光电式高电压测量

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1、光电式高电压测量学院（系）：电气工程学院班级：1113班学生姓名：高玲学号：21113043大连理工大学DalianUniversityofTechnology-7-一.电光效应及其应用原理1.电光效应在晶体上施加的恒定电场和频率如远远低于光频率的交变电场，则将引起组成介质的粒子内束缚电荷分布的显著变化，影响到极化特性和微观结构的对称性，影响到介质或晶体的光学性质。这就是电光效应。电光效应改变了介质的电容率，还可能使各向同性介质转变为各向异性；或者导致原有的各向异性性质的改变，产生人工双折射现象。这种由外加电场引起介质折射率变化的效应已成为光电调制器件工作的物理基础。电光效应表现为普克尔斯（

2、Pockels）效应和克尔(Kerr)效应两种。Pockels效应引起介质折射率的变化，与外加电场强度成正比，即∝E，也叫线性电光效应；而Kerr效应引起的折射率变化与电场的平方成正比例，即∝，故称二次电光效应。立方以上的高次项极其微小故可忽略。Pockels效应和Kerr效应两者的大小不同，按构成物质结晶的对称性或极化分子的结构，仅凸出显示其中的一种效应。电光效应已在激光技术、光学信息处理和光通信等领域中有着广泛的应用。2.应用电光效应的工作原理如图1所示，将物质中传播的光波，分解为垂直于进行方向的物质固有振动面上的两个偏振波。这两个偏振波如图1的ex、ey，其传播速度随所传感的偏振波的折

3、射率呈反比例变化。-7-图1光电效应原理在某些物质中，由于从外部施加的电场及其极化状态的变化，将导致介质常数的各向异性。从那里传输的两个极化波所反应的折射率也呈现各向异性，显示出所谓的双折射现象。两个偏振波ex、ey，在具有电光效应的物质内传播时，结果反应出不同的折射率nx、ny，产生于两个偏振波之间的折射率之差，按照下式用所施加电场E的展开级数表示（这里忽略了稳态项）：（1）式中，—无电场情况下，通常的折射率；—Pockels系数；—光的波长；B—Kerr常数。偏振波的传播速度，是由真空中的光速除以折射率所得的值，其结果，两个偏振波ex、ey将以不同的光速传播。从长度L的物质射出时，偏振波

4、产生如下的相位差：（2）（3）图1中，将两个波强度相等，且无相位差的直线偏振光（线偏光）向物质发射，在物质内部产生相位差以后，从物质射出时合成两个偏振波，形成椭圆偏振光（圆偏光）。使用只透过某一特定方向偏波成分的检偏器，对圆偏光进行检波。所透过光的强度与向物质入射光的强度之比，按下式求得：（4）在主要显示Pockels效应的场合下：（5）在Kerr效应支配场合下：（6）由上可知，电场的强度被转换为光的强度。电场E一旦达到、，透过光的强度即为极大值。也就是说，对应于相同电场下，、的值越小，光强度的变化越大。因而，将以此表示相应于电光效应灵敏度的指标。Pockels效应主要出现于固体物质；Ker

5、r效应主要表现在液体、气体中。表1引出有电光效应的物质及其灵敏度指标。-7-表1具有电光效应的物质及灵敏度指标由于电场为矢量，测定的电场方向和光的传播方向之间的关系列于表2。按横型调制方式，可测定与光的传播垂直方向的电场，特别是藉改变检偏镜的方向，能分离出正交的两个电场分量并进行测定。因此，可用于测量电场。按纵型调制方式，则能测定与光的传播方向平行方向的电场，从而，就能直接得到与光传播路径上的电场积分值成正比例的、也即与电位差成比例的信息。表2光的入射方向与测定电场的方向-7-二.传感器的结构及应用图2（a）所示为Pockels传感器的一个实例，这是由（铋锗氧，BGO）结晶的波长板紧贴着偏振

6、光束分裂器（PBS），通过微型透镜连接光导纤维的一体化传感器。BGO结晶如按表2的纵型调制方式配置，则能测定施加于光的入射面和出射面之间的电压。因而，在结晶的两面装设透明电极，与施加电压用的引线连接。在光源与传感器之间采用保偏光纤；而在传感器与受光部分之间，则用多传输模（multimode）光纤。图2Pockels传感器作为光源，有激光、LD（激光二极管）、SLD（超发光度二极管）、LED（发光二极管）等。这一顺序是按光波的强度和相干性、由大到小排列的。在将光强度变换为电气信号的受光部分，当然，不仅要注意灵敏度，而且要注意其频率特性。若把两根引线接到被测定对象，则形成一电压测定器，如图2（b

7、）所示。传感器本体装入一对半球电极的内部，并将引线接至每个电极。这样，就可测定半球电极之间的感应电压。同时，传感器的输入静电容（量）能达到PF（微微法拉）级，因而，也能用于放电电路内电位差的测定。而且，图2（a）的传感器中未接引线时，如配置按横型调制的Pockels结晶，则可构成仅使用电介质的电场传感器。针对传感器的超小型化，还研制了Pockels结晶上的光波导电路。在YZ截面传播的基板上设有宽7μm，长50