基于Pockels效应的微型电场传感器

摘要

随着光子学在最近十年的蓬勃发展，特别是光子学器件的成熟，光学电场测量技术引起了人们的广泛关注，光学电场探测器件在电气安全领域、强电场探测，天线阵列等领域有着广泛的需求和重要的应用前景。与传统基于电学的电场探测技术相比，基于Pockels电光效应的电场传感器采用非金属材料，易于小型化，大大减小了光电传感器的尺寸，不仅不会对被测电场产生干扰，还可以实现电场的精确测量。本论文设计研究出一种基于Pockels电光效应的微型电场传感器，将非金属器件进行组合集成，从而实现电场测量器件的小型化和集成化。 本文首先对Pockels电光效应的原理进行了分析，选择了电光系数大，稳定性好的铌酸锂晶体作为选择了电场传感器的电光晶体。接着介绍了晶体折射率椭球模型的物理意义，利用折射率椭球分析了铌酸锂晶体电光效应的数学表达式。分析反射式结构的优势，设计了微型反射式传感器结构，利用琼斯矩阵分析了传感器的工作原理，并利用COMSOL软件对设计的传感器进行了仿真。详细介绍了传感器的制作方法和步骤，展示了制作完成的传感器实物图，并对制作完成的传感器进行了插损和稳定性的测试。 对制作完成的微型传感器进行了低压电场，工频高压和高压针板电场测试，测试结果表明，传感器的探测灵敏度达2V/m，量程可达3000V/ram，并具有良好的线性度，与理论计算符合。通过数值仿真和传感器结构优化，提高了传感器在不同温度和振动下的稳定性。

目录

声明

致谢

摘要

1绪论

1．1课题研究背景

1．2电场测量技术的发展和国内外研究现状

1．3本论文的主要研究内容及章节安排

2光学电场传感器的分类及研究现状

2．1基于逆压电效应的光学电场传感器

2．2基于电光效应的光学电场传感器

2．2．1集成光波导型电场传感器

2．2．2基于Pockels电光效应的电场传感器

2．3典型光学电场传感器的比较

2．4本章小结

3基于Pockels效应的传感器原理分析

3．1 Pockels电光效应原理

3．2具有Pockels效应的电光晶体

3．2．1电光晶体的分类

3．2．2电光晶体的选择

3．3铌酸锂晶体的电光效应

3．3．1折射率椭球

3．3．2铌酸锂电光效应的表达

3．4本章小结

4基于Pockels效应的微型电场传感器的制作和测试

4．1光学电场传感器的一般结构

4．2电场传感器的工作原理和数学模型

4．2．1电场传感器的工作原理

4．2．2电场传感器的数学模型

4．3电场传感器结构的COMSOL仿真研究

4．4电场传感器的制作

4．5电场传感器的性能测试

4．5．1插入损耗测试

4．5．2稳定性测试

4．6本章小结

5基于Pockels效应的微型电场传感器的实验研究

5．1低压电场测量

5．1．1电场传感器测量系统搭建

5．1．2低压电场测量

5．1．3频率响应分析

5．1．4线性动态范围分析

5．1．5灵敏度测试

5．2工频高压电场测量

5．2．1电场传感器测量系统搭建

5．2．2灵敏度测量

5．2．3噪声分析

5．3高压针板电场测量

5．4本章小结

6总结和展望

6．1本文总结

6．2展望

参考文献

作者简历