基于双折射的滞后温度测量方法-线性双折射.docx

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基于双折射的滞后温度测量方法

线性双折射

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论文导读:：在强磁场环境下，实验研究了利用K9玻璃内部线性双折射随温度的变化进行温度测量的方法。实验发现强磁场对输出结果的影响可以忽略；K9玻璃内部线性双折射的变化滞后于环境温度，其为温度相关过程量；通过测量双折射的变化，可以估计K9玻璃内部真正的温度。

论文关键词：过程量，线性双折射，温度，K9玻璃

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1引言

YIG、磁光玻璃等材料被用于制作的光学电流互感器[1-2]。但是这些材料的Verdet常数具有很高的度温度依赖特性[3,4]。环境温度从低温或高温到达某温度时，磁光材料瞬时Verdet常数差别较大，称Verdet常数为随温度变化的过程量，严重影响了光学电流互感器的实用化。K9玻璃的Verdet常数非常小，约为(-)10-6/(cm·T)量级，厚度不是很大，磁场强度小于1T时，法拉第转角与线性双折射的相位延迟相比可以忽略[5]。而适加应力会极大增强K9玻璃线性双折射，并且线性双折射高度依赖于温度，也为温度相关过程量。根据K9冕玻璃的这种性质，实验研究了在强磁场环境下利用其内部线性双折射随温度变化线性双折射，进行温度测量的方法。通过比较磁光材料与K9玻璃的热传导系数，此方法可用于在强磁场环境下对其它温度相关过程量的修正。

2温度测量实验原理

2.1实验方案与器材

温度测量原理如图1所示，光源发出的光线经起偏器起偏后光强为I0，然后入射到位于强磁场中并施加有应力的K9玻璃，出射后经沃拉斯顿棱镜(PBS)分光，经两性能相同的光电探测器探测，得到两路信号，然后利用计算机进行处理。实验中采用的光源为带单色仪的溴钨灯；磁场由长春第一光学仪器厂生产的直流电磁铁产生，磁极间距离为11mm，并由HY1791-5型稳压稳流电源供电，电磁铁输出磁场与电流的关系如图4所示；偏振器件采用高消光比偏振片与沃拉斯顿棱镜；试验中选择的K9玻璃经切割抛光，加工成厚度为7.359mm的多边形结构；探测器采用两个LPE-1A型激光功率能量计；信号采集系统采用卓立汉光公司的DCS102数据采集系统发表论文。

图1温度测量原理图

2.2温度测量理论分析

K9玻璃内部线性双折射由固有双折射和外界应力引入的双折射两部分构成。受到材料制作工艺限制，固有双折射光轴并不唯一。外界应力引入的双折射与固有双折射的光轴也可能不重合。所以，试验中并不能测量得到K9玻璃的光轴具体方向，而只能测量得到其双折射最强方向。入射到K9玻璃的线偏振光I0性质的变化，主要由强磁场和K9玻璃内部与温度相关的线性双折射引起。后文全部采用归一化光强计算，I0的值取1。以K9玻璃理论上的双折射光轴为y轴；用表示入射线偏振光与x轴的夹角；表示由于K9玻璃中的线性双折射而引入的相位延迟，其为一个温度敏感量；把沃拉斯顿棱镜看作两相互正交的检偏器，第一个检偏器透射方向与x轴的夹角表示为。忽略强磁场影响，可得经两检偏器后的出射光矢量可以分别表示为

(1)

(2)

经两检偏器后的出射光强可以分别表示为

(3)

(4)

对与两输出光强做差除和处理[6]，令

(5)

由的表达式(5)可知，当和一定时，随线性双折射引入的相位延迟量的变化而变化。当温度变化时线性双折射，K9玻璃线性双折射强度随之发生变化，从而引起相位延迟量的变化，最终导致差除和结果的变化。计算可得当和都为450时，的系数取极值1，此时输出的变化完全由引起，即完全决定于温度的变化。

3温度测量实验及结果分析

3.1K9玻璃双折射最强位置的确定

K9冕玻璃双折射光轴不唯一，但存在一个双折射最强的方向，需要对这个方向进行测量。按图1所示，调节起偏器的透射方向与沃拉斯顿棱镜光轴相对位置，使输出两光强分别为最大和零，保证沃拉斯顿棱镜分光后的输出差除和结果为1。然后在两磁极间放入K9冕玻璃，并垂沿垂直于光传播方向施加一个应力。旋转K9冕玻璃，寻找沃拉斯顿棱镜输出差除和结果最大的位置，近似认为此处为冕玻璃双折射光轴，把此位置确定为直角坐标系y轴，与其垂直方向为x轴，光传播方向为z轴。

3.2强磁场对输出结果的影响

对直流电磁铁施加0-5A的电流，产生的磁场在0-0.9T范围内，实验发现在温度不变的情况下，光电探测器的输出结果不变。在温度分别为200C与260C时，其中一个探测器输出的光功率与施加电流关系如图2所示，近似认为磁场对K9冕玻璃产生的法拉第效应可以忽略。由于LPE-1A型激光功率能量计为热敏型探测器，灵敏度较低线性双折射，随着对电磁铁施加电流的增大，其输出结果不变，图中曲线显得比较理想。

图2不同温度下输出的光功率与施加电流关系

3.3温度测量

正对着光线传播方向，把起偏器和沃拉斯顿棱镜分别沿顺时针旋转450，认为此时和分别等于450，由(5)式可知，在此位置的系数最大，差