專利名稱：光學(xué)電流互感器傳感頭及傳感方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)電流互感器領(lǐng)域，特別涉及一種光學(xué)電流傳感頭及其傳感方法。
背景技術(shù)：
隨著電力系統(tǒng)中電網(wǎng)電壓等級的不斷提高，容量不斷增加，對電流互感器提出了 更高的要求。傳統(tǒng)的電磁式電流互感器逐漸暴露出了嚴(yán)重的缺陷，主要包括(1)當(dāng)系統(tǒng)發(fā) 生短路、電流異常增大時，互感器鐵心飽和嚴(yán)重，其測量動態(tài)范圍有限，且暫態(tài)性能惡化，使 二次電流不能正確反映一次電流，造成繼電保護(hù)拒動或誤動；(2)暫態(tài)信號和諧波測量能 力差，其線性度和動態(tài)特性均不能滿足快速故障響應(yīng)的要求；(3)隨著電壓等級的提高，依 靠油絕緣、氣體絕緣的絕緣結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，成本高、重量重、體積大且有爆炸危險；(4)不 能直接提供數(shù)字信號，不適應(yīng)電力計量與保護(hù)數(shù)字化信息化的發(fā)展要求。鑒于此，暫態(tài)性能 和絕緣性能更好的電子式電流互感器成為進(jìn)一步發(fā)展的重點(diǎn)。目前，電子式電流互感器主要分為兩大類光學(xué)電流互感器和空心線圈電流互感 器(又稱Rogowski線圈式電流互感器)。比較而言，目前后者的實(shí)用化程度更高，但仍存在 很多難題需要克服?？招木€圈電流互感器的傳感頭往往由漆包線均勻繞制在環(huán)形骨架上， 骨架采用塑料或者陶瓷等非鐵磁材料，其相對磁導(dǎo)率與空氣中的相對磁導(dǎo)率相同?？招木€ 圈電流互感器由于不帶鐵心，易受外界電磁干擾；其線圈繞制形狀和工藝要求很高，且線圈 骨架的溫度穩(wěn)定性不高，尤其在電流波形發(fā)生畸變的情況下，其測量準(zhǔn)確度不夠高；其輸出 信號是被測電流的微分，目前利用的模擬和數(shù)字積分電路還不能在寬頻帶上實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確積分 功能，限制了其暫態(tài)性能；由于其高壓側(cè)信號處理電路需要長期可靠的供電電源，穩(wěn)定供能 設(shè)計和低功耗設(shè)計是其目前發(fā)展的難點(diǎn)和關(guān)鍵，同時也限制了其絕緣性能。雖然近年來出 現(xiàn)了印刷電路板式空心線圈，提高了布線的精度和靈活性，以及線圈骨架的溫度穩(wěn)定性，但 作為有源電子式互感器，需要在高壓側(cè)引入電源和地，使得整個裝置非常復(fù)雜。所以在電力 系統(tǒng)中應(yīng)用互感器的理想形式應(yīng)該是無源型的光學(xué)電流互感器，以大大降低絕緣要求。目前，光學(xué)電流互感器的種類有很多，按敏感材料類型可分為塊狀磁光材料型、磁 致伸縮材料型和全光纖型等幾大類。塊狀磁光材料包括磁光玻璃和磁光晶體等，可加工成 條狀或圍繞載流導(dǎo)體的閉合環(huán)狀傳感頭使用。對于環(huán)狀磁光玻璃為傳感頭的光學(xué)互感器， 被測電流通過直線導(dǎo)體從主體玻璃環(huán)中心的孔穿過，偏振光經(jīng)過反射面的多次全反射圍繞 導(dǎo)體一周。這種傳感頭的不足之處是隨時間的推移，反射面的性質(zhì)會發(fā)生變化，測量的精度 和可靠性越來越差，長期穩(wěn)定性不好，而且加工難度大，安裝不方便。磁光晶體(以石榴石 晶體為代表)也被研究應(yīng)用于電流測量領(lǐng)域，但其費(fèi)爾德常數(shù)受溫度影響比較大，磁化過 程帶有隨機(jī)性，使測量的穩(wěn)定性和精度都不高，且成本較高。磁致伸縮材料與光纖結(jié)合可實(shí) 現(xiàn)電流傳感，但由于光纖和磁致伸縮材料耦合的負(fù)載效應(yīng)、磁致伸縮材料本身的磁飽和和 磁致效應(yīng)的限制以及材料對溫度和振動等環(huán)境因素的敏感性，都制約了該類傳感頭在光學(xué) 互感器中的實(shí)際應(yīng)用。全光纖傳感頭就是將光纖直接繞制在載流導(dǎo)體上實(shí)現(xiàn)電流傳感，光 路結(jié)構(gòu)簡單。由于溫度、應(yīng)力等環(huán)境因素可導(dǎo)致光纖內(nèi)部雙折射的隨機(jī)變化，大大影響了基于偏振檢測的全光纖電流互感器的測量精度和穩(wěn)定性。雖然基于干涉檢測方法的Sagnac 全光纖電流互感器近年來得到了足夠的重視，也出現(xiàn)了掛網(wǎng)試運(yùn)行的樣機(jī)，但這種方案很 難區(qū)分由振動引起的光陀螺效應(yīng)對傳感檢測的影響。近年來，隨著功能薄膜技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)電流互感器的傳感頭也有向薄膜化發(fā)展 的趨勢。美國專利US0103380公開了一種基于磁光材料薄膜和光波導(dǎo)共振結(jié)構(gòu)的電流傳感 元件。美國專利US5736856公開了一種利用磁光克爾效應(yīng)以鐵磁材料或亞鐵磁材料薄膜為 敏感元件的磁場傳感器。中國專利CN101672870公開了一種電流傳感器，其敏感單元為保 護(hù)層、永磁薄膜和磁光材料層疊生長結(jié)構(gòu)。中國專利CN101672865公開了一種光纖電流傳 感器，傳感光纖上涂有磁致伸縮材料膜層。但由于上述技術(shù)方案仍受磁性材料性能的限制， 所以在實(shí)際應(yīng)用中存在許多問題。隨著納米技術(shù)的迅速發(fā)展和人們對微觀世界認(rèn)識的深化，以表面等離子激元為代 表的納米光子學(xué)領(lǐng)域取得了很大進(jìn)展。表面等離子體激元是指金屬表面自由電子同入射光 子相互耦合形成的非輻射“局域”電磁模式，金屬表面自由電子在入射光場的激勵下集體相 干振蕩，將光能量聚集在金屬與介質(zhì)的界面上幾百納米的空間范圍內(nèi)，產(chǎn)生巨大的局域電 磁場增強(qiáng)效應(yīng)，極大加強(qiáng)了光與物質(zhì)之間的相互作用，可顯著增強(qiáng)金屬膜層的磁光特性，從 而加強(qiáng)了其對外界磁場變化的光傳感響應(yīng)能力。表面等離子激元的激發(fā)可以通過全反射現(xiàn)象、利用光纖和平面光波導(dǎo)等方式來實(shí) 現(xiàn)。除了可以激發(fā)金屬薄膜單界面的表面等離子激元，通過合理設(shè)計金屬與電介質(zhì)的多層 薄膜結(jié)構(gòu)，在金屬膜層上下兩個界面的表面等離子激元可以實(shí)現(xiàn)耦合，稱為長程表面等離 子激元，可以實(shí)現(xiàn)在界面的更長距離傳播。利用光柵結(jié)構(gòu)、周期納米孔結(jié)構(gòu)和納米金屬粒子 等金屬微納結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生更強(qiáng)的局域高場增強(qiáng)效果，被稱為局域表面等離子體激元共振。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服目前光學(xué)電流互感器實(shí)用化中存在的傳感信號較弱且易受 環(huán)境因素干擾，溫度穩(wěn)定性差且具有隨機(jī)性而無法有效補(bǔ)償?shù)葐栴}，提出一種以表面等離 子激元的納米效應(yīng)為基礎(chǔ)的新型光學(xué)電流傳感頭及其傳感方法。本發(fā)明的光學(xué)電流互感器傳感頭，包括光波導(dǎo)基底和位于該基底上的磁光感應(yīng)膜 層。磁光感應(yīng)膜層包括表面等離子激元金屬材料和磁性材料。其中所述磁光感應(yīng)膜層具有 表面等離子激元金屬材料納米結(jié)構(gòu)特征。磁光感應(yīng)膜層可以由一個或幾個表面等離子激元金屬材料膜層與一個或幾個磁 性材料膜層層疊構(gòu)成。進(jìn)一步地，磁光感應(yīng)膜層也可以是一種夾心結(jié)構(gòu)，即一個表面等離子 激元金屬材料膜層夾在兩個磁性材料膜層之間；或者，磁光感應(yīng)膜層由一個表面等離子激 元金屬材料膜層和一個磁性材料膜層構(gòu)成，其中磁性材料膜層夾在光波導(dǎo)基底與表面等離 子激元金屬材料膜層之間。較好的，上述表面等離子激元金屬材料膜層具有周期性或除膜層厚度以外的非周 期性納米尺度特征。優(yōu)選的，上述的表面等離子激元金屬材料膜層具有納米光柵或納米孔陣列周期結(jié) 構(gòu)；所述的表面等離子激元金屬材料膜層具有島狀非周期納米結(jié)構(gòu)。磁光感應(yīng)膜層也可以是由含有表面等離子激元金屬材料納米結(jié)構(gòu)的材料摻雜入磁性材料膜層構(gòu)成的。磁光感應(yīng)膜層也可以是由表面等離子激元金屬材料和磁性材料的納米復(fù)合材料 摻雜入非磁性材料膜層構(gòu)成。所述的表面等離子激元金屬材料是Au、Ag、Cu或A1中的一種或幾種。所述的光波導(dǎo)基底利用全反射現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)光在材料中的傳導(dǎo)，包括光纖和平面光波導(dǎo)。在所述光波導(dǎo)基底與所述磁光感應(yīng)膜層之間存在中間聯(lián)接層，中間聯(lián)接層可增加 光波導(dǎo)基底與所述磁光感應(yīng)膜層之間連接的牢固程度。在所述磁光感應(yīng)膜層上存在保護(hù)層，以減少外界環(huán)境因素對磁光感應(yīng)膜層的影 響。所述的表面等離子激元材料納米結(jié)構(gòu)特征是指表面等離子激元金屬材料納米膜 層的厚度，或表面等離子激元金屬材料納米粒子的粒徑，或在納米復(fù)合材料中表面等離子 激元金屬材料的納米結(jié)構(gòu)形式。所述的納米結(jié)構(gòu)特征的尺寸優(yōu)選在500nm以內(nèi)，更優(yōu)選為l-500nm，進(jìn)一步優(yōu)選為 10-100nm。所述非磁性材料用于光波的傳導(dǎo)和調(diào)整表面等離子激元的激發(fā)條件，以實(shí)現(xiàn)探測 光波與表面等離子激元材料的充分相互作用。包括并不限于以下材料聚甲基丙烯酸甲酯 PMMA、SU-8光刻膠等。本發(fā)明基于上述傳感頭的光學(xué)電流傳感方法是(1)光源發(fā)出的光波具有p波偏振分量，或通過偏振控制器件使其具有p波偏振分 量；(2)所述具有p波偏振分量的光波通過本發(fā)明所述光學(xué)電流互感器傳感頭的光波 導(dǎo)基底入射在所述光波導(dǎo)基底上的磁光感應(yīng)膜層上，與所述磁光感應(yīng)膜層中的表面等離子 激元金屬材料發(fā)生相互作用；(3)所述具有p波偏振分量的光波通過所述相互作用在外界電流產(chǎn)生磁場中產(chǎn)生 磁光效應(yīng)，使所述光波的強(qiáng)度、偏振態(tài)、相位或波長發(fā)生改變；(4)通過檢測所述光波通過所述磁光感應(yīng)膜層前后的強(qiáng)度、偏振態(tài)、相位或波長的 變化，得到所述電流的信息。本發(fā)明的有益效果是(1)本發(fā)明所述傳感頭的敏感元件為納米薄膜，材料選擇范圍寬，制備簡單靈活， 傳感頭結(jié)構(gòu)方便與現(xiàn)有光纖傳感技術(shù)和集成光波導(dǎo)技術(shù)銜接。(2)本發(fā)明所述傳感方法基于表面等離子激元共振增強(qiáng)的磁光效應(yīng)，同時利用了 光波的能量載體和信號載體兩種功能，克服了現(xiàn)有光學(xué)電流檢測方案中傳感信號較弱、易 受干擾且不易補(bǔ)償?shù)葐栴}，可基于多種光波特征參量實(shí)現(xiàn)傳感檢測。
以下結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步說明

圖1為本發(fā)明所述傳感頭的實(shí)施例1至10的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中1光纖、2V型溝 道、3光纖纖芯、4磁光感應(yīng)膜層；
6
圖2為本發(fā)明所述傳感頭的實(shí)施例11至20的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中5玻璃基底、6波
導(dǎo)層；圖3為本發(fā)明所述傳感頭的實(shí)施例21至30的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中7帶狀波導(dǎo)；圖4為本發(fā)明采用基于強(qiáng)度變化的檢測方法的實(shí)施例；圖5為本發(fā)明采用基于偏振態(tài)變化的檢測方法的實(shí)施例；圖6為本發(fā)明采用基于相位變化的檢測方法的實(shí)施例；圖7為本發(fā)明采用基于波長變化的檢測方法的實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明光學(xué)電流互感器傳感頭包括光波導(dǎo)基底和位于該基底上的磁光感應(yīng)膜層。 磁光感應(yīng)膜層包括表面等離子激元金屬材料和磁性材料，其中所述磁光感應(yīng)膜層具有表面 等離子激元金屬材料納米結(jié)構(gòu)特征。由表面等離子激元金屬材料構(gòu)成的表面等離子激元金屬材料納米膜層和由磁性 材料構(gòu)成的磁性材料膜層可以采用物理和化學(xué)氣相沉積技術(shù)、外延膜沉積技術(shù)和表面吸附 技術(shù)制備等。所述表面等離子激元金屬材料膜層具有除膜層厚度以外的周期性納米尺度特征 結(jié)構(gòu)可通過光刻、電子束曝光和聚焦離子束刻蝕等微納加工技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。所述表面等離子激元金屬材料膜層具有除膜層厚度以外的非周期性納米尺度特 征可通過熱處理或表面納米結(jié)構(gòu)吸附等方法來實(shí)現(xiàn)。所述磁性材料和非磁性材料膜層中的表面等離子激元金屬材料納米結(jié)構(gòu)可以通 過原位合成或非原位合成的方式來制備。所述表面等離子激元金屬材料用于與入射光相互作用產(chǎn)生磁光效應(yīng)，可以是Au、 Ag、Cu或A1中的一種或幾種。所述非磁性材料用于光波的傳導(dǎo)和調(diào)整表面等離子激元的激發(fā)條件，并實(shí)現(xiàn)探測 光波與表面等離子激元材料的充分相互作用，包括并不限于以下材料PMMA、SU-8光刻膠寸。在光波導(dǎo)基底與磁光感應(yīng)膜層之間存在增加兩者之間的連接牢固程度的中間聯(lián) 接層，可視情況采取任意材料，只要該材料對光波導(dǎo)基底與磁光感應(yīng)膜層之間的光波傳導(dǎo) 影響不大即可。在所述磁光感應(yīng)膜層上存在保護(hù)層，以減少外界環(huán)境因素對磁光感應(yīng)膜層的影 響，可視情況采取任意材料，只要該材料不影響磁光感應(yīng)膜層對外磁場的響應(yīng)即可。圖1為本發(fā)明所述傳感頭的實(shí)施例1至10的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示，磁光感應(yīng) 膜層4在光纖1的光纖纖芯3上，V型溝道2用于固定光纖1。實(shí)施例1 所述傳感頭的光波導(dǎo)基底是石英光纖，在石英光纖的光波導(dǎo)基底上的 磁光感應(yīng)膜層是多層膜，在光波導(dǎo)基底上是lOnm厚的Cu膜，在Cu膜之上是lOnm厚的Fe 膜，在Fe膜之上是50nm厚的Ag膜。光纖基底的制作方法如圖1所示，將光纖1固定在一 個V型溝道2內(nèi)，去除外部包覆層，裸露出光纖纖芯3，拋光出一個平面，在這個平面上制備 磁光感應(yīng)膜層4。磁光感應(yīng)膜層的制備方法光波導(dǎo)基底經(jīng)清洗和干燥后，利用磁控濺射法 在其拋光面上先后鍍lOnm厚的Cu膜、lOnm厚的Fe膜和50nm厚的Ag膜。再利用PECVD法在Ag膜上制備厚度5nm的Si02保護(hù)層。一定模式的入射光經(jīng)光纖傳導(dǎo)與磁光感應(yīng)膜層耦 合，可與磁光感應(yīng)膜層的表面等離子激元相互作用，在電流磁場中產(chǎn)生磁光效應(yīng)。實(shí)施例2 所述傳感頭的光波導(dǎo)基底是石英光纖，在石英光纖的光波導(dǎo)基底上的 磁光感應(yīng)膜層為多層膜，在光波導(dǎo)基底上是15nm厚的Co膜，在Co膜之上為500nm厚的A1 膜。光纖基底的制作方法與實(shí)施例1相同。磁光感應(yīng)膜層的制備方法光波導(dǎo)基底經(jīng)清洗 和干燥后，利用磁控濺射法先在其拋光面上鍍15nm的Co膜，再在Co膜上鍍500nm的A1膜。 一定模式的入射光經(jīng)光纖傳導(dǎo)與磁光感應(yīng)膜層耦合，可與磁光感應(yīng)膜層的表面等離子激元 相互作用，在電流磁場中產(chǎn)生磁光效應(yīng)。實(shí)施例3 所述傳感頭的光波導(dǎo)基底是石英光纖，在石英光纖的光波導(dǎo)基底上的 磁光感應(yīng)膜層是多層膜，在光波導(dǎo)基底上是20nm厚的Au膜，在Au膜之上為lOnm厚的Co 膜，在Co膜上為厚度30nm的Au膜。其中與空氣接觸的Au膜具有光柵結(jié)構(gòu)。光纖基底的 制作方法與實(shí)施例1相同。磁光感應(yīng)膜層的制備方法光波導(dǎo)基底經(jīng)清洗和干燥后，利用真 空蒸鍍法在其拋光面上先后蒸鍍3nm厚的中間聯(lián)接層Cr膜、厚度為20nm的Au膜、lOnm的 Co膜和30nm的Au膜，利用光刻技術(shù)在與空氣接觸的Au膜上制備Au光柵，其中光柵參數(shù)為 600nm，光柵填充因子為0. 5，光柵深度為25nm。Cr膜可加強(qiáng)磁光感應(yīng)膜層與基底連接的牢 固程度。一定模式的入射光經(jīng)光纖傳導(dǎo)與磁光感應(yīng)膜層耦合，可與磁光感應(yīng)膜層的表面等 離子激元相互作用，在電流磁場中產(chǎn)生磁光效應(yīng)。實(shí)施例4:所述傳感頭的光波導(dǎo)基底是石英光纖，在石英光纖的光波導(dǎo)基底上的 磁光感應(yīng)膜層是多層膜，在光波導(dǎo)基底上是200nm厚的Ag膜，在Ag膜之上為lOnm厚的M 膜，在M膜上為厚度50nm厚的Ag膜。其中最上層Ag膜具有納米孔陣列結(jié)構(gòu)，并采用Si02 層為保護(hù)層以防止Ag膜氧化。光纖基底的制作方法與實(shí)施例1相同。磁光感應(yīng)膜層的制備 方法光波導(dǎo)基底經(jīng)清洗和干燥后，利用磁控濺射法在其拋光面上先后鍍200nm厚的Ag膜、 lOnm厚的M膜和50nm的Ag膜，利用聚焦離子束技術(shù)在與空氣接觸的Ag膜上制備納米孔 陣列結(jié)構(gòu)，其中孔直徑為60nm，深度為lOnm，孔間距為100歷。為防止Ag氧化，利用PECVD 技術(shù)在納米孔陣列表面沉積5nm的Si02保護(hù)層。一定模式的入射光經(jīng)光纖傳導(dǎo)與磁光感 應(yīng)膜層耦合，可與磁光感應(yīng)膜層的表面等離子激元相互作用，在電流磁場中產(chǎn)生磁光效應(yīng)。實(shí)施例5 所述傳感頭的光波導(dǎo)基底是石英光纖，在石英光纖的光波導(dǎo)基底上的 磁光感應(yīng)膜層是多層膜，在光波導(dǎo)基底上是50nm厚的Bi YIG膜，在Bi YIG膜之上為具有 島狀非周期納米結(jié)構(gòu)的Au膜。光纖基底的制作方法與實(shí)施例1相同。磁光感應(yīng)膜層的制 備方法光波導(dǎo)基底經(jīng)清洗和干燥后，利用磁控濺射法在其拋光面上鍍50nm的Bi:YIG膜， 將其拋光面硅烷化，使粒度為20nm的Au納米粒子吸附固定到Bi YIG表面上形成平均厚度 在40nm左右的Au納米粒子膜層，一定模式的入射光經(jīng)光纖傳導(dǎo)與磁光感應(yīng)膜層耦合，可與 磁光感應(yīng)膜層的表面等離子激元相互作用，在電流磁場中產(chǎn)生磁光效應(yīng)。實(shí)施例6 所述傳感頭的光波導(dǎo)基底是石英光纖，在石英光纖的光波導(dǎo)基底上的 磁光感應(yīng)膜層是含有Au納米粒子的YIG(釔鐵石榴石)膜層。光纖基底的制作方法與實(shí)施 例1相同。磁光感應(yīng)膜層的制備方法光波導(dǎo)基底經(jīng)清洗和干燥后，在其拋光面上利用射頻 磁控濺射技術(shù)同時濺射Au和YIG，并控制Au在膜層中的比例為10%左右，控制整體膜層厚 度為50nm;然后在N2下將制備的復(fù)合膜層在900°C退火，使膜層內(nèi)形成平均粒徑為15nm左 右的Au納米粒子。一定模式的入射光經(jīng)光纖傳導(dǎo)與磁光感應(yīng)膜層耦合，可與磁光感應(yīng)膜層的表面等離子激元相互作用，在電流磁場中產(chǎn)生磁光效應(yīng)。實(shí)施例7 所述傳感頭的光波導(dǎo)基底是石英光纖，在石英光纖的光波導(dǎo)基底上的 磁光感應(yīng)膜層是含有Fe304和Au的復(fù)合納米粒子的聚甲基丙烯酸甲酯PMMA膜層。光纖基 底的制作方法與實(shí)施例1相同。磁光感應(yīng)膜層的制備方法光波導(dǎo)基底經(jīng)清洗和干燥后，將 溶有Fe304和Au的復(fù)合納米粒子的PMMA的甲苯溶液涂在其拋光面上，待溶劑蒸發(fā)后獲得 磁光感應(yīng)膜層，膜層厚度控制在500nm。其中Fe304和Au的復(fù)合納米粒子由lOnm的Fe304 粒子和30nm的Au納米粒子通過巰基硅烷分子聯(lián)接而成。一定模式的入射光經(jīng)光纖傳導(dǎo)與 磁光感應(yīng)膜層耦合，可與磁光感應(yīng)膜層的表面等離子激元相互作用，在電流磁場中產(chǎn)生磁 光效應(yīng)。實(shí)施例8 所述傳感頭的光波導(dǎo)基底是石英光纖，在石英光纖的光波導(dǎo)基底上的 磁光感應(yīng)膜層是含有磁性氧化鐵_金的核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒的PMMA膜層。光纖基底的制作 方法與實(shí)施例1相同。磁光感應(yīng)膜層的制備方法光波導(dǎo)基底經(jīng)清洗和干燥后，將溶有磁性 氧化鐵_金的核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒的PMMA的甲苯溶液涂在其拋光面上，待溶劑蒸發(fā)后獲得磁 光感應(yīng)膜層，膜層厚度控制在500nm。其中磁性氧化鐵-金的核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒采用檸檬酸 鈉與金氯酸反應(yīng)的方法，在晶種磁性氧化鐵表面異質(zhì)生長Au殼層的方式制備，顆粒粒徑為 8. 5nm, Au殼層厚度為2nm。一定模式的入射光經(jīng)光纖傳導(dǎo)與磁光感應(yīng)膜層耦合，可與磁光 感應(yīng)膜層的表面等離子激元相互作用，在電流磁場中產(chǎn)生磁光效應(yīng)。實(shí)施例9 所述傳感頭的光波導(dǎo)基底是石英光纖，在石英光纖的光波導(dǎo)基底上的 磁光感應(yīng)膜層是含有Fe304和Au的復(fù)合納米粒子的SU-8光刻膠膜層。光纖基底的制作方 法與實(shí)施例1相同。磁光感應(yīng)膜層的制備方法光波導(dǎo)基底經(jīng)清洗和干燥后，將溶有Fe304 和Au的復(fù)合納米粒子的SU-8光刻膠涂在其拋光面上，待溶劑蒸發(fā)后獲得磁光感應(yīng)膜層，膜 層厚度控制在500nm。其中Fe304和Au的復(fù)合納米粒子由lOnm的Fe304粒子和30nm的 Au納米粒子通過巰基硅烷分子聯(lián)接而成。一定模式的入射光經(jīng)光纖傳導(dǎo)與磁光感應(yīng)膜層耦 合，可與磁光感應(yīng)膜層的表面等離子激元相互作用，在電流磁場中產(chǎn)生磁光效應(yīng)。實(shí)施例10 所述傳感頭的光波導(dǎo)基底是石英光纖，在石英光纖的光波導(dǎo)基底上的 磁光感應(yīng)膜層為多層膜，在光波導(dǎo)基底上是15nm厚的Co膜，在Co膜之上為lOOnm厚的Cu 膜，在Cu膜之上為lnm厚的Au膜。光纖基底的制作方法與實(shí)施例1相同。磁光感應(yīng)膜層的 制備方法光波導(dǎo)基底經(jīng)清洗和干燥后，利用磁控濺射法先在其拋光面上鍍15nm的Co膜， 再在Co膜上鍍lOOnm的Cu膜，然后在Cu膜上鍍lnm的Au膜。一定模式的入射光經(jīng)光纖 傳導(dǎo)與磁光感應(yīng)膜層耦合，可與磁光感應(yīng)膜層的表面等離子激元相互作用，在電流磁場中 產(chǎn)生磁光效應(yīng)。圖2為本發(fā)明所述傳感頭的實(shí)施例11至20的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中磁光感應(yīng)膜層4 在Ag+-Na+玻璃平面光波導(dǎo)上，包括玻璃基底5和波導(dǎo)層6。實(shí)施例11 如圖2所示，所述傳感頭的光波導(dǎo)基底是利用離子交換法制作的 Ag+-Na+玻璃平面薄膜光波導(dǎo)，所述的光波導(dǎo)基底包括玻璃基底5和在玻璃基底上的波導(dǎo)層 6。磁光感應(yīng)膜層是多層膜，在光波導(dǎo)基底上是lOnm厚的Cu膜，在Cu膜之上是lOnm厚的 Fe膜，在Fe膜之上是50nm厚的Ag膜；具有Si02保護(hù)層。其制備方法與實(shí)施例1相同。實(shí)施例12 所述傳感頭的光波導(dǎo)基底與實(shí)施例11相同，磁光感應(yīng)膜層為多層膜， 在光波導(dǎo)基底上是15nm厚的Co膜，在Co膜之上為500nm厚的A1膜。其制備方法與實(shí)施例2相同。實(shí)施例13 所述傳感頭的光波導(dǎo)基底與實(shí)施例11相同，磁光感應(yīng)膜層是多層膜， 在光波導(dǎo)基底上是20nm厚的Au膜，在Au膜之上為lOnm厚的Co膜，在Co膜上為厚度30nm 的Au膜；在基底與磁光感應(yīng)膜層之間存在中間聯(lián)接層Cr膜；與空氣接觸的Au膜具有光柵 結(jié)構(gòu)；其制備方法與實(shí)施例3相同。實(shí)施例14 所述傳感頭的光波導(dǎo)基底與實(shí)施例11相同，磁光感應(yīng)膜層是多層膜， 在光波導(dǎo)基底上是200nm厚的Ag膜，在Ag膜之上為lOnm厚的Ni膜，在Ni膜上為厚度50nm 厚的Ag膜。其中最上層Ag膜具有納米孔陣列結(jié)構(gòu)，并采用Si02層為保護(hù)層以防止Ag膜 氧化。其制備方法與實(shí)施例4相同。實(shí)施例15 所述傳感頭的光波導(dǎo)基底與實(shí)施例11相同，磁光感應(yīng)膜層是多層膜， 在光波導(dǎo)基底上是50nm厚的Bi YIG膜，在Bi YIG膜之上為具有島狀非周期納米結(jié)構(gòu)的Au 膜。其制備方法與實(shí)施例5相同。實(shí)施例16 所述傳感頭的光波導(dǎo)基底與實(shí)施例11相同，磁光感應(yīng)膜層是含有Au 納米粒子的YIG膜層。其制備方法與實(shí)施例6相同。實(shí)施例17 所述傳感頭的光波導(dǎo)基底與實(shí)施例11相同，磁光感應(yīng)膜層是含有 Fe304和Au的復(fù)合納米粒子的PMMA膜層。其制備方法與實(shí)施例7相同。實(shí)施例18 所述傳感頭的光波導(dǎo)基底與實(shí)施例11相同，磁光感應(yīng)膜層是含有磁性 氧化鐵_金的核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒的PMMA膜層。其制備方法與實(shí)施例8相同。實(shí)施例19 所述傳感頭的光波導(dǎo)基底與實(shí)施例11相同，磁光感應(yīng)膜層是含有 Fe304和Au的復(fù)合納米粒子的SU-8光刻膠膜層。其制備方法與實(shí)施例9相同。實(shí)施例20 所述傳感頭的光波導(dǎo)基底與實(shí)施例11相同，磁光感應(yīng)膜層是多層膜， 在光波導(dǎo)基底上是15nm厚的Co膜，在Co膜之上為lOOnm厚的Cu膜，在Cu膜之上為lnm 厚的Au膜。其制備方法與實(shí)施例10相同。圖3為本發(fā)明所述傳感頭的實(shí)施例21至30的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中磁光感應(yīng)膜層4 在利用光刻技術(shù)和離子交換法制作的K+-Na+玻璃帶狀光波導(dǎo)上，包括玻璃基底5和帶狀波 導(dǎo)7。實(shí)施例21 如圖3所示，所述傳感頭的光波導(dǎo)基底是先利用光刻技術(shù)產(chǎn)生表面帶 狀圖案，再利用離子交換法制作的K+-Na+玻璃帶狀光波導(dǎo)，包括玻璃基底5和以條帶形式埋 置在其中的帶狀波導(dǎo)7。磁光感應(yīng)膜層是多層膜，在光波導(dǎo)基底上是lOnm厚的Cu膜，在Cu 膜之上是lOnm厚的Fe膜，在Fe膜之上是50nm厚的Ag膜；具有Si02保護(hù)層。其制備方法 與實(shí)施例1相同。實(shí)施例22 所述傳感頭的光波導(dǎo)基底與實(shí)施例21相同，磁光感應(yīng)膜層為多層膜， 在光波導(dǎo)基底上是15nm厚的Co膜，在Co膜之上為500nm厚的A1膜。其制備方法與實(shí)施 例2相同。實(shí)施例23 所述傳感頭的光波導(dǎo)基底與實(shí)施例21相同，磁光感應(yīng)膜層是多層膜， 在光波導(dǎo)基底上是20nm厚的Au膜，在Au膜之上為lOnm厚的Co膜，在Co膜上為厚度30nm 的Au膜；在基底與磁光感應(yīng)膜層之間存在中間聯(lián)接層Cr膜；與空氣接觸的Au膜具有光柵 結(jié)構(gòu)；其制備方法與實(shí)施例3相同。實(shí)施例24 所述傳感頭的光波導(dǎo)基底與實(shí)施例21相同，磁光感應(yīng)膜層是多層膜，在光波導(dǎo)基底上是200nm厚的Ag膜，在kg膜之上為lOnm厚的Ni膜，在Ni膜上為厚度50nm 厚的Ag膜。其中最上層Ag膜具有納米孔陣列結(jié)構(gòu)，并采用Si02層為保護(hù)層以防止Ag膜 氧化。其制備方法與實(shí)施例4相同。實(shí)施例25 所述傳感頭的光波導(dǎo)基底與實(shí)施例21相同，磁光感應(yīng)膜層是多層膜， 在光波導(dǎo)基底上是50nm厚的Bi YIG膜，在Bi YIG膜之上為具有島狀非周期納米結(jié)構(gòu)的Au 膜。其制備方法與實(shí)施例5相同。實(shí)施例26 所述傳感頭的光波導(dǎo)基底與實(shí)施例21相同，磁光感應(yīng)膜層是含有Au 納米粒子的YIG膜層。其制備方法與實(shí)施例6相同。實(shí)施例27 所述傳感頭的光波導(dǎo)基底與實(shí)施例21相同，磁光感應(yīng)膜層是含有 Fe304和Au的復(fù)合納米粒子的PMMA膜層。其制備方法與實(shí)施例7相同。實(shí)施例28 所述傳感頭的光波導(dǎo)基底與實(shí)施例21相同，磁光感應(yīng)膜層是含有磁性 氧化鐵_金的核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒的PMMA膜層。其制備方法與實(shí)施例8相同。實(shí)施例29 所述傳感頭的光波導(dǎo)基底與實(shí)施例21相同，磁光感應(yīng)膜層是含有 Fe304和Au的復(fù)合納米粒子的SU-8光刻膠膜層。其制備方法與實(shí)施例9相同。實(shí)施例30 所述傳感頭的光波導(dǎo)基底與實(shí)施例21相同，磁光感應(yīng)膜層是多層膜， 在光波導(dǎo)基底上是15nm厚的Co膜，在Co膜之上為lOOnm厚的Cu膜，在Cu膜之上為lnm 厚的Au膜。其制備方法與實(shí)施例10相同。以下是本發(fā)明所述傳感方法的實(shí)施例。在實(shí)施例31 34中，傳感頭可采用前述 實(shí)施例中的任意一種。實(shí)施例31 圖4所示為本發(fā)明所述電流傳感方法的一個實(shí)施例，本實(shí)施例采用基 于強(qiáng)度變化的檢測方法。He-Ne激光器8發(fā)出單色光經(jīng)過偏振片9變換為p偏振光，光波由 透鏡10耦合到單模光纖11中，再由光纖導(dǎo)入到本發(fā)明所述傳感頭12，本發(fā)明所述傳感頭置 于通電載流導(dǎo)體13 —側(cè)，電流的變化引起導(dǎo)體周圍磁場的變化，磁場變化通過所述傳感頭 的磁光感應(yīng)膜層的磁光效應(yīng)使反射光的光強(qiáng)變化，出射光送入Si光電池14，經(jīng)包括前置放 大濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集處理軟件的信號處理單元15獲得被測電流信息。實(shí)施例32 圖5所示為本發(fā)明所述電流傳感方法的一個實(shí)施例，本實(shí)施例采用基 于偏振態(tài)變化的檢測方法。激光二極管16發(fā)出單色光經(jīng)過格蘭棱鏡17變換為p偏振光， 光波由透鏡10耦合到保偏光纖18中，再導(dǎo)入到本發(fā)明所述傳感頭12。本發(fā)明所述傳感頭 置于通電載流導(dǎo)體13 —側(cè)，電流的變化引起導(dǎo)體周圍磁場的變化，磁場變化通過所述傳感 頭的磁光感應(yīng)膜層的磁光效應(yīng)使偏振光的偏振面旋轉(zhuǎn)。所述傳感頭的出射光由透鏡10耦 合到沃拉斯頓棱鏡19，棱鏡將輸入光分成振動方向相互垂直的兩束偏振光，并分別送到Si 光電池14，經(jīng)包括前置放大濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集處理軟件的信號處理單元15獲 得被測電流信息。實(shí)施例33 :圖6所示為本發(fā)明所述電流傳感方法的一個實(shí)施例，采用基于 Mach-Zehnder型干涉檢測方法。DFB激光器20發(fā)出相干光，經(jīng)光隔離器21，由光纖起偏器 22起偏變成p偏振光，再耦合進(jìn)保偏光纖18后，通過3dB保偏光纖耦合器23分別送入兩 根長度基本相同的保偏光纖18。其中一根光纖為探測臂，串有本發(fā)明所述傳感頭12，置于 通電載流導(dǎo)體13—側(cè)；另一光纖為參考臂，包括環(huán)繞光纖的柱狀PZT24和光纖偏振控制器 25，前者用于產(chǎn)生相位延遲進(jìn)一步獲得正交相位偏置條件，以抵消因溫度的變化而產(chǎn)生的相位波動，后者控制參考臂中傳播的參考光的偏振態(tài)，使參考光和信號光的偏振態(tài)相互匹 配。本發(fā)明所述傳感頭12置于通電載流導(dǎo)體13 —側(cè)，電流的變化引起導(dǎo)體周圍磁場的變 化，磁場變化通過所述傳感頭的磁光感應(yīng)膜層的磁光效應(yīng)使偏振光的相位變化。從探測臂 和參考臂輸出的兩束光進(jìn)入3dB耦合器23，疊加產(chǎn)生干涉效應(yīng)，并分別送到CCD光電探測 器24，經(jīng)包括前置放大濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集處理軟件的信號處理單元15獲得被 測電流信息。 實(shí)施例34 圖7所示為本發(fā)明所述電流傳感方法的一個實(shí)施例，采用基于波長變 化的檢測方法。鹵鎢燈25輸出寬譜光由偏振片9起偏為p偏振光，經(jīng)透鏡10耦合進(jìn)芯徑 為600 y m的多模光纖26，再導(dǎo)入到本發(fā)明所述傳感頭12，本發(fā)明所述傳感頭置于通電載流 導(dǎo)體13 —側(cè)，電流的變化引起導(dǎo)體周圍磁場的變化，磁場變化通過所述傳感頭的磁光感應(yīng) 膜層的磁光效應(yīng)使光譜吸收峰位置移動。所述傳感頭的出射光耦合到光纖光譜儀27獲得 光譜信號，再經(jīng)包括前置放大濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集處理軟件的信號處理單元15 得到被測電流信息。
權(quán)利要求
一種光學(xué)電流互感器的傳感頭，其特征在于，所述的傳感頭包括光波導(dǎo)基底和位于所述光波導(dǎo)基底上的磁光感應(yīng)膜層；所述磁光感應(yīng)膜層包括表面等離子激元金屬材料和磁性材料；所述磁光感應(yīng)膜層具有表面等離子激元金屬材料納米結(jié)構(gòu)特征。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)電流互感器的傳感頭，其特征在于，所述的磁光感應(yīng)膜 層是由一個或幾個表面等離子激元金屬材料膜層與一個或幾個磁性材料膜層層疊構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)電流互感器的傳感頭，其特征在于，所述的磁光感應(yīng)膜 層是一種夾心結(jié)構(gòu)，即一個表面等離子激元金屬材料膜層夾在兩個磁性材料膜層之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)電流互感器的傳感頭，其特征在于，所述的磁光感應(yīng)膜 層的一個磁性材料膜層夾在所述光波導(dǎo)基底與一個所述表面等離子激元金屬材料膜層之 間。
5.根據(jù)權(quán)利要求2至4中任一項所述的光學(xué)電流互感器的傳感頭，其特征在于，所述的 表面等離子激元金屬材料膜層具有周期性或除膜層厚度以外的非周期性納米結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光學(xué)電流互感器的傳感頭，其特征在于，所述的周期性納米 結(jié)構(gòu)是納米光柵結(jié)構(gòu)或納米孔陣列結(jié)構(gòu)；所述的非周期性納米結(jié)構(gòu)是表面島狀非周期納米 結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)電流互感器的傳感頭，其特征在于，所述的磁光感應(yīng)膜 層由含有表面等離子激元金屬材料納米結(jié)構(gòu)的材料摻雜入磁性材料膜層構(gòu)成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)電流互感器的傳感頭，其特征在于，所述的磁光感應(yīng)膜 層由表面等離子激元金屬材料和磁性材料的納米復(fù)合材料摻雜入非磁性材料膜層構(gòu)成。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至5或7至8中任一項所述的光學(xué)電流互感器的傳感頭，其特征在于 所述的表面等離子激元材料納米結(jié)構(gòu)特征是指表面等離子激元金屬材料納米膜層的厚度， 或表面等離子激元金屬材料納米粒子的粒徑，或在納米復(fù)合材料中表面等離子激元金屬材 料的納米結(jié)構(gòu)形式。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)電流互感器的傳感頭，其特征在于，所述的表面等離子 激元金屬材料是Au、Ag、Cu或A1中的一種或幾種。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)電流互感器的傳感頭，其特征在于，所述的光波導(dǎo)基底 利用全反射現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)光在材料中的傳導(dǎo)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的光學(xué)電流互感器的傳感頭，其特征在于，所述的光波導(dǎo)基 底包括光纖或平面光波導(dǎo)。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)電流互感器的傳感頭，其特征在于，在所述光波導(dǎo)基底 與所述磁光感應(yīng)膜層之間存在中間聯(lián)接層。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)電流互感器的傳感頭，其特征在于，在所述磁光感應(yīng)膜 層上存在保護(hù)層。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)電流互感器的傳感頭，其特征在于所述的納米結(jié)構(gòu)特 征的尺寸在500nm以內(nèi)。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)電流互感器的傳感頭，其特征在于所述的納米結(jié)構(gòu)特 征的尺寸在l_500nm。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)電流互感器的傳感頭，其特征在于所述的納米結(jié)構(gòu)特 征的尺寸在10-100nm。
18. 一種利用權(quán)利要求1所述的光學(xué)電流互感器的傳感頭進(jìn)行電流傳感的方法，其特 征在于(1)光源發(fā)出的光波具有P波偏振分量，或通過偏振控制器件使其具有P波偏振分量；(2)所述具有p波偏振分量的光波通過所述光學(xué)電流互感器傳感頭的光波導(dǎo)基底入射 在所述光波導(dǎo)基底上的磁光感應(yīng)膜層上，與所述磁光感應(yīng)膜層中的表面等離子激元金屬材 料發(fā)生相互作用；(3)所述具有p波偏振分量的光波通過所述相互作用在外界電流產(chǎn)生磁場中產(chǎn)生磁光 效應(yīng)，使所述光波的強(qiáng)度、偏振態(tài)、相位或波長發(fā)生改變；(4)通過檢測所述光波通過所述磁光感應(yīng)膜層前后的強(qiáng)度、偏振態(tài)、相位或波長的變 化，得到所述電流的信息。
全文摘要
一種光學(xué)電流互感器傳感頭，包括光波導(dǎo)基底、位于所述光波導(dǎo)基底上的磁光感應(yīng)膜層；所述磁光感應(yīng)膜層由表面等離子激元金屬材料與磁性材料復(fù)合構(gòu)成；所述磁光感應(yīng)膜層具有表面等離子激元金屬材料納米結(jié)構(gòu)特征。所述電流傳感方法利用了p偏振光與具有納米結(jié)構(gòu)特征的表面等離子激元金屬材料發(fā)生的相互作用，在磁場下使磁光感應(yīng)膜層產(chǎn)生的磁光效應(yīng)，由此通過光波導(dǎo)基底入射在磁光感應(yīng)膜層上的光波特征參量受到外界電流磁場變化的調(diào)制，檢測光波通過本發(fā)明所述傳感頭前后的強(qiáng)度、偏振態(tài)、相位或波長的變化可以實(shí)現(xiàn)電流的光學(xué)傳感。
文檔編號G01R19/00GK101949969SQ20101027693
公開日2011年1月19日 申請日期2010年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月8日
發(fā)明者羅雪峰, 閆存極, 韓立 申請人:中國科學(xué)院電工研究所