一种偏振纠缠光子电流传感器

技术领域

本发明属于高压电流测量领域，具体涉及一种偏振纠缠光子电流传感器。

背景技术

流传感器是“感知”电力系统运行状态的重要工具，是电力系统保护、控制与计量的基础，其作用十分重要。但是，现有的电流测量技术存在若干原理性缺陷，已不能满足智能电网发展的要求。例如，电磁式电流互感器存在绝缘成本高，绝缘介质如绝缘油和绝缘气体的泄露等问题。光纤电流传感器(Fiber Optical Current Transducer,FOCT)具有绝缘可靠、结构简单、免维护、环境友好等优点，因此其被认为是电力系统电流测量的最终发展方向。但是FOCT存在如非线性测量与光功率依赖性、无谐波测量能力、应力线双折射的干扰等原理性缺陷，多年来这些问题始终未能有效地得到解决。

目前量子传感技术的应用多涉及弱磁测量，例如原子磁力仪或量子空间磁场成像，具有灵敏度好、分辨率高以及非破坏性测量等优势，是近年来的研究热点。但是量子传感技术尚未应用于强电磁(电流)测量领域，将其应用于电力系统的高压电流测量是一个全新的尝试。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种偏振纠缠光子电流传感器，旨在解决上述问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种偏振纠缠光子电流传感器，包括全光纤偏振纠缠光子源、高电位的传感光路和低电位的测量光路；所述高电位的传感光路包括空气芯光子晶体光纤、集磁环和白屏；所述低电位的测量光路包括准直扩束镜和径向偏振光栅；所述全光纤偏振纠缠光子源输出两路偏振纠缠光子，其中一个光子进入传感光路，并经空气芯光子晶体光纤、集磁环上的通光孔和磁光薄膜后，在白屏上湮灭；另一个光子进入测量光路，经准直扩束镜形成空间光，然后经过径向偏振光栅检偏后，将法拉第旋转角转化为固定光斑的同步平移，利用图像传感器对光斑定位即可得到法拉第旋转角，从而得到待测电流。

进一步的，所述传感光路光子经过磁光薄膜时其偏振面发生旋转，且旋转角度与待测电流成正比。

进一步的，所述测量光路光子偏振面旋转角度与传感光路光子相同。

进一步的，所述利用图像传感器对光斑定位即可得到法拉第旋转角，具体如下：

由全光纤偏振纠缠光子源产生的双光子偏振纠缠态为：

其中H，V分别代表水平偏振和垂直偏振，

让其中一个光子进入传感光路，与空气芯光子晶体光纤发生耦合，然后经过磁光薄膜，在磁场的作用下光子偏振纠缠态获得一个新的相位差

其中β是法拉第旋转角，此时双光子偏振纠缠态变为：

另一个光子进入测量光路，通过径向偏振光栅时，相当于对另外一个光子的偏振态进行了探测，即有50％的概率处于|H>态，也有50％的概率处于|V>态，即：

当测量光路探测到|V>态时，则通过径向偏振光栅直接测出此时的相位

结合公式(2)进而得出β；

入射光通过径向偏振光栅的琼斯矩阵表示为：

G(x,y)＝T[α(x,y)]G[κ(x,y)]T

其中T[α(x,y)]为旋转矩阵，α为金属栅条方向；G[κ(x,y)]用对角矩阵来表示：

其中t

将径向偏振光栅的每一个金属栅条单元描述为透光轴垂直于α的线性偏振片，式(6)改写为：

设入射光偏振面的方向与系统x轴夹角为

入射光透过径向偏振光栅后，出射光矢的琼斯矩阵为：

得到出射光强表达式为：

令I

α＝φ (12)

设光栅的长度为l，则暗纹平移的范围即0～l；假设当

根据上式得到：

基于Matlab得到径向偏振光栅检偏后的出射光强分布，光斑随

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明解决FOCT的原理性缺陷问题，实现基于光子偏振纠缠特性的偏振纠缠光子电流测量。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明一实施例中径向偏振光栅结构示意图；

图3是本发明一实施例中基于径向偏振光栅检偏后的出射光强分布；

图中：1-全光纤偏振纠缠光子源，2-空气芯光子晶体光纤，3-集磁环，4-通光孔，5-磁光薄膜，6-白屏，7-准直扩束镜，8-径向偏振光栅，9-径向偏振光栅检偏的出射光斑。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

请参照图1，本发明提供一种偏振纠缠光子电流传感器，包括全光纤偏振纠缠光子源、高电位的传感光路和低电位的测量光路；所述高电位的传感光路包括空气芯光子晶体光纤、集磁环和白屏；所述低电位的测量光路包括准直扩束镜和径向偏振光栅；所述全光纤偏振纠缠光子源输出两路偏振纠缠光子，其中一个光子进入传感光路，并经空气芯光子晶体光纤、集磁环上的通光孔和磁光薄膜后，在白屏上湮灭；另一个光子进入测量光路，经准直扩束镜形成空间光，然后经过径向偏振光栅检偏后，将法拉第旋转角转化为固定光斑的同步平移，利用图像传感器对光斑定位即可得到法拉第旋转角，从而得到待测电流。

在本实施例中，传感光路光子经过磁光薄膜时其偏振面发生旋转，旋转角度即为法拉第旋转角，且旋转角度与待测电流成正比。在量子纠缠特性的作用下，测量光路光子偏振面旋转角度与传感光路光子相同。

在本实施例中，利用图像传感器对光斑定位即可得到法拉第旋转角，具体如下：

由全光纤偏振纠缠光子源产生的双光子偏振纠缠态为：

其中H，V分别代表水平偏振和垂直偏振，

让其中一个光子进入传感光路，与空气芯光子晶体光纤发生耦合，然后经过磁光薄膜，在磁场的作用下光子偏振纠缠态获得一个新的相位差

其中β是法拉第旋转角，此时双光子偏振纠缠态变为：

另一个光子进入测量光路，通过径向偏振光栅时，相当于对另外一个光子的偏振态进行了探测，即有50％的概率处于|H>态，也有50％的概率处于|V>态，即：

当测量光路探测到|V>态时，则可以通过径向偏振光栅直接测出此时的相位

结合公式(2)进而得出β。

径向偏振光栅的结构示意如附图2所示，其检偏原理如下。入射光通过径向偏振光栅的琼斯矩阵表示为：

G(x,y)＝T[α(x,y)]G[κ(x,y)]T

其中T[α(x,y)]为旋转矩阵，α为金属栅条方向(在-50°～50°之间规律变化)。G[κ(x,y)]可以用对角矩阵来表示：

其中t

设入射光偏振面的方向与系统x轴夹角为

入射光透过径向偏振光栅后，出射光矢的琼斯矩阵为：

得到出射光强表达式为：

令I

α＝φ(12)

因此，当满足式(12)时，从相应栅条单元透射出的光强为最小值，其所在位置可以近似为暗条纹的中心。当

根据上式得到：

可见，径向偏振光栅能够实现偏振面角度

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。