基于光电集成的强电场时域测量传感器及其特性研究

本课题针对高电压领域强电场时域测量的迫切需求，以解决已有传感器方案温度稳定性较差、无法响应直流信号等问题，结合光电集成电场传感器和体材料传感器的优势，提出基于光波导偏振调制原理的新型结构的光电电场传感器。基于光电耦合机理的研究，完成新型传感器的理论建模，分析并确定传感器的设计参数，优化集成光学工艺流程与参数，制作传感器原理样机。测试原理样机的工作稳定性，并基于光路的偏振态反馈控制，抑制环境参量对传感器的影响，得到具有正交工作点、稳定性高的动态控制方案。建立适应高电压领域电场测量特点的校准实验平台，实现对该高场强、高带宽传感器的时域校准。最终研制出全电介质、高稳定性、满足高电压领域强电场测量要求的光电集成时域电场测量系统。

高电压领域的各种现象和问题归根结底都是电场的作用，这一领域的强电场测量需要高场强、高带宽、对待测电场影响小的传感器。现有的基于光强度调制的马赫-曾德尔干涉仪型集成光电电场传感器能够初步满足这些要求，但存在温度稳定性差的突出问题，难以广泛应用。本项目基于光偏振调制原理研究了新的传感器原理和结构，主要研究内容及成果如下：（1）自主研究并设计了共路干涉仪型光电集成电场传感器，大幅度提高了测量系统温度稳定性，达到了户外现场测量的要求，为高电压工程领域强电场测量提供了可以实用的测量手段。（2）采用有效折射率法研究了光学偏置点与波导宽度及光波波长的关系，提出了将波导预扩散宽度变化及波长变化相结合的光学偏置点组合控制方法，将实测结果与设计值之间的偏差控制在5度之内。提出了令波导平行于晶体光轴等改善光波传输与调制稳定性的方法，有效提升了光路稳定性。（3）提出了波导基片与天线基片相分离的传感器设计方法，并制作完成了多支传感器。经温度稳定性测试，传感器在0 ~50摄氏度范围内测量误差小于3 %。（4）实验研究了传感器的时域、频域响应特性，结果表明其3分贝下限截止频率约为5 赫兹、上限截止频率约为6.5吉赫兹。提出并实现了通过转移谐振频率和分散谐振能量来抑制压电谐振的方法。（5）特快速暂态过电压电场及离子加速电场等测试结果表明该传感器完全适用于宽频带瞬态强电场的测量，为高电压工程领域的电场测量提供了科学的手段。