第zl卷第1期 Z∞2年3月 中南民族大学学报<自然科学版) Jour ̄[of South Central University for Nad! I ! !!: : !!! Vo1.n No l Mar 2002 基于电光调制和磁光调制的组合光调制的研究 陈新桥 徐寿喜 梁显锋 (中国科学院电子学研究所) 摘 要 指出了组合光调制是利用电光调制和磁光词制进行的一种新的光调制方法,用矢量分折和矩阵分析2种方 法详细分析了在组合光调制中2种不同的组合光调制方式t得出了这样的结论:在不同的组合光讽制方式中t输出的 光强信号不同;其中电光调制在前磁光调制在后的组合光谭制中t输出光强中有功率信息,可利用这种组合光调制进 行有功功率和电能的光测. 关键词 光调制;磁光调制;电光调制;组合光调制;矢量分析;矩阵分析 中蛋分类号0438文献标识码A文章编号1005—3018(2002)01—0032—04 光调制是指改变光波(载波)的偏振、振幅、强度、 频率、相位、等参数,使之携带信息的过程.也就是说 一1.1 电光调制在前,磁光调制在后 电光调制在前,磁光调制在后的实验装置示意图 如图1所示. 、y、z为直角坐标系的坐标轴,通光方 种把信息加到光频载波上,使之携带信息的过程. 它在光通信、光传感、光信息处理、光学测量以及光脉 冲发生与控制许多方面起着越来越重要的作用.随着 近代光测技术的发展,特别是光学传感器技术的发 展,人们已经开始着手研究利用光学传感器来测量电 力系统的电学参量,人们已经对光测电流、光测电压 进行了系统的研究并取得了可喜的成绩,基本上实现 向沿z轴正方向, 、y 为电光晶体c的感应主轴, 它与 ,y成45 角, 为电光晶体的快轴,y 为电光 晶体的慢轴,电光晶体的两边分别与 和y平行. 了对电流、电压的光测 ].中国矿业大学煤科基金 项目组已对大电流、高电压的光测做了系统的研 究0 .同时开展组合光调制的理论和试验的研究,组 一 一 ~一 Z , 合光调制是一种新的光调制方法.本文是在我们进行 的理论研究工作的基础上完成的.我们采用矩阵分析 和矢量分析2种方法对组合光调制进行了分析,得出 了结论. 圈1电光调制在前,磁光调科在后的组台光调制试验装置图 1组合光调制实验装置 组合光调制是把电光调制和磁光调制组合起来 进行光调制的方法,它主要分为2种组合方式.一种 组合方式是电光调制在前,磁光调制在后;另一种组 合方式是磁光调制在前,电光调制在后.这两种情况 输出光强信号所含信息不同. P 为起偏器,它的振动方向 与轴成a角,A/4 为四分之一波片,C为电光晶体,F为磁光玻璃,为检 偏器,Pz其偏振方向与 轴成 角,a和 设为任意 角.设光矢通过磁光玻璃时产生磁旋角为o,设光矢通 过电光晶体沿晶体快慢轴产生的相位差为 . 1.2磁光调制在前,电光调制在后 收稿日期2001—11-07 作者简介 陈新桥(1965一),男,博士研究生,中国科学院电子学研究所,北京100080 基金项目煤炭都煤科基金资助项目(79587021) 维普资讯 http://www.cqvip.com
第1期 陈新桥等 基于电光调制和磁光调制的组台光调制的研究 33 如果我们简单地把图1中的电光调制和磁光玻 璃位置交换,而其他的光学元件的位置不变,取向也 不变,这时就是磁光调制在前,电光调制在后的情况,。 如图2所示.P 、P 、,I/4、C、X、Y、X 、Y 、F的定义与 前面相同. ㈡__| 、 、、 一 斟 + , Z 圈2磁光调制在前,电光调制在后的组台光调制试鞋装置围 2组合光调制的矩阵分析 2.1 电光效应在葡,磕光双匝=正后 参照图I,设P 、^/4、C、F、P 的琼斯矩阵分别为 G 、G÷、 、GnGz.fi ̄/4渡片的快轴沿 方向,与电 光晶体的快轴一致,加磁场后磁光玻璃在迎光看时产 生逆时针磁旋角. 考虑通常电光调制和磁光调制的情况,P 通光 轴与X成45。,即n=45。;P 通光轴与X平行,即卢= 0。; /4渡片的快轴沿 方向-此时G 、G 、 、 、Gz 的琼斯矩阵分别为cs G 一吉[ ];G{= [ ];G ==[ 0 ];G [cos -- 。s。in ]; l。0 J 设入射光矢量为 =[ ]E ,则由检偏器出射 的光矢量为: 一G G GcG ̄G- = [ : ; [ 11][ 一 『㈨蚪Loo J Lsin0-i co s  ̄e-- if]J = 卧 ,. L 0 J 于是,由检偏器出射的光强为: P。= 。= [cos6'-/sin 。 E. [ 。。 i ] 。 = E [1+sin20sin ̄]=告P.[1+sin2Osin ̄J. 式中P.=ZEL,为人射光强.从上式中可见,输出 光强信号中既含有电光调制信号 ,又含有磁光调制 信号日. 2.2 磁光效应在前,电光效应在后 参照图2,G 、G;、Gc、Gr、Gz的定义与前面相同, 它们的琼斯矩阵也和前面的一样.加磁场后磁光玻璃 在迎光看时产生逆时针磁旋角.此时由检偏器出射的 光矢量为: Eo=G2GG G,G E: [ : ! ]= [L 詈s in。0 一cos 0 ]J 吉[2 L 11 儿1][ ]JE… 。一= [ : n鲫O 扛一 [ --。sin0"] 于是,由检偏器出射的光强为: P。=E;Eo= sin川 .= ÷尸t(1--sin20)- 式中P =2E 一为人射光强.从上式中可见输出光 强信号中只包含磁光调制的信号日.从一般情况考虑, 如果P 的偏振方向与X轴成任意角卢,则P 的琼斯 矩阵G2为 : COS 卢 Gz=  ̄-sm2fl sin 卢 这时出射的光矢量为: 一G GcG{G ̄G 一 COS 卢 2卢 ÷sin2卢 sin 卢 [ ! 维普资讯 http://www.cqvip.com
中南民族大学学报(自然辩学版) 第2】卷 [L 0s n —c—o sj 0 ]J 2— 1『L 1 ]儿1[ ]J -… == cos  ̄(cos0--sin0)一 1 sin2fli(sinO-}-cos )e E粤=E0e一' ̄vcosa,E 一E。sina. 过磁光玻璃F后,不论E堂还是E#都作相同旋 转,设逆时针旋转磁旋角为0的角.经磁光调制后光 E .. 矢的矢量分解图如图4所示 l 1 sjn2 (c∞O--sinO)--sin。 (sin0+cos0)e 于是从检偏器P 出射的光强为: Ph= fl= rc∞ (1--sin20)+sin 卢f】+sin20)] 1 1 ..z2 —sin2 in&。s2 J专只’ 式中吉尸.一E}. 可见这时输出光强信号中既古有电光调制信号 a,又含有磁光调制信号0. 当 一0时,同前面讨论一样的情况,尸0一 1 P (1 ~sin20,结果同前;当 一詈时,P。=百1 P.(1+ s n20),当 一詈时,P。一 1只[导~cos2&in ]. 3组合光调制的矢量分析 下面用矢量分析法讨论电光调制在前磁光调制 在后的组合光调制中输出光强信号,至于磁光效应在 前电光调制在后的组合光调制情况可做类似分析. 我们从普遍的情况加以讨论,尸 与 成任意角 a,P 与 成 角,^/4波片我们先认为是一快慢轴与 电光晶体快慢轴相同的非电光晶体波片A. 参照装置如图1所示,不过我们先不加^/4波片, P 与x 成任意角a.沿 轴方向在晶体c加电压, 、 y 为感应主轴,y 为快轴,以y 为准,经电光调制后的 光矢的矢量分解如图3所示. 图3 电光调制后的矢量分解 入射到晶体面的光矢量蔗。特晶体快慢轴分解 为 E 一Eocos ,E}一E0sina. 经过晶体后出射,E 的速度快,超前相位为 、 ; 图4磁光调铺后的矢量分解 则光矢量经磁光玻璃后沿 方向的光矢量为; E =E ̄cos0+E ̄sin0= E0e u。 cos衄0s +E0sinasin0. 则光矢量经磁光玻璃后沿y 方向的光矢量为: Ey =E ̄sin#-- cos0= Eoe一 ~cosdsin 一E0sinacos0. 尸z为验偏器,尸 与 成 角,经过P。的光矢的 矢量分解图如图5所示. 尸1 只 : X 围5经辽啦'慝话后盯矢量升1眸 E=Ex'cos#-}-Ey'COS ( 一 )一 蔗 cos口+ y。sin ̄= Eoe一 vcos ̄os0cos#+E。e一 cosasin0sin/ ̄+ Eosinasin0eos/ ̄--E。sinacos0sin/#. 当 =詈, 一詈时,COS ̄一s na一 笋,c。s 一。 sin#=1, 则这时有E—E。 (e i ̄vSjn 一c。s曰). 过P 的输出光强为: 尸一E.E・一E。 ,一生(e i ̄vSin 一 c。s )E。 (e/aCsin 一c。s )= 维普资讯 http://www.cqvip.com
第1期 婊新桥等 基于电光调制和磁光调黼的组台光调制的研究 35 E:{I sin +c。s 一c。s0sin ](e + 根据起偏器与检偏器之间的夹角P不同输出光强中 所含信号不同.当P为45 时,输出光强中含有 e一 )]一 l_sin02 。。av]. 如果晶体前加一快慢轴与晶体相同的非电光晶 体波片A,则用类似的方法推证,上式中的3v应改为 乱+ ,则: P—E.E*一E。 (e叫 + sln 一 c0sO)E。 互(e一 ~+ sin0一cos口)一 Ej [sin +cosa0--COS靠in ](e r(~+ + e-i( ̄v“ )]一 [1一 in2 。。(乱+∞]一 [1一sin2如。s c。s +sin20sln乱sind]. 当 、20很小时有,sin ≈ ,sin20- ̄20,cos3 ≈ -l,P一 [1—2如。s +2口 sin ]. 从上式可看出输出光强中 品信息和口信息. 如果A为{波片,则 一号,c。s 一。 nd—l; P: l一2吼]. 结果与前面用矩阵分析方法所得的结论一致. 4结束语 通过上面分析我们得到如下初步结论. T, 我们知道0 d一 专、O=V r J,则有 一 r J,其中V 为电光晶体的半波电压, 为磁光 玻璃的维尔德常数.一般来说, 和 都很小口一一,这时 有sinO ̄O,sin2纽20,COS3v≈1. 磁光效应在前,电光效应在后的组合光调制中, cos2Osinb',输出光强中含有电光调制信号d和磁光调 制信号0,当d和0很小时有,cos20sinb''-- ̄,3,即只含有 电光调制信号,可测量电压信号.当起偏器与检偏器 平行或垂直时,输出光强中只含有磁光调制信号0,可 以测量电流信号.可见,用这种组合光调制不能测量 有功功率,我们进行了相关试验,试验结果验证了我 们的理论分析. 在电光效应在前,磁光效应在后的组合光调制 中,输出光强中含有电光调制信号 和磁光调制信号 0.当d和0很小时有,sin2如in 203,这时输出光强 中有功率信息,这种组合光调制可以用来测量有功功 率蛳一V .我们展开了试验研究,验证了我们 r 的理论分析.如果对测得的有功功率对时间进行积 分,我们就可以对电能进行测量,而对有功功率的积 分我们可以用单片机和积分电路来完成.基于这种测 量原理我们可以设计出一种光测电度表,这种电度表 比基于互感器的传统电度表有很多的优点. 组合光调制的组合方式很多,每种组合方式的输 出光强信号不一样,上述的2种组合方式是最主要的 组合方式,也是实用中最常用的组合方式,我们也分 析过其他的组台方式,结果比上述复杂得多. 参考文献 [1]刘瑞复.光纤传盛器及应用[M].北京:机械工业出版 牡,1988.28 [2]张国顺.光纤传感技术EM].北京:水和电力出版杜, 1 990.54 [3]乔松,何兵.新型大电流测量系统_J].煤炭学报, 1995,20(1):83~85 [4]乔松.赵永林.光测高压与分电乎脉冲计算法_J].中 国矿业大学学报.1994,25(3);21~22 [5] 粱蛙廷.物理光学[M].杭州 浙江大学出版杜. 1988.88~59 (下转第41页) 维普资讯 http://www.cqvip.com
第1期 熊承义等:等离于体渗氮用徽脉冲电源的研制 Development of Micropalse Power Supply for Plasma Nitriding Xiong Chengyi Sun Fenglou Abstract A micropulse power supply for ion nitriding was developed.It’s working frequency is up to lOOkHz,so that it can restrain more effect arc—discharge and hollow cathode,and it is availability to implement surface nhriding treatment under special conditions such as the nitriding of inner—hole surface— Keywords micropulse power;plasma;nltridlng Xlong Chengyi Lect,College of Electronic and Information Engineering,SCUFN,Wuhan 430074 (上接第35页) Study of Combination Optical Modulation Based on Magneto—Optical Modulation and Electro—Optical Modulation Chen Xinqiao Xu Souxi Liang Xianfeng Abstract This paper points out that the combination optical modulation is a new method of optical modulation using electro—optical modulation and magneto—optical modulation,and analysis two kind of different combination optical modulation mode in combination optical modulation in detail,and receive the conclusions:output optical intensity signals are different among different combination optical modulations; the output optical intensity signal has power signal in the combination optical modulation of electro—optical before magneto—optical modulation,we can measure the electrical power and energy using optical method hased on this kind of combination optical modulation. Keywords optical modulation{magneto—optical modulation;electro—optical modulation;combination optical modulation;vector analysis;matrix analysis Chen Xinqtao Doctor s Candidate,Institute of Electmnics,Chinese Academy of Science,Beijing 100080
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