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.

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.

基于全光纤型系统的光纤Verdet常数测量

为对光纤磁敏感性进行研究，基于法拉第效应原理，利用琼斯矩阵建立了全光纤型光纤Verdet常数测量系统的传输模型。对输入端光纤、输出端光纤、被测光纤对系统输出的影响进行了分析与仿真，结果表明测量系统中输入端保偏光纤对系统输出有影响，输出端光纤及光纤种类不影响系统输出，并确定了被测光纤的有效被测长度。搭建测量系统对单模光纤进行测量，测量的单模光纤Verdet常数为0．52±0．01rad／（T·m），多根光纤测量结果在0．52～0．56rad／（T·m）之间，且不同驱动电压下的测量结果与驱动电流成线性关系，说明系统线性度好。实验结果证明了此系统具有很好的可靠性与稳定性。

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。

基于光纤Sagnac干涉结构的磁光光纤费尔德常数测量

提出了一种基于光纤Sagnac干涉结构的磁光光纤费尔德(Verdet)常数测量方法。通过测量光纤Sagnac干涉结构的损耗及其所能达到的最小透射率,可计算光路中耦合器的分光比;进而根据Sagnac干涉结构的透射率随外加磁场的变化,确定光纤的等效Verdet常数值。使用该方法实验测量了高非线性光纤Verdet常数的波长依赖性,成为磁光四波混频效应研究中磁光耦合系数选择和波长设置的重要依据。

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。

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。

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。

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。

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。

光纤电流互感器对保护精度和可靠性的影响分析

光纤电流互感器具有无饱和、动态范围大等优点,在智能变电站和直流输电工程中有一定应用。文中从光纤电流互感器原理及结构出发,分析其对交、直流系统的暂态响应特性及对保护应用的影响;研究Verdet常数、光粒子性、环境温度、光学器件老化等因素对互感器精度的影响及对保护的影响;分析其数字化采样、光纤施工、安装极性等带来的保护可靠性问题,并提出应对策略;提出了提高光纤电流互感器可靠性的方法和技术应用水平。

掺Tb^(3+)法拉第磁光玻璃研究新进展

Tb3+掺杂Faraday磁光玻璃是一种新型的功能材料,在光纤通信和传感领域有广阔的应用前景。介绍了磁光玻璃Faraday效应的基本原理和Tb3+离子的磁光性能,讨论了入射光波长、电子有效跃迁波长、基质玻璃、外界温度和Tb3+离子浓度对磁光效应的影响,以及Tb3+离子掺杂量对磁光玻璃形成能力和热稳定性的影响,提出了法拉第磁光玻璃研究新方向。

磁光式电流互感器相对误差影响因素分析

通过对基于改进型双光路检测法的磁光式电流互感器(MOCT)工作原理的研究,指出MOCT输出信号受工作波长波动及起偏器与检偏器透光轴交角误差的影响。分析了MOCT输出信号满足IEC60044-8标准中0.2级和0.5级准确度要求时,不同工作中心波长情况下工作波长改变量和透光轴交角误差的变化范围和趋势,分析表明,MOCT可承受的工作波长变化范围随着工作中心波长的增大而增大;一次侧额定电流为100 A小电流时,工作中心波长的改变对MOCT可承受的透光轴交角误差范围影响不明显,一次侧额定电流为2000 A大电流时,影响较明显。研究了输出信号相对误差与工作波长改变量及交角误差的关系,研究表明输出信号相对误差与工作波长改变量呈线性关系,与交角误差呈非线性关系。

空芯光子晶体光纤磁敏感性研究

空芯光子晶体光纤是一种新型的陀螺用光纤,较传统光纤具有良好的抗磁性,光纤的磁敏感性是由光纤的Verdet常数来表征的。为研究空芯光子晶体光纤的磁敏感性,利用Comsol软件对HC-1550-2空芯光子晶体光纤的Verdet常数进行仿真计算,选用含有法拉第旋转反射镜(FRM)的反射式双光路测量方案对空芯光子晶体光纤的Verdet常数进行实验测量。双光路测量系统中的FRM可以消除被测光纤中线性双折射对测量的影响。仿真与测量结果相吻合,且由结果可知空芯光子晶体光纤的Verdet常数约为传统光纤的1/100倍,验证了空芯光子晶体光纤在陀螺降低磁敏感性方面的优势。

用Faraday效应测量光学材料的色散率

介绍了利用Faraday磁致旋光性原理 ,测量光学材料色散率的方法 .此方法对Verdet常数大的光学材料来说 。

基于磁旋光效应的质量浓度测量仪优化设计

在原旋光仪的基础上,提出用法拉第磁光效应测量溶液质量浓度的方法.通过改变电流的大小让光矢量自动旋转到消光位置,将机械转动转角量转变为电学量进行测量,降低了由机械转动所带来的误差对测量精度的影响.通过对Verdet常数进行校准的测量,运用人工神经网络BP算法进行反馈学习,得出更精确的电学量与溶液质量浓度的比例关系,使误差降到最低.实现了对溶液质量浓度的静态测量,有成本低,测量简单,噪声小,寿命长,精度高等优点.

两个光学参量色散对光学玻璃OCT灵敏度的影响

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单层保偏反射膜反射相移的色散特性和光学玻璃的Verdet常数色散特性以及它们对光学玻璃电流互感器灵敏度的综合影响。结果表明:这种影响可使互感器输出波动超出国家技术标准的要求。因此,应对光源采取恒温控制,并对光源驱动电流恒流控制或对系统输出结果采取补偿措施。

In掺杂对Cd_(0.8)Mn_(0.2)Te巨法拉第效应的影响

常温下测量了Cd0.8Mn0.2Te晶片和多个掺In浓度不同的Cd0.8Mn0.2Te（以下简称Cd0.8Mn0.2Te：In）晶片的法拉第旋转谱和吸收边附近的透射光谱。结果表明，随着入射光子能量的增大，Cd0.8Mn0.2Te和Cd0.8Mn0.2Te：In的Verdet常数随之增大。掺In晶片的Verdet常数的变化与掺杂浓度有关：当光子能量在1．63～1．72eV范围内逐渐增加时，未掺In的测量值的变化范围是710～1820（°）／cm·T；当In浓度为8．96×10^16 atoms／cm^3时，Verdet常数增大到720-1960（°）／cm·T：当In浓度n分别为2．39×10^17，4．48×10^18 atoms／cm^3时，Verdet常数分别减小到660～1630，490-1090（°）／cm·T；当In浓度达到2．99×10^19 atoms／cm^3时，在1．63～1．70eV的光子能量范围内，Verdet常数减小到460～740（°）／cm·T。低掺In条件下，Verdet常数的增大是由于价带电子数增多，价带类P电子与Mn^2＋离子3d电子交换相互作用增强引起的；在高掺In量下，由于导带类s电子与Mn^2＋离子3d电子交换相互作用增强，导带能级分裂进一步减小，导致Cd0.8Mn0.2Te：In的Verdet常数减小。