Измерители на основе эффектов Поккельса и Керра

Линейным электрооптическим эффектом Поккельса называется изменение показателя преломления света в кристалле под действием электрического поля, причем это изменение пропорционально напряженности электрического поля. Как следствие эффекта Поккельса в кристалле появляется двойное лучепреломление или меняется его величина, если кристалл был двулучепреломляющим в отсутствие поля. Направление в кристалле, по которому луч света не испытывает двойного лучепреломления называется оптической осью Z кристалла. Для световой волны, вектор электрического поля E которой перпендикулярен оси Z, показатель преломления равен n 0, а для волны, вектор E которой располагается вдоль оси Z, он равен n e. В общем случае, когда луч света распространяется под углом тета к оптической оси Z, существуют два собственных значения показателя преломления n 1 и n 2.

1. Если световой вектор E перпендикулярен плоскости (k, Z), где k – волновой вектор луча, то волна называется обыкновенной («о» - ординарная), а показатель преломления n 1 равен n 0 и не зависит от угла тета.

2. Если световой вектор E лежит в плоскости (k, Z) – это необыкновенная («е» - экстраординарная) волна, при этом показатель преломления n 2 зависит от угла тета (q) и определяется уравнением:

(5.9).

В результате, при прохождении обыкновенной и необыкновенной волн через кристалл длиной l, между ними набегает разности фаз, равная

(5.10).

Изменение показателя преломления кристаллов под действием внешнего электрического поля происходит за счет анизотропных свойств кристаллов. Под действием электрического поля меняется поляризуемость среды и связанный с ней показатель преломления. В первом приближении это изменение линейно относительно внешнего электрического поля, т.е. разность n1-n2 из (5.10) равна K∙ E, где K – электрооптический коэффициент, зависящий от кристалла, E – напряженность электрического поля, в котором находится кристалл [41-43].

Поскольку эффект Поккельса связан с изменением электронной поляризуемости под действием электрического поля, то он практически безынерционен – быстродействие устройств на его основе меньше 10-9 с.

На рис. 5.12 представлен принцип измерения напряжения электрического поля на основе эффекта Поккельса. Между обыкновенной и необыкновенной волнами света, имеющего на входе в кристалл круговую поляризацию, набегает разность фаз, линейно зависящая от приложенного напряжения. В результате, на выходе кристалла световой сигнал будет иметь в общем случае эллиптическую поляризацию.

На практике в конструкции ОТН устанавливают несколько пространственно разделенных датчиков. При измерении «эллиптичности» (отношение выходных значений относительно каждой оси) достигаются точные показатели изменений электрического поля (величины напряжения) за счет суммирования данных от нескольких оптических датчиков –

Рис. 5.12. Линейный электрооптический эффект Поккельса

Функциональная схема ОТН показана на рис. 5.13. Ячейка Поккельса располагается в измеряемом электрическом поле E. Лазерный источник света направляет световой сигнал по оптоволокну к ячейке. На выходе ячейки свет разделяется на два квадратурных компонента, каждая компонента возвращается в электронно-оптический блок по раздельным оптоволоконным каналам. Двухканальный метод обеспечивает устойчивость к колебаниям температуры, вибраций и изменению интенсивности света от лазерного источника.

Также как и для ОТТ, электронно-оптический блок ОТН имеет выходной интерфейс в соответствии с табл. 5.

На рис. 30 представлен пример конструкции комбинированного ОТТ/ОТН. Особенностью данного трансформатора является то, что он предназначен для измерения как напряжения, так и тока определенной фазы на основе эффектов Поккельса и Фарадея соответственно [73].

В качестве примера в таблице 5.3 представлены типовые характеристики ОТН (ЗАО «ПРОФОТЕК»).

Таблица 5.3. Технические характеристики ОТН

Контрольные вопросы к главе 5

1. В чем суть эффекта Холла?

2. Как зависит величина напряжения Холла от угла между протекающим током и направлением индукции магнитного поля?

3. От чего зависит величина постоянной Холла?

4. Как можно объяснить классический эффект Холла?

5. Как зависит знак постоянной Холла от типа носителей заряда?

6. Как измерить ток в проводнике измеряя напряжение Холла на датчике?

7. Зависит ли погрешность измерения от геометрии расположения датчиков Холла?

8. Какие конструкции датчиков тока на основе эффекта Холла в основном применяются?

9. Какова чувствительность датчиков тока на эффекте Холла?

10. При какой величине тока наступает эффект насыщения?

11. Какие материалы применяются для изготовления датчиков Холла?

12. В чем состоит эффект вращения плоскости поляризации Фарадея?

13. Как влияет геометрия расположение образца, через который пропускается свет в магнитном поле, на величину эффекта Фарадея?

14. В каких единицах измеряется постоянная Верде?

15. Какой материал применяется в устройствах по измерению тока на основе эффекта Фарадея?

16. Почему устройства для измерения тока на основе эффекта Фарадея часто называют оптическими трансформаторами тока (ОТТ)?

17. Как устроен ОТТ?

18. Каковы основные погрешности ОТТ?

19. В каком диапазоне первичных токов могут работать ОТТ?

20. Как зависит ли погрешность ОТТ от величины первичного тока?

21. Чем определяется ток электродинамической стойкости ОТТ?

22. В чём состоит стационарный эффект Джозефсона?

23. В чём состоит нестационарный эффект Джозефсона?

24. Каков принцип работы СКВИД-магнетометра?

25. Как переводится с английского аббревиатура SQUID?

26. Какова область применения СКВИД-магнетометров?

27. В чём суть эффекта Поккельса?

28. Где применяются устройства на основе эффекта Поккельса?

29. Что такое двойное лучепреломление света?

30. Как работает оптический трансформатор напряжения?