基于磁柱型轴向均匀磁场产生装置的法拉第磁致旋光仪及实验设计

该文改进了法拉第磁致旋光仪的轴向磁场产生装置,设计核心是将多个沿厚度方向充磁的圆柱形钕铁硼永磁铁对称地放置在待测样品周围,具有磁场空间分布稳定、轴向磁场均匀、大小灵活可调等优点。此外,提出采用“相位法”测量法拉第磁致旋光角,通过与“消光法”比较表明,“相位法”能显著提高测量精度,测量误差小于0.5°。改进的磁场产生装置和测量方法也可用于法拉第反常色散滤光器等磁光旋转科研实验。

Verdet常数色散对光学电流传感器灵敏度影响的理论研究

为了加深对灵敏度问题的理解,这里以琼斯矩阵为数学工具,利用理论分析和计算机仿真的方法研究了重火石玻璃的Verdet常数色散特性及其对块状玻璃光学电流传感器灵敏度的影响.在块状玻璃光学电流传感器系统中,光源的驱动电流与环境温度改变,都会造成光源峰值波长移动.传感头光学材料的Verdet常数的色散特性会使光学电流传感器的灵敏度随光源波长的变化而改变.研究结果表明,Verdet常数的色散特性会对输出曲线的尺度因子产生明显的影响.因此,对光源采取恒温恒流控制或者对结果进行校正是必要的.该研究结果可为光学电流传感器的研究设计人员提供有用的参考.

Dy_(2)Zr_(2)O_(7)磁光透明陶瓷的制备及法拉第效应

以自制的Dy_(2)O_(3)超细粉与市售的ZrO_(2)粉料为主要原料,经球磨混合后通过高温固相反应合成了平均粒径约为150 nm的Dy_(2)Zr_(2)O_(7)粉体,再经过冷等静压成型和真空烧结获得了Dy_(2)Zr_(2)O_(7)磁光透明陶瓷。研究表明,该陶瓷样品具有典型的缺陷萤石结构,在635 nm波长处的直线透过率约为68%,达到了理论透过率的88%。Dy_(2)Zr_(2)O_(7)透明陶瓷在635,780,1 064 nm处的费尔德(Verdet)常数分别为(-182±7),(-118±2),(-48±1) rad·T^(-1)·m^(-1),在1 064 nm近红外波段处约为商用铽镓石榴石单晶的1.24倍,在635 nm可见光波段处约为铽镓石榴石单晶的1.33倍。研究结果证明Dy_(2)Zr_(2)O_(7)透明陶瓷是一种有潜力的新型磁光材料。

光源谱宽通过Verdet常量的色散对OCS输出影响的理论分析

费尔德(Verdet)常量是衡量磁光玻璃材料性能的重要参数之一.它是光波长的函数,因而存在色散特性.当光学电流传感系统采用具有一定谱宽的光源时,会因材料的Verdet常量对不同波长的光具有不同的量值而对系统的输出产生影响.迄今为止对该问题的研究尚罕见报道.文中先求解了ZF-7玻璃Verdet常量色散特性公式中磁光系数的大小,然后对光源谱宽通过Verdet常量色散对输出的影响进行了理论分析和计算机仿真.研究结果表明,光源谱宽在60 nm范围内通过Verdet常量的色散特性对OCS系统输出的影响小于万分之四,因此在理论研究中若不考虑其他光学参量的色散效应,用单色光模型处理光源具有一定谱宽的系统的做法是合理的与可行的.此结果可供从事光学电流传感器研究的同行参考.

高Verdet常数的Tb^(3+)铝硼硅酸盐玻璃

本文研究了一种铝硼硅酸盐基质玻璃,通过加大单位体积的稀土离子浓度,并选择P值大的顺磁性Tb^(3+)作为弗尔德常数贡献的主要离子,经反复试验研究,制定合理的熔制工艺,得到性能稳定的透明顺磁旋光玻璃。弗尔德常数V=-0.375/Oe·cm。是目前世界上弗尔德常数较高的磁旋光玻璃。

磁光玻璃Verdet常数的精确测量

为了精确测量磁光玻璃的Verdet常数,设计了测试光路;应用光学矩阵方法对测量原理进行了分析,得到了具有线性双折射时磁光玻璃的法拉第偏转角的计算公式,并进一步得到了线性双折射较小时磁光玻璃Verdet常数的计算公式。在实验室条件下对同一块磁光玻璃用633nm和780nm两种激光光源分别进行了测量,测量结果表明:只有当线性双折射引起的相位延迟量远小于法拉第偏转角时,测量得到的Verdet常数可以忽略线性双折射,否则必须要消除线性双折射的影响,这对于磁光玻璃在光学电流互感器中的应用具有重要的参考价值。

磁光材料Verdet常数贡献性的讨论

Verdet常数是表征材料磁光性能的重要参数,具有波长和温度依赖性.为了更好地分析入射光波长、温度等对Verdet常数的影响机理,从基础理论切入,分析了现有理论的优缺点.结合光的波粒二象性特性,提出了波动跃迁性贡献理论,即法拉第效应是光的波动性作用以及电偶极跃迁作用带来的贡献之和,波动性对偏转角的贡献为正,跃迁性贡献为负.在抗磁性材料中,波动性贡献大于跃迁性贡献,Verdet常数为正;顺磁性材料中,跃迁性贡献远大于波动性贡献,Verdet常数为负.进而分别以典型抗磁性材料重火石玻璃ZF1和顺磁性材料铽镓石榴石为例,并结合相关数据、参数、模型,对理论进行了验证.试验结果表明,在精确描述材料Verdet常数方面,波动跃迁性贡献理论具有一定的优越性.

磁致旋光效应实验的改进

针对目前高校开设的磁致旋光效应实验中存在的不足,将相关实验公式进一步推导,得到同种旋光玻璃的费尔德常数和入射光波波长的数学关系,并将其扩充到实验中,使得该实验项目在内容设计上更加饱满、严谨和完善。

激光浮区法生长TbYO_(3)晶体

随着高功率固态激光器和光纤激光器的发展,对可见光-近红外区域的光学隔离器要求逐渐增加。目前设备原件正趋于小型化发展,工业应用最广泛的铽镓石榴石(TGG)晶体因其较小的Verdet常数,无法满足未来高功率激光器的需要。Tb 2 O_(3)具有较高的Verdet常数,但是高熔点和相变机制使其难以通过常规提拉法进行单晶生长。本研究通过向Tb_(2)O_(3)中掺杂Y_(2)O_(3),研究了不同掺杂浓度下(Tb x Y 1-x)2 O_(3)的晶体生长。在n(Tb)∶n(Y)=1∶1时,通过激光浮区(LFZ)法生长了TbYO_(3)单晶,而纯净的Tb_(2)O_(3)和(Tb 0.3 Y 0.7)_(2)O_(3)单晶无法通过该方法合成。TbYO_(3)晶体具有较高的Verdet常数(445 nm处为529 rad·T^(-1)·m^(-1),880 nm处为116 rad·T^(-1)·m^(-1)),为TGG晶体(445 nm处为350 rad·T^(-1)·m^(-1),880 nm处为49 rad·T^(-1)·m^(-1))的1.51~2.37倍。因此,TbYO_(3)晶体可以有效减少构建光学隔离器的介质长度或降低嵌入光学隔离器所需的磁场强度。此外,TbYO_(3)晶体还具有11 W·m^(-1)·K^(-1)的中等热导率,1.67 GW·cm-2的高激光损伤阈值。这些优点可以使TbYO_(3)晶体成为一种有吸引力的磁光材料。

一种提高光学电流互感器温度稳定性的新方法

光学电流互感器的温度稳定性差是阻碍其实用化的主要原因。提出了一种新的基于比较测量法的温度补偿方法——比较式OCT,它通过引入永久磁铁产生的恒定参考磁场,将被测电流磁场与参考磁场进行比较,得到与温度影响因子无关、而仅与被测电流大小有关的最终输出,实现了对影响OCT温度稳定性的两个主要因素——Verdet常数和线性双折射的同时补偿。针对比较式OCT解调的特殊要求,设计了双输入双输出的传感头结构。对比较式OCT的温度试验证实了比较补偿法的有效性。

全光纤电流互感器的温度特性

全光纤电流互感器（FOCT）比差随温度漂移会引起FOCT准确度下降。为解决这一问题,首先阐述了温度波动对全光纤电流互感器影响的机理,并依据该机理分别建立了温度对线性双折射影响的数学模型和线性双折射对全光纤电流互感器影响的数学模型。进而推导出温度对全光纤电流互感器影响的数学模型,通过该数学模型量化研究了FOCT比差随温度漂移问题。得到了FOCT温度特性为：在试验温度范围即10~60℃内,比差与线性双折射相位差和温度都近似呈线性关系。进一步试验验证了FOCT比差与温度的近似线性关系,且基于该关系对互感器进行温度补偿,可使其精度满足0.2级的要求。

全光纤电流互感器的温度误差补偿技术

分析了全光纤电流互感器(FOCT)温度误差的主要来源,理论计算了温度变化下光纤λ/4波片与维尔德(Verdet)常数引入的误差,提出了一种温度误差补偿技术。通过在制作光纤λ/4波片时选择合适的初始相位延迟角,使λ/4波片引入误差与维尔德常数引入误差正好相反,从而达到相互补偿的目的。试验结果表明,通过补偿,FOCT能够满足0.2s级测量用电子式电流互感器的温度循环准确度要求。

光源功率衰减对闭环光纤电流互感器变比影响研究

通过分析光源功率、中心波长、传感光纤Verdet常量,以及闭环光纤电流互感器变比之间的关系,结合测试数据,证明了中心波长漂移是光源功率衰减引起闭环互感器变比变化的主要原因.提出了一种通过提取光路干涉结果中直流信息,修正闭环互感器数字输出的方法,实现光源功率衰减引起的互感器变比误差补偿.实验结果表明,在出光功率衰减程度相同的情况下,闭环互感器变比变化量从补偿前的1.53%降低到了补偿后的0.45%.

大尺寸TGG晶体生长与性能研究

铽镓石榴石(Tb_3Ga_5O_(12),TGG)晶体具有大的Verdet常数、低的透射损耗、高的热导率及高的激光损伤阈值,是制作高功率全固态激光器中法拉第隔离器的最佳磁光材料。采用自主研发的JGD-800型上称重自动提拉炉,成功生长出φ53mm×80mm,外观完整,无开裂、无螺旋的TGG晶体。加工了用于高功率隔离器、尺寸为φ40mm×30mm的TGG样品,通过可见及近红外分光光度计测试,晶体透过率约为80.6%;测试晶体的室温热导率为4.566 W/(m·K),其热导率随温度升高而下降。热膨胀测试结果表明,在26.5~200℃时,热膨胀系数为-2.682 0×10-6 K^(-1);在200~500℃时,热膨胀系数为15.090 4×10^(-6) K^(-1)。通过正交消光法测试1 064nm波长晶体的Verdet常数为39.9rad/(mT);经ZYGO干涉仪测试晶体的光学均匀性为4.3×10^(-6),透射波前为λ/5(波长λ=632.8nm);采用波长1 064nm,10Hz、9ns激光测试晶体的激光损伤阈值为3.5GW/cm^2。结果表明,本实验方法生长的大尺寸TGG晶体质量较好,在高功率全固态激光器领域中具有广泛的应用前景。

光纤电流互感器λ/4波片温度特性及其影响研究

λ/4波片是通过截取适当长度的保偏光纤制作的,它的相位延迟会随温度的变化而改变。利用这一特性,可以补偿由于λ/4波片相位延迟变化造成的互感器尺度因子变化,同时也可以测量光纤电流互感器传感头的温度,补偿维尔德(Verdet)常数的温度影响,提高光纤电流互感器的测量精度。

稀土法拉第磁光玻璃研究新进展

稀土法拉第磁光玻璃是一种新型的功能材料,因其各向均匀性好、磁光性能优异、成本低廉而在光纤通信和传感等领域有着广阔的应用前景。介绍了磁光玻璃法拉第效应的基本原理;讨论了稀土离子种类及其浓度、基质玻璃、入射波波长、电子有效跃迁波长和绝对温度对法拉第磁光效应的影响;总结了磁光玻璃的制备方法和当前磁光玻璃研究中存在的问题。

顺磁性铽玻璃法拉第效应温度特性实验研究

利用具有温度控制的磁光调制倍频法,测量了Tb20顺磁性铽玻璃在293K^343K范围内不同温度下的本征旋转和费尔德常量的温度响应特性.结果表明,这种铽玻璃具有敏感的温度响应.以此种玻璃制作各种磁光器件,特别是在准确度要求很高的零锁区激光陀螺中作为法拉第偏频器件时,必须进行温度补偿.最后给出了两种可能的温度补偿方法.

全光纤电流互感器温度特性建模分析与实验研究

建立了全光纤电流互感器（fiber-optical current transformer,FOCT）温度特性的数学模型。该模型充分考虑传感光纤的弯曲特性,结合光纤线性双折射的分布参数模型从本质上解释了温度对线性双折射的影响机理：由于传感环的弯曲性,温度变化会导致光纤横截面上的受力不对称,进而引起线性双折射;单位长度光纤的线性双折射相位差与温度变化量成正比,与光纤弯曲半径成反比。并结合光纤Verdet常数的温度特性综合量化了温度对FOCT的影响。采用COMSOL有限元分析方法实现光场、磁场、温度场、应力场的耦合并分析求解。仿真结果表明：双折射效应会使光波旋转角变小;光纤横截面上的应力差与温度变化量成正比,与光纤弯曲半径成反比;温度波动将引起线性双折射,进而使光波旋转角减小;结合Verdet常数得到了温度波动时FOCT的综合误差,与理论分析结果吻合。最后设计并搭建FOCT实验平台,进行线性度测试和温度循环测试。测试结果表明：实验误差与理论误差变化趋势基本一致;温度波动越大,FOCT误差漂移越严重,必须采取补偿措施,故提出一系列改善FOCT温度稳定性的方法。仿真与实验结果验证了理论分析的正确性。

比较式光学电流互感器的分析设计与试验研究

缺乏长期稳定性是光学电流互感器走向实用化、实现大面积推广的主要阻碍,针对这一问题,提出一种新补偿方案——比较式光学电流互感器。它将光学测量法与比较测量法相结合,巧妙地实现了对线性双折射和Verdet常数这两个稳定性影响因子的同时补偿。设计了双输入双输出的解调方法及相应的传感头结构和信号处理单元。这种解调方法可以更好地克服光路及电路的不一致对测量结果的影响,提升互感器的整体性能。试验结果表明:比较式光学电流互感器的线性度可达到IEC0.2级要求;在光学电流互感器适用的220kV以上电压等级应用场合,比较式光学电流互感器具有较好的抗干扰性能;在50℃温度变化范围内,普通光学电流互感器的误差变化量高达16%,而比较式光学电流互感器的误差变化仅有1%,证实了基于比较法的补偿方案的有效性。

用于光纤电流传感器的BGO晶体磁光特性研究

在理论分析Bi_4Ge_3O_(12)(BGO)晶体磁光特性的基础上,利用倍频法测量了不同工作波长下BGO晶体的费尔德常量,获得了与理论相符的实验结果·同时根据BGO晶体费尔德常量随波长的变化关系曲线,通过对该晶体吸收系数的测量,得出了其磁光优值曲线·进而将BGO晶体的磁光特性与光纤电流传感器常用的几种磁光材料作了对比,结果表明BGO晶体适合用于光纤电流传感器·