1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки
  4. T. 503, № 1, 2022

Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки, 2022, T. 503, № 1, стр. 8-12

СВЕРХШИРОКОПОЛОСНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА ОСНОВЕ КРИСТАЛЛА ТЕЛЛУРИДА КАДМИЯ В ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ВОЛОКОННОМ СЕНСОРЕ

Т. В. Долматов 1, *, В. В. Букин 1, член-корреспондент РАН С. В. Гарнов 1, О. А. Герасимчук 2, Ю. Ю. Поповский 2, В. В. Неуструев 2, К. Ю. Сахаров 3, О. В. Михеев 3

1 Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук
Москва, Россия

2 Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова
Москва, Россия

3 Всероссийский научно-исследовательский институт оптико-физических измерений
Москва, Россия

* E-mail: timohodik@gmail.com

Поступила в редакцию 09.12.2021
После доработки 09.12.2021
Принята к публикации 14.12.2021

Полный текст (PDF)

Аннотация

В работе представлена относительно простая оптоволоконная система для измерения электромагнитных полей высокой мощности. В системе используется полностью диэлектрический первичный преобразователь с электрооптическим кристаллом CdTe в качестве преобразователя электрического поля. Волоконный сенсор малых размеров преобразует напряженность электрического поля в модуляцию оптической мощности. В работе измеряется и оценивается теоретически время нарастания переходной характеристики электрооптического датчика. Представленная система может использоваться при измерениях сверхширокополосных электромагнитных полей большой мощности.

Ключевые слова: эффект Поккельса, электрооптика, мощные электромагнитные поля, сверхширокополосное измерение поля

Исследования по измерению интенсивного электрического поля важны для множества областей, таких как техника высокого напряжения, технология генераторов электромагнитных импульсов и физика высоких энергий. Хотя антенны по-прежнему широко используются в измерениях электрического поля, они обладают определенными недостатками из-за их проводящей конструкции, например, сильное возмущение измеряемого поля, чрезмерные потери в кабельных линиях, отсутствие гальванической развязки и значительные размеры (порядка наибольшей длины волны для сверхширокополосных антенн). Оптоволоконные электрооптические (ЭО) датчики не имеют перечисленных недостатков, будучи полностью диэлектрическими и широкополосными по своей природе. Диэлектрическая конструкция делает такие датчики малоинвазивными, гальванически изолированными, а также невосприимчивыми к электрическим пробоям. ЭО-датчики имеют очень широкий диапазон рабочих частот, который в основном определяется материалом ЭО среды и ее размерами.

Линейный электрооптический эффект (также известный как эффект Поккельса), присутствующий в ряде кристаллических материалов, позволяет модулировать состояние поляризации света внешним электрическим полем, приложенным к материалу. Этот факт, а также широкое развитие волоконной связи, позволяет создавать датчики электрического поля с полностью диэлектрическими первичными преобразователями.

Было опубликовано значительное количество работ о создании таких датчиков и измерительных систем [1–4], а также обширные исследования по выбору электрооптических материалов [5, 6]. Основная цель данной работы – реализация относительно простой схемы датчика ЭО для системы измерения мощных сверхширокополосных импульсов электромагнитного поля.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Описываемый датчик электрического поля основан на электрооптическом кристалле теллурида кадмия (CdTe) размером 5 × 5 × 5 мм, вырезанным вдоль оси [110]. Теллурид кадмия имеет наибольший электрооптический отклик среди других кубических кристаллов и является изотропным в отсутствие электрических полей. Отсутствие естественного двулучепреломления в кубических кристаллах упрощает оптическую систему, поскольку снимает необходимость компенсировать температурный дрейф двулучепреломления. Первичный преобразователь датчика электрического поля, показанный на рис. 1, состоит из волоконного коллиматора с сохранением поляризации (PM), поляризационного куба-светоделителя 5 × 5 × 5 мм, кристалла CdTe и волновой пластины 5 × 5 мм λ/8 с оптической осью на диагонали и зеркальным покрытием с одной стороны. Датчик склеен с помощью оптического клея NOA61 УФ-отверждения. Простота сборки первичного преобразователя обеспечивается совпадением размеров оптических элементов, и при склейке элементы достаточно хорошо ориентируются по граням благодаря поверхностному натяжению УФ-клея. Единственный этап, требующий юстировки, – склейка коллиматора и сборки поляризатор – кристалл – волновая пластина.

Рис. 1.

Схема оптоволоконного первичного преобразователя электрического поля. 1 – волоконный коллиматор PM, 2 – стеклянная трубка, 3 – куб поляризационного светоделителя, 4 – кристалл CdTe, 5 – волновая пластина λ/8 с высокоотражающим диэлектрическим покрытием. Дополнительно показана ориентация осей кристалла CdTe.

Компонента электрического поля вдоль оси кристалла [–110] вызывает изменение состояния поляризации падающего света из-за электро- оптического эффекта в CdTe. Это изменение поляризации затем преобразуется в изменение мощности с помощью поляризационного куба. Волновая пластина добавляет начальный фазовый сдвиг, чтобы обеспечить линейный отклик датчика. Используя матричное исчисление Джонса [7], выходной вектор Джонса датчика может быть записан как

(1)
${{X}_{{{\text{out}}}}} = Pol.{{R}^{{ - 1}}}.Cr.W.M.W.Cr.R.Pol.X,$
с матрицами соответствующих элементов, приведенными в табл. 1.

Таблица 1.

Матрицы Джонса компонентов датчика

Обозначение Описание Матрица/Вектор Джонса
X Вектор падающего излучения $\left( {\begin{array}{*{20}{c}} 1 \\ 0 \end{array}} \right)$
Pol Поляризатор $\left( {\begin{array}{*{20}{c}} 1&0 \\ 0&0 \end{array}} \right)$
R Матрица поворота на 45° 1 $\left( {\begin{array}{*{20}{c}} {1{\text{/}}\sqrt 2 }&{ - 1{\text{/}}\sqrt 2 } \\ {1{\text{/}}\sqrt 2 }&{1{\text{/}}\sqrt 2 } \end{array}} \right)$
Cr Двупреломление кристалла CdTe $\left( {\begin{array}{*{20}{c}} {{{e}^{{i\gamma /2}}}}&0 \\ 0&{{{e}^{{ - i\gamma /2}}}} \end{array}} \right)$
W Двупреломление пластинки λ/8 $\left( {\begin{array}{*{20}{c}} {{{e}^{{i\pi /8}}}}&0 \\ 0&{{{e}^{{ - i\pi /8}}}} \end{array}} \right)$
M Зеркало $\left( {\begin{array}{*{20}{c}} 1&0 \\ 0&{ - 1} \end{array}} \right)$

1 Матрица поворота учитывает оси кристалла и волновой пластины, выровненные под углом 45° к поляризации входящего света.

Модуль Xout дает мощность света, отраженного от датчика:

(2a)
$\left| {{{X}_{{{\text{out}}}}}} \right| = P\left( {{{E}_{{{\text{ext}}}}}} \right) = {{P}_{0}}\,{\text{sin}}{{\left( {\frac{{{\pi }}}{4} + \gamma \left( {{{E}_{{{\text{ext}}}}}} \right)} \right)}^{2}},$
(2б)
$\begin{gathered} \gamma \left( {{{E}_{{{\text{ext}}}}}} \right) = \frac{{2\pi \alpha L{{n}^{3}}{{r}_{{41}}}{{E}_{{{\text{ext}}}}}}}{\lambda } = \\ = S{{E}_{{{\text{ext}}}}} = 5.07 \times {{10}^{{ - 7}}}\left[ {\frac{{\text{м}}}{{\text{В}}}} \right]{{E}_{{{\text{ext}}}}}, \\ \end{gathered} $
где γ – величина фазового набега в кристалле CdTe, вызванного электрическим полем, $L = 5$ [мм] – длина кристалла, ${{n}^{3}}{{r}_{{41}}}$ = 92.6 [пм/В] – ЭО-отклик кристалла, $\lambda = 1550$ [нм] – длина волны света, Eext [В/м] – напряженность внешнего электрического поля и α = 0.27 – коэффициент ослабления электрического поля в кристалле CdTe, рассчитанный методом конечных элементов.

Выражение (2а) можно (в окрестности ${{E}_{{{\text{ext}}}}} = 0$, т.е. в линейном режиме) записать как

(3a)
$P\left( {{{E}_{{{\text{ext}}}}}} \right) = \frac{{{{P}_{0}}}}{2} + \delta P \approx \frac{{{{P}_{0}}}}{2} + {{P}_{{0\,}}}S{{E}_{{{\text{ext}}}}},$
(3б)
$\frac{{\delta P}}{{{{P}_{0}}}} = S{{E}_{{{\text{ext}}}}},$
где S = 5.07 × 10–7 [м/В] представляет указанную чувствительность датчика. В эксперименте $\delta P$ и $\frac{{{{P}_{0}}}}{2}$ получают из переменного и постоянного фототока соответственно.

На рис. 2 изображена схема измерительного стенда с ЭО первичным преобразователем. Стенд состоит из одночастотного лазера Thorlabs SFL1550P с контроллером CLD1015, изолятора IO-G-1550-APC, циркулятора CIR1550PM-APC, первичного преобразователя электрического поля и фотоприемного устройства (ФПУ) производства НПФ “ДИЛАЗ” с усилителем 20 дБ (время нарастания 70 пс). Сигнал с фотоприемного устройства регистрировался осциллографом Tektronix DPO71604C (время нарастания 25 пс).

Рис. 2.

Схема измерительного стенда: 1 – лазерный модуль, 2 – оптоволоконный изолятор, 3 – оптоволоконный циркулятор, 4 – оптоволоконный кабель с сохранением поляризации, 5 – первичный преобразователь, 6 – фотоприемное устройство.

Первичный преобразователь помещался в полеобразующую линию [8], представляющую собой симметричную полосковую линию высотой 20 см, в которой воспроизводились электромагнитные импульсы напряженностью 150 кВ/м и длительностью переднего фронта 76 пс с частотой повторения 1 кГц. Также в полеобразующую линию помещался эталонный измерительный преобразователь полоскового типа (ИППЛ-Л, время нарастания 36 пс, коэффициент преобразования 1.49 × 10–4 В/(В/м)). Схема эксперимента приведена на рис. 3.

Рис. 3.

Схема эксперимента. Полеобразующая система запитывалась генератором высоковольтных импульсов. Напряженность электрического поля внутри линии регистрировалась с помощью полоскового и электрооптического преобразователей. На схеме указаны направления вектора напряженности электрического поля (E) и вектора Пойнтинга (P).

РЕЗУЛЬТАТЫ

На рис. 4 представлены осциллограммы откликов электрооптического и полоскового преобразователей на электрическое поле волны в полеобразующей системе. Сигнал фототока P0/2 ЭО датчика составил 1.5 В, таким образом, чувствительность ЭО преобразователя составила 1.52 × 10–6 В/(В/м).

Рис. 4.

Осциллограммы напряженности электрического поля, зарегистрированные с помощью полоскового и электрооптического преобразователя: a – на развертке 20 нс; б – на развертке 1 нс.

На рис. 4a отклик полоскового преобразователя длится около 10 нс, что соответствует максимальному времени регистрации для данного преобразователя. Также можно видеть неоднородность на вершине отклика, соответствующую волне, отраженной от активной нагрузки поле- образующей системы. Заметим, что отраженная волна имеет разную полярность для двух преобразователей. Это связано с тем, что полосковые преобразователи корректно работают для волн, распространяющихся только в одном направлении (падающих на преобразователь спереди), в то время как отраженная волна падает на полосковый преобразователь сзади. Электрооптический преобразователь лишен этих недостатков, и корректно отображает отраженную волну. Измеренное время нарастания переходной характеристики электрооптического преобразователя составило 140 пс, что хорошо согласуется с расчетным собственным временем нарастания ЭО-преобразователя, составившего 100 пс. Погрешность измерения напряженности электрического поля с помощью ЭО-датчика составляет не более 10% и определяется преимущественно неравномерностью вершины переходной характеристики и точностью калибровки.

ВЫВОДЫ

Экспериментально подтверждено, что представленный ЭО-датчик позволяет с приемлемой точностью измерять напряженность и временные параметры мощных импульсных электромагнитных полей с короткими фронтами (150 пс и более). Представленная ЭО-система относительно проста в сборке и эксплуатации, а также стабильна относительно температурных изменений благодаря использованию изотропного ЭО-кристалла. ЭО-датчик позволяет проводить измерения параметров мощных электромагнитных полей в относительно небольших пространствах, практически не искажая поле и не провоцируя электрических пробоев. Аналоговая информация от ЭО-датчика может передаваться на значительные расстояния (до сотни метров) без искажений благодаря использованию оптоволоконных кабелей.

Список литературы

  1. Togo H. Flexibility and Sensitivity Enhancement in Optical Electric-Field Sensor with Bulk Electro-Optic Crystal. Graduate School of Systems and Information Engineering, University of Tsukuba, Japan, March 2010.

  2. Berrnier M., Gaborit G., Duvillaret L., Paupert A., Lasserre J.-L. Electric field and temperature measurement using ultra wide bandwidth pigtailed electro-optic probes // Appl. Opt. 2008. V. 47. P. 2470–2476.

  3. Gaeremynck Y., Gaborit G., Duvillaret L., Ruaro M., Lecoche F. Two electric-field components measurement using a 2-port pigtailed electro-optic sensor // Appl. Phys. Lett. 2011. V. 99. P. 141102–1– 3.

  4. Gaborit G., Jarrige P., Gaeremynck Y., Warzecha A., Bernier M., Lasserre J.-L., Duvillaret L. Pockels’ Effect-Based Probe for UWB and HPEM Measurements. Ultra-Wideband, Short-Pulse Electromagnetics. 2014. V. 10. P. 411–421.

  5. Duvillaret L., Rialland S., Coutaz J. Electro-optic sensors for electric field measurements. I. Theoretical comparison among different modulation techniques // J. Opt. Soc. Am. B. 2002. V. 19. P. 2692–2703.

  6. Duvillaret L., Rialland S., Coutaz J. Electro-optic sensors for electric field measurements. II. Choice of the crystals and complete optimization of their orientation // J. Opt. Soc. Am. B. 2002. V. 19. P. 2704–2715.

  7. Fowles G.R. Introduction to Modern Optics. 2nd ed. Dover Publications, Inc: 31 East 2nd Street, Mineola, N.Y., USA, 1989. P. 33–52.

  8. Sakharov K.Y., Mikheev O.V., Turkin V.A., Sukhov A.V., Dobrotvorsky M.I. Get 148–2013: State Primary Special Standard of Units of Electric and Magnetic Pulse Field Strengths with Pulse Rise Time in the Range from 0.1 to 10.0 ns // Measurement Techniques. 2019. № 10 (61). P. 967–972. https://doi.org/10.1007/s11018-019-01534-z

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал