Стекло Sf-6

Нзлучаиощее \

Волокно Поляризатор ]

Волокно, подВодящее сВет

Выходящий сВет

Поляризатор Анализатор

СтержнеВая (TbYJ/Q линза Поляризатор/анализатор

Анализатор Зеркало Элемент Фарадея

ОсиС-

Волокно

Рис. 5.22. Магниточувствительная оптическая часть датчика: а - с объединением оптических элементов; б - с многократным отражением; в - отражательного типа на основе магнитострикции

Преимуществом датчиков на диамагнитных материалах обычно считается возможность измерения ими напряженности магнитного поля в широком диапазоне - от десятков до нескольких ТЫСЯЧ ампер на метр. Ферромагнитные же материалы при более высокой напряженности магнитного поля в силу свойства магнитного насыщения имеют нелинейные характеристики, но зато датчики на их основе малогабаритны.

Датчик с объединением оптических элементов. На рис. 5.22, а представлена чувствительная часть датчика магнитного поля, у которого в качестве материала для элемента Фарадея используется свинцовое стекло. На стекле непосредственно изготовляется поляризатор и анализатор многослойного типа (диэлектрические пленки Si02/Ti02). Благодаря крн-структивному объединению этих элементов повышается надежность датчика и снижается его себестоимость. В качестве источника света используется светодиод (Я=0,85 мкм), светового детектора -рш-фотодиод. Оптическое волокно - многомодовое из кварцевого стекла с диаметром сердечника 100 мкм. Датчик с длиной оптического пути 20 мм позволяет измерять напряженность магнитного поля 80... 4000 А/м (10... 500 Э) с нелинейностью не хуже ±0,25% и при отношении сигнал - шум не менее 40 дБ (S=l кГц). Температурная погрешность ±0,5 % в диапазоне от -25 до 86 °С.

Датчик с многократным отражением. Этот датчик представ-

лен на рис. 5.22, б. В нем вращение Фарадея происходит наряду с многократным отражением входящего в свинцовое стекло светового луча. При этом луч, отражаясь от верхней и нижней поверхности стекла, не изменяет поляризацию. Для более полного отражения на эти поверхности напыляется многослойная пленка со свойствами четвертьволновой пластины. Одно из преимуществ такого датчика - удлинение действительного оптического пути, а следовательно, и увеличение глубины модуляции интенсивности магнитным полем. При использовании для передачи света многомодового оптического волокна, для приема - жгута из оптических волокон, а в качестве источника света - светодиода на основе AlGaAs минимальная измеряемая напряженность магнитного поля 400 А/м («5 Э), диапазон измерений 0... 40 ООО А/м (0...500 Э), линейность ±1%. Неравномерность частотной характеристики ±3 дБ в полосе от 3 до 750 Гц.

Датчик на основе ферромагнитного материала. В ходе исследования состава кристаллов разработан термостабильный монокристалл железоиттриевого граната (Tbo,i9Yo,8i)3Fe50i2, который оказался весьма подходящим для датчика магнитного поля. На рис. 5.22, в представлена структура такого датчика с магниточувствительной частью отражательного типа. В качестве источника света используется светодиод на основе InGaAsP (Я,= 1,3 мкм), а поляризатора и анализатора света - термостабильный, механически прочный рутил. Чувствительность датчика составляет 10 % изменения интенсивности света на каждые 8000 А/м (-100 Э). Колебания амплитуды выходного сигнала ±1,5 % при температуре от -20 до 120 °С.

5.4.2. Датчики электрического поля. Эффект Поккельса и структура датчика на его основе. Среди кристаллов имеются такие, в которых одному направлению распространения света соответствуют две моды с линейной поляризацией. В этих кристаллах коэффициент преломления для направления поляризации каждой моды (для главных осей) изменяется пропорционально напряженности приложенного электрического поля. Это явление называется эффектом Поккельса или, иначе, электрооптическим эффектом первого порядка. При этом обычно в отношении поляризации и коэффициента преломления исследуются цилиндрические образцы. Здесь же рассмотрим элемент Поккельса в виде кубического кристалла и при условии действия электрического поля вдоль оси х кристалла. Выражения для векторов поляризации вдоль главных осей, а также для соответствующих коэффициентов преломления имеют следующий вид:

XI =

(Х1 + Х2);

6 Заказ № 872

Входящий сВет

Х2=-

(Xi-Хг);

Хз = Хз",

П\ « По-- ПоуцЕз;

1 3

П2 « /1оН- ПоУцЕз,

(5.13)

(5.14)

Пз » По,

где По -коэффициент преломления при отсутствии электрического поля; Y41 - электрооптический коэффициент (тензор); Ез - напряженность приложенного электрического поля.

Из формул видно, что благодаря приложенному электрическому полю для коэффициентов возникает двойное преломле-

Поляризатор Падающий.

cSerri I 4

Ускоряющая Элемент ось ЧетВертьВолкоВая Поккельса \ пластина Анализатор

Эамедляюшдя

Излтемыа сШ

Попяризатор

Паааютй сВет

Покоряющая Элемент ось ЧетВертьВолноВая Поккельса \ пластина Анализатор

Излучаемый сВет

Рис. 5.23. Датчик иа основе эффекта Поккельса

ние {nl и По), а связанное с этим изменение коэффициентов

пропорционально Поу41£з-

На рис. 5.23, а представлена общая схема датчика электрического поля с продольной модуляцией (с вектором напряженности электрического поля, параллельным направлению передачи световой волны), а на рис. 5.23, б - схема с поперечной модуляцией (вектор напряженности перпендикулярен направлению передачи). На рис. 5.23, в показано изменение состояния поляризации в датчике. Поляризаторы при обоих видах модуляции расположены так, чтобы плоскость поляризации входящей линейно поляризованной световой волны была под углом 45° по отношению к двум главным осям элемента Поккельса. Если на элемент Поккельса воздействовать электрическим полем, то на выходной торцевой поверхности элемента между составляющими напряженности вдоль двух главных осей появится разность фаз б. Например, для элемента Поккельса с продольной модуляцией в кубическом кристалле, свет в который подается со стороны поверхности (001), с учетом формул (5.14) получается

2я 3 г- г и

-г- ПоУпЕзЬ = л

(5.15)

Здесь Я -длина волны света; и„ = к/{2п1уц)- полуволновое электрическое напряжение, при котором б = я; L - длина оптического пути элемента; 6ех = £з- приложенное электрическое напряжение.

Если между модами света с линейной поляризацией возникает разность фаз б, то световая волна на выходе элемента Поккельса, как показано на рис. 5.23, в, имеет круговую поляризацию. Расположенная после элемента Поккельса четвертьволновая пластина преобразует входящие в нее световые волны с круговой поляризацией в световые волны с линейной поляризацией, т. е. осуществляет оптическое смещение первого рода. С выхода четвертьволновой пластины свет поступает на анализатор, которым модуляция по поляризации преобразуется в модуляцию по интенсивности. При этом световая мощность оценивается световым детектором и выражается как

(5.16)

P = Po(l-fsinn),

где Ро - мощность света при отсутствии электрического поля.

Исходя из этой формулы, по измеренному значению световой мощности можно определить приложенное напряжение Uex.

Материалы для элемента Поккельса. Чувствительность датчика электрического поля тем выше, чем больше электрооптический коэффициент материала для элемента Поккельса. В табл. 5.3 представлены характеристики ряда таких материалов.

Таблица 5.3. Электрооптический коэффициент первого порядка и показатель преломления для типичных материалов с эффектом Поккельса

нне.

Примечание. (S) - постоянное растяжение; (Т) - постоянное давле-

Практически используемые материалы с эффектом Поккельса можно разделить на оксидные монокристаллы тригональной системы [LiNbOs (LNO), Ь1ТаОз(ЬТО) и др.], полупроводниковые химические соединения кубической системы (ZnS, ZnTe и др.) и оксидные монокристаллы кубической системы (BGO, BSO и др.). Датчики на материалах тригональной системы с коэффициентом узз обладают высокой чувствительностью, но вследствие температурной зависимости коэффициента естественного двойного лучепреломления кристалла нуждаются в температурной компенсации, обычно достигаемой высокоточной обработкой кристалла. Полупроводниковые химические соединения кубической структуры при высокой температуре имеют низкое удельное сопротивление, поэтому датчики обладают низкой чувствительностью. Оксидные монокристаллы кубической системы не имеют естественного двойного лучепреломления и обладают высоким сопротивлением, а следовательно, высокой чувствительностью, что делает их наиболее пригодным материалом для элементов Поккельса.

Датчик на кристалле кубической системы. На рис. 5.24, а приведена структура датчика электрического поля с продольной модуляцией на кристалле BGO или BSO и подачей света на поверхность (001) кристалла* В этих монокристаллах, как кубических системах, относящихся, к тому же, к точечной группе симметрии (23), наблюдается не только эффект Поккельса, но и сильные признаки оптической активности. Поэтому, чтобы не допустить снижения чувствительности, обусловленного оптической активностью, необходимо обеспечить длину L оптического пути в элементе не менее 2 мм. Полуволновое напряжение для датчиков на кристаллах BGO и BSO получается соответственно 9,8 кВ (L=l мм, Я=0,85 мкм) и 6,6 кВ (L = 2 мм, Я=0,87 мкм). Используя в качестве источника света GaAlAs-световод, светоприемиика - кремниевый рш-фотодиод, а поляризатора и анализатора -тонкопленочный расщепитель поляризованных лучей, даже в BGO- и BSO-датчиках можно добиться нелинейности измерений выходного

Элемент Поккельса

Четвертьволновая пластина

Анализатор

(ВЦСеОго) Г

Поляризатор

Волновая Электрод Прозрачный 77ласот«09/11МЬОз электрод

выходящий свет

Волокно

Входяшдй свет I I Стержневая Поляризатор Зеркало линза (рутил)

Рис. 5.24. Магниточувствительная часть датчика: а -со схемой продольной модуляции на кристалле кубической системы; б - со схемой поперечной модуляции на кристалле тригональной системы