[发明专利]一种无电极结构的无源脉冲电场探测器

说明书

本发明属于电磁场与微波技术领域，涉及一种无电极结构的无源脉冲电场探测器。该探测器同时实现偏置可设置、探头无源和探头无电极化，解决了探测器在核电磁脉冲、雷电电磁脉冲、超宽带等环境中的应用问题。其结构包括光源和前端探头；光源为可调谐偏振窄谱光源；前端探头包括管壳和晶体；管壳和晶体均为长方体；晶体封装在管壳内；通过钛扩散在晶体表面制备波导波导分为x切y传波导、z切y传波导、y切x传波导以及z切x传波导四种；晶体上的波导两端分别作为光信号输入端和输出端，输入端耦合保偏光纤，输入光偏振方向分别与o光主轴、e光主轴在45°方向对齐，输出端先与检偏器‑45°耦合，再与保偏光纤慢轴对准耦合。

技术领域

本发明属于电磁场与微波技术领域，涉及一种无电极结构的无源脉冲电场探测器。

背景技术

高空电磁脉冲(HEMP)的场强幅度高、频率范围宽、覆盖面积广，对电子电气设备及系统造成威胁。目前电磁脉冲场环境主要采用IEC6100-2-9中规定的电场峰值50kV/m、前沿2.5ns、半高宽23ns，相应的核电磁脉冲模拟器也依照此标准建设。近年来，随着HEMP模拟装置下各类实验的开展，对电场的测量提出了越来越高的要求。在HEMP环境下的电磁脉冲测量要求探测器的带宽宽、抗干扰能力强、对被测场扰动小。在雷电电磁脉冲(LEMP)、超宽带(UWB)、高功率微波(HPM)等强电磁环境下的电场测量要求与之类似。

国内在核爆电磁脉冲电场测量方面开展了大量工作，主要实现的方式为基于微分测量的电场探测器、基于原始信号测量的光纤传输式电场探测器和基于集成光学的无源电场探测器。前两种电场探测器的研制相对成熟，并已用于核电磁脉冲环境及其效应参数的测量。基于微分测量的电场探测器基于电缆传输，抗干扰能力相对较差，不适于远距离的电场信号传输，基于原始信号测量的光纤传输式电场探测器为有源探测器，需要对前端供电，同时上述两类探测器均含有较多金属成分和较大体积对被测信号容易形成干扰，特别是在狭小空间的电场测量时受到限制。基于集成光学的无源电场探测器利用晶体的电光效应，设计的探测器具有体积更小、带宽更宽、抗干扰能力更强的特点，同时集成光学技术发展成熟，相应的探测器设计技术是目前研究较多的一种技术。但长期以来，将集成光学技术应用于电场测量时，其存在的偏置点设置困难，偏置随温度漂移严重和含有金属电极的问题成为制约其向应用发展的瓶颈。例如基于42m晶体的体电光调制技术设计的电场探测器传输损耗大、且存在偏置点温度漂移问题。广泛使用的M-Z结构的铌酸锂电场探测器具有较高的集成度和较小的传输损耗，但其偏置设置困难，导致其温度稳定性差。电压设置偏置的方式导致前端探头有源，且包含大量金属成分。通过不等臂M-Z结构配合激光器调谐实现了偏置的调节，但其结构导致其必须设计金属电极实现电场感应。目前，并未能同时具有偏置可设置、探头无源且无电极三方面优势的光学探测器出现。

发明内容

为针对现有的技术缺陷，本发明中通过设计形成一种基于铌酸锂晶体的无电极结构的无源脉冲电场探测器，该探测器同时实现偏置可设置、探头无源和探头无电极化，解决了探测器在核电磁脉冲、雷电电磁脉冲、超宽带等环境中的应用问题。

该探测器的基本设计原理是：

探测器部分由光源和探头构成。探头部分包括管壳和电光晶体，制作时首先设计一定结构的光路，然后采用成熟的集成光学技术在晶体上制作光波导，并将其封装于管壳中进行固定。其中晶体为探测器的核心部分，基于的电光效应，当晶体受到外加电场作用时，其折射率发生变化，进而在特殊的光学结构中形成光功率变化。通过监测输出端光功率，从而实现电场信号的测量。

为了实现上述目的，本发明采取的具体技术方案为：

本发明提供的无电极结构的无源脉冲电场探测器，包括光源和前端探头；

光源为可调谐偏振窄谱光源；

前端探头包括管壳和晶体；管壳和晶体均为长方体；晶体封装在管壳内；通过钛扩散在晶体表面制备波导，其传播的光中心波长为1550nm；