的透射與接收光路，上述情況對(duì)單模光纖不合適，因?yàn)闉榱耸构庠俅屋斎腭詈系焦饫w中，由于纖芯的直徑小，這就明顯提高了對(duì)傳感器結(jié)構(gòu)的機(jī)械穩(wěn)定性的要求。
以下表1列出晶體的種類和晶體和取向，這些晶體的種類與取向適用于電場(chǎng)的線性積分，且它們不加電壓，不是雙折射的。
表1
晶體的種類在這里是用其國際上采用的且在括號(hào)內(nèi)用標(biāo)記符號(hào)標(biāo)出的。
下述表2中給出的這兩個(gè)晶體種類，在不帶電場(chǎng)時(shí)是雙折射的。本征的雙折射的主軸與電光主軸疊合，以致于本征；雙折射干脆作為恒定的調(diào)節(jié)系數(shù)誤差加到場(chǎng)感應(yīng)的雙折射中。
表2
此處，還有基本上也適合于積分的其他晶體種類。利用這些晶體種類本征的雙折射與場(chǎng)感應(yīng)的雙折射的軸會(huì)有不同的方向。所以對(duì)于這些晶體種類就不再考慮。
重要的是光線具有從0°到90°各種不同的偏振，優(yōu)選范圍在40 °-50 °之間，尤其是光線入射到電光的晶體(4)中與電光軸(H1)成45°為好。電光晶體(4)(來回)2次的透射之后，將分束器(1)上的光線分成2部分光束(T1，T2)。對(duì)這個(gè)光路起檢偏作用的第1偏振器(P1)位于第1部分光束(T1)光路中，第2部分光束(T2)經(jīng)過在這兩個(gè)光路之間構(gòu)成的90°相位移的λ/4延遲片(9)，然后同樣經(jīng)過一檢偏器(P2)。另外，在分束器(1)上反射的光束通過90°棱鏡(10)來轉(zhuǎn)向，以便對(duì)這兩個(gè)光路提供平行的射束方向。這樣就可能使結(jié)構(gòu)成為緊湊。光學(xué)部件的性能，取向與配置這樣選擇，即在交界面(分束器1)，90°棱鏡(10))上透射與反射時(shí)S與P偏振的不同的相位移對(duì)兩個(gè)光路與調(diào)制對(duì)比度之間的相位差沒有明顯影響。溫度補(bǔ)償所檢測(cè)的電光信號(hào)或光強(qiáng)度I1與I2通常與溫度有關(guān)，比如如果使用Bi4(GeO4)3(BGO)，則標(biāo)準(zhǔn)的電光系數(shù)的溫度系數(shù)大約為2.4·10-4K-1，即當(dāng)溫度提高100K時(shí)，在施加恒定電壓時(shí)的信號(hào)增加2.4％。所以對(duì)于一種精確的電壓測(cè)量，還要求進(jìn)行一個(gè)附加的溫度測(cè)量。為了避免使用分立的溫度傳感器，可使用一種其延遲具有較大溫度關(guān)系的λ/4延遲片(9)。用于對(duì)兩個(gè)電光信號(hào)(I1，I2)的相位差(Δφ)的測(cè)量就可測(cè)得λ/4延遲片(9)及其直接的環(huán)境的溫度，這樣使電壓信號(hào)與測(cè)量結(jié)果信號(hào)(S)得到相應(yīng)的校正。
當(dāng)溫度變化大約有50K時(shí)，對(duì)于石英(等級(jí)為0)的λ/4延遲板(9)來說光波長為633mm時(shí)，該延遲大約改變0.5°。之所以用較高級(jí)(Hoherev Ordnung)的λ/4延遲板(9)來獲得較大的溫度關(guān)系，是因?yàn)闇囟认拗频南辔蛔兓?jí)數(shù)(Ordnungszahl)成比例地增大。對(duì)于具有例如2.25級(jí)數(shù)的，即帶有2.25波長的相對(duì)延遲的λ/4延遲片(9)來說，此延遲大約改變了4.5°，條件是溫度變化約為50K。
按照?qǐng)D9，對(duì)兩個(gè)電光信號(hào)(I1，I2)之間的相位差(Δφ)的測(cè)定作詳細(xì)說明。在該測(cè)定中，電光信號(hào)(I1，I2)與時(shí)間相關(guān)。兩個(gè)電光信號(hào)(I1，I2)之間的相位差(Δφ)相當(dāng)于由λ/4延遲片(9)(引入)的延遲。這是與溫度有關(guān)的。相位差(Δφ)可通過透射I2和I1的瞬間t0，t1和t2的測(cè)量，由Imax/2直接按下式確定
Δφ＝180°·(t0－t1)/(t2－t1)·(15)因此90°相位差(Δφ)的偏差為Δφ′＝Δφ－90°。
λ/4延遲片(9)之所以這樣設(shè)計(jì)，是為了使Δφ在室溫(293K)時(shí)為90°，而Δφ′因此＝0。Δφ′如下述取決于絕對(duì)溫度TΔφ′(T)＝γ·(T－293)，(16)式中，γ為λ/4延遲片(9)的溫度系數(shù)。對(duì)于級(jí)次為2.25的λ/4延遲片(9)來說，r＝0.09°K-1(17)傳感器探頭的溫度T則不用開爾文度按下式確定T＝Δφ′(T)/γ＋293.(18)根據(jù)下式，用已知溫度T可校正與溫度T有關(guān)的由微處理器(14)從電光信號(hào)(I1，I2)中獲得的測(cè)量結(jié)果信號(hào)(S)SK＝S·δ(T)(19)式中，δ(T)為
δ(T)＝1＋∈(T－293).(20)∈是電光相位移的溫度系數(shù)。對(duì)于Bi4(GeO4)3(BGO)來說，∈約為2.4·104K-1。
傳感器的如此校準(zhǔn)是為了T＝293K與δ(293K)＝1時(shí)提供理想的信號(hào)(S)。對(duì)于使用測(cè)力傳感器(見下文)的情況來說，式(20)中可使用機(jī)械感應(yīng)的雙折射的溫度系數(shù)。
當(dāng)使用具有本征的雙折射的晶類為6m2和2mm的晶體時(shí)，為了進(jìn)行溫度的測(cè)量?？梢钥紤]這種雙折射的溫度關(guān)系。雙折射的變化會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)電光信號(hào)(I1，I2)的相位移較慢。這個(gè)相位移對(duì)于兩個(gè)電光信號(hào)(I1，I2)來說同樣大。所以其相對(duì)的相位與溫度有關(guān)的變化是根據(jù)λ/4延遲片(9)的溫度關(guān)系而產(chǎn)生的。但這種溫度關(guān)系與絕對(duì)的位移相比小得可以忽略。
取決于溫度的慢的相移可以按90°增量從兩個(gè)電光信號(hào)(I1，I2)的附加出現(xiàn)的過零點(diǎn)的數(shù)來測(cè)得。如果用帶正號(hào)的正相位移計(jì)算過零點(diǎn)，則按照交流電壓(8)的每個(gè)全周期來看，由附加的交流電壓(8)引起的累加的過零點(diǎn)數(shù)＝0。所有附加出現(xiàn)的過零點(diǎn)都可歸于溫度的變化或直流電壓部分。但是，由于直流電壓引起的過零點(diǎn)數(shù)與溫度感應(yīng)的過零點(diǎn)數(shù)相比就顯得太小了。
本征的雙折射的相位移，在兩個(gè)光通過電光晶體(4)時(shí)，得出下式Δг＝4·π·L·Δn/λ(21)
L＝晶體長度，λ＝光波長，Δn＝雙折射時(shí)折射率的差。
當(dāng)溫度改變?chǔ)變化時(shí)，相位的變化為δг(ΔT)＝Δг·γΔn·ΔT.(22)γΔn＝δΔn/(Δn·δT)是雙折射的溫度系數(shù)。
δг(ΔT)是按π/2或90°的增量，由附加的過零點(diǎn)數(shù)N(ΔT)中按下式得出的。
δг(T)＝N(ΔT)·π/2(23)其溫度關(guān)系為ΔT＝[N(ΔT)·π]/(2·Δг·γΔn).(24)采用這種方法只能測(cè)出溫度變化。初始溫度Ta必須在傳感器的每次運(yùn)行時(shí)，重新輸入。見下式T＝Ta＋ΔT(25)例如雙折射Δn＝0.01，雙折射的溫度系數(shù)γΔn＝10-4K-1，晶體長度L＝10cm，光波長λ＝780nm，光兩次經(jīng)過電光晶體(4)得出—總的相位移為Δг＝1.6·104rad，(26)—溫度變化ΔT時(shí)的相位移δг＝1.61·ΔT(27)ΔT＝1K得出δг＝1.61rad或92°。
基本上，可以將這種傳感器用于動(dòng)態(tài)光學(xué)壓力測(cè)量或力的測(cè)量。可能的配置見圖10所描述。在這里力(15)與光的傳播方向(X1)平行。通過適當(dāng)?shù)剡x擇晶體的類型與晶體的取向，使用于沿著光傳播方向(X1)傳播的光線的電光晶體具有雙折射作用。當(dāng)使用23(T)或m3(Th)晶類的立方晶體(4)時(shí)，光傳播方向(X3)應(yīng)用3次軸疊合。平行于三個(gè)軸的偏振方向的主折射率按下式進(jìn)行變化Δn1＝-n03·π11σ/2，Δn2＝-n03·π13·σ/2，Δn3＝-n03·π12·σ/2，其中，n0是指不加力(15)的折射率，σ是每個(gè)表面所加的力(15)，而πij是指光彈系數(shù)。屬于3個(gè)其他立方形的晶類為43m，432，m3m(Td，O，On)之一的電光晶體(4)是π12＝π13，所以Δn2＝Δn3。所以這些晶類不適于圖10所述的布置中的壓力測(cè)量。
使用23與m3這些晶類時(shí)，雙折射見下式Δn＝Δn2－Δn3＝-n03·(π13－π12)·σ/2
入射光的偏振方向同X2—軸與X3—軸最好構(gòu)成45°角。在兩次透過長度為(L)的電光晶體(4)時(shí)，由與X2和X3平行的兩個(gè)正交的偏振分量累積產(chǎn)生的相位差由式(26)給出。
例如π13－π12的差一般的數(shù)量級(jí)為10-12m2/N。 n0＝2，L＝0.1m，σ＝106N/m2，λ＝780nm。得到Δг＝6.44rad或369°。
非立方形晶類的晶體也可用于力的測(cè)量。
見圖11，也可將力(15)橫向傳播到以橫截面表示的一玻璃棒(16)上，而不是將力(15)縱向傳播到一電光晶體(4)上。在這里，入射光的偏振(P)必須與力(15)的方向優(yōu)選構(gòu)成45°。(H1)與(H2)是指感應(yīng)的雙折射的主軸。
符號(hào)說明表1 分束器2，3，5 玻璃片4 電光晶體6 層狀電極7 反射器，鏡面8 高壓，電壓9 相位延遲片，λ/4延遲片10，1190°棱鏡12分成4條的光路13光學(xué)系統(tǒng)14分析計(jì)算電子系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)，微處理機(jī)15力16玻璃棒A2，B2用于說明調(diào)制對(duì)比度的系數(shù)asS—偏振的振幅apP—偏振的振幅D1，D2測(cè)光器，光電檢測(cè)器FK光纖耦合器F1，F(xiàn)2玻璃纖維光纜F3單模纖維H1，H2，H3晶體4次軸I1，I2所測(cè)得的發(fā)光強(qiáng)度Imax 最大振幅I1，I2K1，K2，K3準(zhǔn)直器L 光源P 偏振方向P1，P2，P3偏振鏡S 測(cè)量結(jié)果信號(hào)t 時(shí)間t0，t1，t2瞬間T 溫度T1，T2部分光束u，v，w 1或10相互正交的棱x，y 偏振方向x1，x2，x3光傳播方向σ1 相對(duì)相位延遲Δφ 相位差∈2 有關(guān)90°相位差的誤差
權(quán)利要求
1.一種物理量的光學(xué)測(cè)定方法，當(dāng)光束通過光學(xué)介質(zhì)(4，16)時(shí)，該物理量可產(chǎn)生光的相位差，a)其中與有3次軸(H1，H2，H3)的電光晶體(4)的第1電光軸(H1)有關(guān)的具有可預(yù)先規(guī)定的第1偏振角的線性偏振輸入光束可通過這種電光晶體(4)來進(jìn)行轉(zhuǎn)向，b)同時(shí)可檢測(cè)2個(gè)由電光晶體(4)構(gòu)成的第1和第2部分光束(T1，T2)。c)第1電光軸(H1)和一個(gè)與其正交的第2電光軸(H2)均在一個(gè)平面上，該平面又定向垂直于一個(gè)第3軸(H3)，在這種情況下，沒有電場(chǎng)或力場(chǎng)，光的傳播與極化無關(guān)，并且在電場(chǎng)或力場(chǎng)對(duì)電光晶體()產(chǎn)生作用時(shí)，該光向第1電光軸(H1)方向傳播的速度要快于向第2電光軸(H2)方向傳播的速度，其特征在于d)該輸入光束轉(zhuǎn)向之后通過這個(gè)電光晶體(4)轉(zhuǎn)回，e)然后，通過一分束器(1)和一個(gè)第1偏振器(P1)，一方面向在輸出端提供第1個(gè)相位信號(hào)(I1)的第1光電檢測(cè)器(D1)轉(zhuǎn)向，f)另一方面通過帶有可預(yù)先規(guī)定第1相位差的移相器(9)和第2偏振器(P2)向在輸出端提供與第1個(gè)相位信號(hào)(I1)有關(guān)的已相位移動(dòng)的第2相位信號(hào)(I2)的第2光電檢測(cè)器(D2)轉(zhuǎn)向。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于a)第1偏振角在30°-60°范圍內(nèi)。b)特別是在40°-50°范圍內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于進(jìn)入電光晶體(4)中的輸入光束和轉(zhuǎn)向的，由電光晶體(4)轉(zhuǎn)回的光束沿不同的光路(12)由電光晶體(4)轉(zhuǎn)向。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求所述的方法，其特征在于由第1和第2相位信號(hào)(I1，I2)中取出的測(cè)量結(jié)果信號(hào)及其相關(guān)的溫度關(guān)系按下式進(jìn)行校正SK＝S·δ(T).δ(T)＝1＋∈(T－293)，∈＝電光相位移的溫度系數(shù)，T＝Δφ′/γ＋293等于移相器(9)按K氏的溫度，γ為溫度系數(shù)，Δφ′＝180°·(t0－t1)/(t2－t1)－90°，t1，t2等于相繼通過Imax/2的第1個(gè)相位信號(hào)(I1)，t0等于通過Imax/2的第2個(gè)相位信號(hào)(I2)，t1＜t0＜t2，Imax＝(I1，I2)的最大振幅。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至3所述的方法，其特征在于由第1和第2相位信號(hào)(I1，I2)中取出的測(cè)量結(jié)果信號(hào)S及與其有關(guān)的溫度關(guān)系按下式進(jìn)行校正SK＝S·δ(T)δ(T)＝1＋∈(T－293)，∈為機(jī)械感應(yīng)的雙折射的溫度系數(shù)，T＝Ta＋ΔT，Ta為初始溫度，ΔT＝N·π/(2·Δг·γΔn)，Δг＝4·π·L·n/λ，L為晶體長度，λ＝光的波長，Δn為雙折射時(shí)折射率的差，N為按π/2增量時(shí)附加的過零點(diǎn)數(shù)。
6.一種用以實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述方法的在電光傳感器上產(chǎn)生相移信號(hào)的裝置，它包括a)有一光源(L)，b)該光源通過第1偏振器(P1，P3)，c)用電光晶體(4)的第1光入射面與光學(xué)系統(tǒng)相連接，d)至少有一相位延遲片(9)和e)至少在電光晶體(4)的第1光入射面之間有一第2偏振器(P1，P2)，且至少有一測(cè)光器(D2)用于轉(zhuǎn)換成電光信號(hào)(I2)，其特征在于e)與第1個(gè)光入射面相對(duì)的第2個(gè)晶體表面上，通過電光晶體(4)與用于光轉(zhuǎn)向的裝置(7，11)相連接，并且f)第1個(gè)光入射表面與第1個(gè)光透射表面相同。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于電光晶體(4)的第1個(gè)光透射表面要經(jīng)過分束器(1)，并且a)一方面與相位延遲板(9)相連以及b)另一方面通過一偏振器(P1)至少與一個(gè)另外的用來轉(zhuǎn)換成光電信號(hào)(I1)的測(cè)光器(D1)進(jìn)行光學(xué)的連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于分束器(1)通過一個(gè)90°棱鏡(10)與測(cè)光器(D1，D2)進(jìn)行光學(xué)連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求6至8所述的裝置，其特征在于通過電光晶體(4)，使光進(jìn)行轉(zhuǎn)向的裝置(7，11)，其中a)為反射器(7)或b)為90°棱鏡(11)。
10.根據(jù)權(quán)利要求6至9所述的裝置，其特征在于a)電光晶體(4)與其第1個(gè)光入射表面及其對(duì)面的具有導(dǎo)電層狀電極(6)的第2個(gè)表面相連接，b)尤其是第1個(gè)光入射表面上的層狀電極(6)是透光的。
全文摘要
一種檢測(cè)高電壓用的電光傳感器，包括光源(L)、光纖耦合器(FK)、玻璃光纖纜(F1)、準(zhǔn)直器(K1)、第一偏振器(P1)、分束器(1)、第1和第2玻璃片(2，3)和電光晶體(4)。入射光由電光晶體(4)由反射器(7)進(jìn)行反射。反射的部分光束(T1)通過分束器(1)和第1偏振器(P1)反回到第1測(cè)光器(D1)。另一部分光束通入λ/4延遲片(9)、第二偏振器(P2)、90°棱鏡(10)、準(zhǔn)直(K2)和第2玻璃光纖維纜(F2)到達(dá)第2測(cè)光器(D2)。用微處理器(14)來分析計(jì)算光強(qiáng)度。
文檔編號(hào)G01R15/24GK1128862SQ9510713
公開日1996年8月14日 申請(qǐng)日期1995年5月8日 優(yōu)先權(quán)日1994年5月9日
發(fā)明者K·波納特, J·尼林 申請(qǐng)人:Abb研究有限公司