專利名稱：一種光學電流互感器傳感頭及傳感方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光學電流互感器領域，特別涉及一種光學電流傳感頭及其傳感方法。
背景技術：
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重的缺陷，主要包括(1)當系統(tǒng)發(fā) 生短路、電流異常增大時，互感器鐵心飽和嚴重，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、氣體絕緣的絕緣結構越來越復雜，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，不適應電力計量與保護數(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一步發(fā)展的重點。目前，電子式電流互感器主要分為兩大類光學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，其相對磁導率與空氣中的相對磁導率相同?？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現(xiàn)準確積分 功能，限制了其暫態(tài)性能；由于其高壓側信號處理電路需要長期可靠的供電電源，穩(wěn)定供能 設計和低功耗設計是其目前發(fā)展的難點和關鍵，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，需要在高壓側引入電源和地，使得整個裝置非常復雜。所以在電力 系統(tǒng)中應用互感器的理想形式應該是無源型的光學電流互感器，以大大降低絕緣要求。目前，光學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互感器， 被測電流通過直線導體從主體玻璃環(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)也被研究應用于電流測量領域，但其費爾德常數(shù)受溫度影響比較大，磁化過 程帶有隨機性，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合可實 現(xiàn)電流傳感，但由于光纖和磁致伸縮材料耦合的負載效應、磁致伸縮材料本身的磁飽和和 磁致效應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 互感器中的實際應用。全光纖傳感頭就是將光纖直接繞制在載流導體上實現(xiàn)電流傳感，光 路結構簡單。由于溫度、應力等環(huán)境因素可導致光纖內(nèi)部雙折射的隨機變化，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)試運行的樣機，但這種方案很 難區(qū)分由振動引起的光陀螺效應對傳感檢測的影響。近年來，隨著功能薄膜技術的發(fā)展，光學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共振結構的電流傳感 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 護層、永磁薄膜和磁光材料層疊生長結構。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。但由于上述技術方案仍受磁性材料性能的限制， 所以在實際應用中存在許多問題。隨著納米技術的迅速發(fā)展和人們對微觀世界認識的深化，以表面等離子激元為代 表的納米光子學領域取得了很大進展。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和介質(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 磁場增強效應，極大加強了光與物質(zhì)之間的相互作用，可顯著增強金屬膜層的磁光特性，從 而加強了其對外界磁場變化的光傳感響應能力。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等方式來實 現(xiàn)。除了可以激發(fā)金屬薄膜單界面的表面等離子激元，通過合理設計金屬與電介質(zhì)的多層 薄膜結構，在金屬膜層上下兩個界面的表面等離子激元可以實現(xiàn)耦合，稱為長程表面等離 子激元，可以實現(xiàn)在界面的更長距離傳播。利用光柵結構、周期納米孔結構和納米金屬粒子 等金屬微納結構可產(chǎn)生更強的局域高場增強效果，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電流互感器實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)定性差且具有隨機性而無法有效補償?shù)葐栴}，提出一種以表面等離 子激元的納米效應為基礎的新型光學電流傳感頭及其傳感方法。本發(fā)明的光學電流互感器傳感頭，包括光波導基底和位于該基底上的磁光感應膜 層。磁光感應膜層由表面等離子激元金屬材料構成，或由表面等離子激元金屬材料與非磁 性介電材料復合所構成。其中所述磁光感應膜層具有表面等離子激元金屬材料納米結構特 征。磁光感應膜層可以由一個或幾個表面等離子激元金屬材料膜層層疊構成。磁光感應膜層也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 非磁性介電材料膜層層疊構成。進一步地，磁光感應膜層也可以是一種夾心結構，即一個表 面等離子激元金屬材料膜層夾在兩個非磁性介電材料膜層之間，或一個非磁性介電材料膜 層夾在兩個表面等離子激元金屬材料膜層之間；或者，磁光感應膜層由一個表面等離子激 元金屬材料膜層和一個非磁性介電材料膜層構成，其中表面等離子激元金屬材料膜層夾在 光波導基底與非磁性介電材料膜層之間。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 構；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構。磁光感應膜層還可以是由含有表面等離子激元金屬材料納米結構的材料摻雜入 非磁性介電材料膜層構成的。所述的表面等離子激元金屬材料是Au、Ag、Cu或Al中的一種或幾種。所述的光波導基底利用全反射現(xiàn)象實現(xiàn)光在材料中的傳導，包括光纖和平面光波導。在所述光波導基底與所述磁光感應膜層之間存在中間聯(lián)接層，中間聯(lián)接層可增加 光波導基底與所述磁光感應膜層之間連接的牢固程度。在所述磁光感應膜層上存在保護層，以減少外界環(huán)境因素對磁光感應膜層的影 響。所述的表面等離子激元材料納米結構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，或在納米復合材料中表面等離子 激元金屬材料的納米結構形式。所述的納米結構特征的尺寸優(yōu)選在500nm以內(nèi)，更優(yōu)選為l-500nm，進一步優(yōu)選為 IO-IOOnm0所述非磁性介電材料用于光波的傳導和調(diào)整表面等離子激元的激發(fā)條件，以實現(xiàn) 探測光波與表面等離子激元材料的充分相互作用。所述非磁性介電材料包括無機非金屬 材料，如SiO2或SiNx ；聚合物材料，如PMMA (聚甲基丙烯酸甲酯)或SU-8光刻膠；金屬氧化 物材料，如TiO2或ZnO。本發(fā)明基于上述傳感頭的光學電流傳感方法是(1)光源發(fā)出的光波具有ρ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ρ波偏振分量的光波通過本發(fā)明所述光學電流互感器傳感頭的光波 導基底入射在所述光波導基底上的磁光感應膜層上，與所述磁光感應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ρ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，使所述光波的強度、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膜層前后的強度、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， 傳感頭結構方便與現(xiàn)有光纖傳感技術和集成光波導技術銜接。(2)本發(fā)明所述傳感方法基于表面等離子激元共振增強的磁光效應，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)有光學電流檢測方案中傳感信號較弱、易 受干擾且不易補償?shù)葐栴}，可基于多種光波特征參量實現(xiàn)傳感檢測。


0030]以下結合附圖與具體實施方式
對本發(fā)明作進一步說明
圖1為本發(fā)明所述傳感頭的實施例1至14的結構示意圖，圖中1光纖、2V型溝 道、3光纖纖芯、4磁光感應膜層；圖2為本發(fā)明所述傳感頭的實施例15至28的結構示意圖，圖中5玻璃基底、6波
導層；圖3為本發(fā)明所述傳感頭的實施例29至42的結構示意圖，圖中7帶狀波導；圖4為本發(fā)明采用基于強度變化的檢測方法的實施例；圖5為本發(fā)明采用基于偏振態(tài)變化的檢測方法的實施例；圖6為本發(fā)明采用基于相位變化的檢測方法的實施例；圖7為本發(fā)明采用基于波長變化的檢測方法的實施例。
具體實施例方式本發(fā)明光學電流互感器傳感頭包括光波導基底和位于該基底上的磁光感應膜層。 磁光感應膜層由表面等離子激元金屬材料構成，或由表面等離子激元金屬材料與非磁性介 電材料復合所構成。其中所述磁光感應膜層具有表面等離子激元金屬材料納米結構特征。由表面等離子激元金屬材料構成的表面等離子激元金屬材料納米膜層可以采用 物理和化學氣相沉積技術、外延膜沉積技術和表面吸附技術制備。由非磁性介電材料構成 的非磁性介電材料膜層可以采用多種物理和化學氣相沉積技術制備，也可以使用甩膜和表 面吸附等其他制膜方法制備。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 結構可通過光刻、電子束曝光和聚焦離子束刻蝕等微納加工技術來實現(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構吸附等方法來實現(xiàn)。所述非磁性介電材料膜層中的表面等離子激元金屬材料納米結構可以通過原位 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，可以是Au、 Ag、Cu或Al中的一種或幾種。所述非磁性介電材料用于光波的傳導和調(diào)整表面等離子激元的激發(fā)條件，并實現(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無機非金屬材 料，如SiO2或SiNx ；聚合物材料，如PMMA (聚甲基丙烯酸甲酯)或SU-8光刻膠；金屬氧化物 材料，如1102或2110。在光波導基底與磁光感應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基底與磁光感應膜層之間的光波傳導 影響不大即可。在所述磁光感應膜層上存在保護層，以減少外界環(huán)境因素對磁光感應膜層的影 響，可視情況采取任意材料，只要該材料不影響磁光感應膜層對外磁場的響應即可。圖1為本發(fā)明所述傳感頭的實施例1至14的結構示意圖，如圖1所示，磁光感應 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。實施例1 所述傳感頭的光波導基底是石英光纖，在石英光纖的光波導基底上的 磁光感應膜層是厚度50nm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 磁光感應膜層4。磁光感應膜層的制備方法光波導基底經(jīng)清洗和干燥后，利用磁控濺射法 在其拋光面上鍍50nm厚度的Ag膜，再利用PECVD法在Ag膜上制備厚度5nm的SiO2保護 層。一定模式的入射光經(jīng)光纖傳導與磁光感應膜層耦合，可與磁光感應膜層的表面等離子 激元相互作用，在電流磁場中產(chǎn)生磁光效應。實施例2 所述傳感頭的光波導基底是石英光纖，在石英光纖的光波導基底上的 磁光感應膜層為多層膜，在光波導基底上是45nm厚的Al膜，在Al膜之上為Inm厚的Au膜。 光纖基底的制作方法與實施例1相同。磁光感應膜層的制備方法光波導基底經(jīng)清洗和干 燥后，利用磁控濺射法先在其拋光面上鍍45nm的Al膜，再在Al膜上鍍Inm的Au膜。一定 模式的入射光經(jīng)光纖傳導與磁光感應膜層耦合，可與磁光感應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。實施例3 所述傳感頭的光波導基底是石英光纖，在石英光纖的光波導基底上的 磁光感應膜層是多層膜，在光波導基底上是200nm厚的Si3N4膜，在Si3N4膜之上為50nm厚 的Au膜，在Au膜上為厚度SOnm的Si3N4膜。光纖基底的制作方法與實施例1相同。磁光 感應膜層的制備方法光波導基底經(jīng)清洗和干燥后，利用PECVD法在其拋光面上鍍200nm的 Si3N4膜，利用磁控濺射法在Si3N4膜上鍍50nm的Au膜，再利用PECVD法在Au膜上鍍80nm 的Si3N4膜。一定模式的入射光經(jīng)光纖傳導與磁光感應膜層耦合，可與磁光感應膜層的長程 表面等離子激元相互作用，在電流磁場中產(chǎn)生磁光效應。實施例4:所述傳感頭的光波導基底是石英光纖，在石英光纖的光波導基底上的 磁光感應膜層是多層膜，在光波導基底上是200nm厚的SiO2膜，在SiO2膜之上為IOnm厚的 Au膜，在Au膜上為厚度SOnm的SiO2膜。光纖基底的制作方法與實施例1相同。磁光感應 膜層的制備方法光波導基底經(jīng)清洗和干燥后，利用PECVD法在其拋光面上鍍200nm的SiO2 膜，利用磁控濺射法在SiO2膜上鍍IOnm的Au膜，再利用PECVD法在Au膜上鍍SOnm的SiO2 膜。一定模式的入射光經(jīng)光纖傳導與磁光感應膜層耦合，可與磁光感應膜層的長程表面等 離子激元相互作用，在電流磁場中產(chǎn)生磁光效應。實施例5 所述傳感頭的光波導基底是石英光纖，在石英光纖的光波導基底上的 磁光感應膜層是多層膜，在光波導基底上是200nm厚的Ag膜，在Ag膜之上為50nm厚的SiO2 膜，在SiO2膜上為厚度30nm的Ag膜。光纖基底的制作方法與實施例1相同。磁光感應膜層 的制備方法光波導基底經(jīng)清洗和干燥后，先利用磁控濺射法在其拋光面上鍍200nm的Ag 膜，再利用PECVD法在Ag膜上鍍50nm的SiO2膜，再利用磁控濺射法鍍在SiO2膜上鍍30nm 的Ag膜。一定模式的入射光經(jīng)光纖傳導與磁光感應膜層耦合，可與磁光感應膜層的表面等 離子激元相互作用，在電流磁場中產(chǎn)生磁光效應。實施例6 所述傳感頭的光波導基底是石英光纖，在石英光纖的光波導基底上的 磁光感應膜層是多層膜，在光波導基底上是50nm厚的ZnO膜，在ZnO膜之上為50nm厚的Au 膜。光纖基底的制作方法與實施例1相同。磁光感應膜層的制備方法光波導基底經(jīng)清洗 和干燥后，利用MOCVD法在其拋光面上鍍50nm的ZnO膜，再利用磁控濺射法在ZnO膜上鍍 50nm的Au膜。一定模式的入射光經(jīng)光纖傳導與磁光感應膜層耦合，可與磁光感應膜層的表 面等離子激元相互作用，在電流磁場中產(chǎn)生磁光效應。實施例7 所述傳感頭的光波導基底是石英光纖，在石英光纖的光波導基底上的磁光感應膜層是多層膜，在光波導基底上是50nm厚的TiO2膜，在TiO2膜之上為50nm厚的 Au膜。光纖基底的制作方法與實施例1相同。磁光感應膜層的制備方法光波導基底經(jīng)清 洗和干燥后，利用MOCVD法在其拋光面上鍍50nm的TiO2膜，再利用磁控濺射法在TiO2膜上 鍍50nm的Au膜。一定模式的入射光經(jīng)光纖傳導與磁光感應膜層耦合，可與磁光感應膜層 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。實施例8 所述傳感頭的光波導基底是石英光纖，在石英光纖的光波導基底上的 磁光感應膜層是多層膜，在光波導基底上是200nm厚的SU-8膜，在具有島狀非周期納米結 構SU-8膜之上為50nm厚的Au膜。光纖基底的制作方法與實施例1相同。磁光感應膜層 的制備方法光波導基底經(jīng)清洗和干燥后，利用甩膜法在其拋光面上涂200nm的SU-8膜，再 利用磁控濺射法在SU-8膜上鍍50nm的Au膜。一定模式的入射光經(jīng)光纖傳導與磁光感應 膜層耦合，可與磁光感應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。實施例9 所述傳感頭的光波導基底是石英光纖，磁光感應膜層是含有粒度20nm Au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施例1相同。磁光 感應膜層的制備方法光波導基底經(jīng)清洗和干燥后，將溶有20nmAu納米粒子的PMMA的四氫 呋喃溶液涂在其拋光面上，待溶劑蒸發(fā)后獲得磁光感應膜層。一定模式的入射光經(jīng)光纖傳 導與磁光感應膜層耦合，可與磁光感應膜層的局域表面等離子激元相互作用，在電流磁場 中產(chǎn)生磁光效應。實施例10 所述傳感頭的光波導基底是石英光纖，磁光感應膜層是含有Si02_Au 的核殼結構復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施例 1相同。磁光感應膜層的制備方法光波導基底經(jīng)清洗和干燥后，將溶有Si02-Au的核殼結 構復合納米粒子的PMMA的四氫呋喃溶液涂在其拋光面上，待溶劑蒸發(fā)后獲得磁光感應膜 層。其中Si02-Au的核殼結構復合納米粒子通過以金納米粒子為表面晶種和殼生長的方法 制備，粒徑為100nm，Au殼層厚度為5nm。一定模式的入射光經(jīng)光纖傳導與磁光感應膜層耦 合，可與磁光感應膜層的局域表面等離子激元相互作用，在電流磁場中產(chǎn)生磁光效應。實施例11 所述傳感頭的光波導基底是石英光纖，在石英光纖的光波導基底上的 磁光感應膜層是多層膜，在光波導基底上是500nm厚的Cu膜，在Cu膜之上為IOnm厚的SiO2 膜。光纖基底的制作方法與實施例1相同。磁光感應膜層的制備方法光波導基底經(jīng)清洗 和干燥后，利用磁控濺射法在其拋光面上鍍500nm的Cu膜，再利用PECVD法在Cu膜上鍍 IOnm的SiO2膜。一定模式的入射光經(jīng)光纖傳導與磁光感應膜層耦合，可與磁光感應膜層的 表面等離子激元相互作用，在電流磁場中產(chǎn)生磁光效應。實施例12 所述傳感頭的光波導基底是石英光纖，在石英光纖的光波導基底上的 磁光感應膜層是多層膜，在光波導基底上是30nm厚的SiO2膜，在SiO2膜之上為30nm厚的 Au膜。光纖基底的制作方法與實施例1相同。磁光感應膜層的制備方法光波導基底經(jīng)清 洗和干燥后，利用PECVD法在其拋光面上鍍30nm的SiO2膜，再利用磁控濺射法在SiO2膜上 鍍30nm的Au膜。一定模式的入射光經(jīng)光纖傳導與磁光感應膜層耦合，可與磁光感應膜層 的長程表面等離子激元相互作用，在電流磁場中產(chǎn)生磁光效應。實施例13 所述傳感頭的光波導基底是石英光纖，在石英光纖的光波導基底上的 磁光感應膜層是具有光柵結構的Au膜。光纖基底的制作方法與實施例1相同。磁光感應膜 層的制備方法光波導基底經(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膜和厚度為30nm的Au膜，利用光刻技術在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Au膜與基底連接 的牢固程度。一定模式的入射光經(jīng)光纖傳導與磁光感應膜層耦合，可與磁光感應膜層的表 面等離子激元相互作用，在電流磁場中產(chǎn)生磁光效應。實施例14 所述傳感頭的光波導基底是石英光纖，在石英光纖的光波導基底上的 磁光感應膜層是由粒徑20nm的Ag納米粒子構成，其平均厚度為50nm左右，具有島狀非周 期納米結構。光纖基底的制作方法與實施例1相同。磁光感應膜層的制備方法光波導基 底經(jīng)清洗和干燥后，將其拋光面硅烷化，使粒徑為20nm的Ag納米粒子吸附固定到基底表面 上形成Ag納米粒子膜層。一定模式的入射光經(jīng)光纖傳導與磁光感應膜層耦合，可與磁光感 應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。圖2為本發(fā)明所述傳感頭的實施例15至28的結構示意圖，圖中磁光感應膜層4 在Ag+-Na+玻璃平面光波導上，包括玻璃基底5和波導層6。實施例15:如圖2所示，所述傳感頭的光波導基底是利用離子交換法制作的 Ag+-Na+玻璃平面薄膜光波導，所述的光波導基底包括玻璃基底5和在玻璃基底上的波導層 6。磁光感應膜層為厚度50nm的Ag膜，在Ag膜上存在Si02保護膜，其制備方法與實施例 1相同。實施例16 所述傳感頭的光波導基底與實施例15相同，磁光感應膜層是多層膜， 在光波導基底上是45nm厚的Al膜，在Al膜之上為Inm厚的Au膜。其制備方法與實施例 2相同。實施例17 所述傳感頭的光波導基底與實施例15相同，磁光感應膜層是多層膜， 在光波導基底上是200nm厚的Si3N4膜，在Si3N4膜之上為50nm厚的Au膜，在Au膜上為厚 度SOnm的Si3N4膜。其制備方法與實施例3相同。實施例18 所述傳感頭的光波導基底與實施例15相同，磁光感應膜層是多層膜， 在光波導基底上是200nm厚的SiO2膜，在SiO2膜之上為IOnm厚的Au膜，在Au膜上為厚度 SOnm的SiO2膜。其制備方法與實施例4相同。實施例19 所述傳感頭的光波導基底與實施例15相同，磁光感應膜層是多層膜， 在光波導基底上是200nm厚的Ag膜，在Ag膜之上為50nm厚的SiO2膜，在SiO2膜上為厚度 30nm的Ag膜。其制備方法與實施例5相同。實施例20 所述傳感頭的光波導基底與實施例15相同，磁光感應膜層是多層膜， 在光波導基底上是50nm厚的ZnO膜，在ZnO膜之上為50nm厚的Au膜。其制備方法與實施 例6相同。實施例21 所述傳感頭的光波導基底與實施例15相同，磁光感應膜層是多層膜， 在光波導基底上是50nm厚的TiO2膜，在TiO2膜之上為50nm厚的Au膜。其制備方法與實 施例7相同。實施例22 所述傳感頭的光波導基底與實施例15相同，磁光感應膜層是多層膜， 在光波導基底上是200nm厚的SU-8膜，在SU-8膜之上為50nm厚的Au膜。其制備方法與 實施例8相同。實施例23 所述傳感頭的光波導基底與實施例15相同，磁光感應膜層是含有粒度 20nmAu納米粒子的PMMA膜層，其制備方法與實施例9相同。
實施例24:所述傳感頭的光波導基底與實施例15相同，磁光感應膜層是含有 Si02-Au的核殼結構復合納米粒子的PMMA膜層，其制備方法與實施例10相同。實施例25 所述傳感頭的光波導基底與實施例15相同，磁光感應膜層是多層膜， 在光波導基底上是500nm厚的Cu膜，在Cu膜之上為IOnm厚的SiO2膜。其制備方法與實 施例11相同。實施例26 所述傳感頭的光波導基底與實施例15相同，磁光感應膜層是多層膜， 在光波導基底上是30nm厚的SiO2膜，在SiO2膜之上為30nm厚的Au膜。其制備方法與實 施例12相同。實施例27 所述傳感頭的光波導基底與實施例15相同，磁光感應膜層具有光柵結 構的Au膜，在光波導基底與磁光感應膜層之間存在3nm厚的中間聯(lián)接層Cr膜。其制備方 法與實施例13相同。實施例28 所述傳感頭的光波導基底與實施例15相同，磁光感應膜層是由粒度 20nm的Ag納米粒子構成，具有島狀非周期納米結構，其制備方法與實施例14相同。圖3為本發(fā)明所述傳感頭的實施例29至42的結構示意圖，圖中磁光感應膜層4 在利用光刻技術和離子交換法制作的K+-Na+玻璃帶狀光波導上，包括玻璃基底5和帶狀波 導7。實施例29 如圖3所示，所述傳感頭的光波導基底是先利用光刻技術產(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，包括玻璃基底5和以條帶形式埋 置在其中的帶狀波導7。磁光感應膜層厚度50nm的Ag膜，在Ag膜上存在Si02保護膜，其 制備方法與實施例1相同。實施例30 所述傳感頭的光波導基底與實施例29相同，磁光感應膜層是多層膜， 在光波導基底上是45nm厚的Al膜，在Al膜之上為Inm厚的Au膜。其制備方法與實施例 2相同。實施例31 所述傳感頭的光波導基底與實施例29相同，磁光感應膜層是多層膜， 在光波導基底上是200nm厚的Si3N4膜，在Si3N4膜之上為50nm厚的Au膜，在Au膜上為厚 度SOnm的Si3N4膜。其制備方法與實施例3相同。實施例32 所述傳感頭的光波導基底與實施例29相同，磁光感應膜層是多層膜， 在光波導基底上是200nm厚的SiO2膜，在SiO2膜之上為IOnm厚的Au膜，在Au膜上為厚度 SOnm的SiO2膜。其制備方法與實施例4相同。實施例33 所述傳感頭的光波導基底與實施例29相同，磁光感應膜層是多層膜， 在光波導基底上是200nm厚的Ag膜，在Ag膜之上為50nm厚的SiO2膜，在SiO2膜上為厚度 30nm的Ag膜。其制備方法與實施例5相同。實施例34 所述傳感頭的光波導基底與實施例29相同，磁光感應膜層是多層膜， 在光波導基底上是50nm厚的ZnO膜，在ZnO膜之上為50nm厚的Au膜。其制備方法與實施 例6相同。實施例35 所述傳感頭的光波導基底與實施例29相同，磁光感應膜層是多層膜， 在光波導基底上是50nm厚的TiO2膜，在TiO2膜之上為50nm厚的Au膜。其制備方法與實 施例7相同。實施例36 所述傳感頭的光波導基底與實施例29相同，磁光感應膜層是多層膜，在光波導基底上是200nm厚的SU-8膜，在SU-8膜之上為50nm厚的Au膜。其制備方法與 實施例8相同。實施例37 所述傳感頭的光波導基底與實施例29相同，磁光感應膜層是含有20nm Au納米粒子的PMMA膜層，其制備方法與實施例9相同。實施例38 所述傳感頭的光波導基底與實施例29相同，磁光感應膜層是含有 Si02-Au的核殼結構復合納米粒子的PMMA膜層，其制備方法與實施例10相同。實施例39 所述傳感頭的光波導基底與實施例29相同，磁光感應膜層是多層膜， 在光波導基底上是500nm厚的Cu膜，在Cu膜之上為IOnm厚的SiO2膜。其制備方法與實 施例11相同。實施例40 所述傳感頭的光波導基底與實施例29相同，磁光感應膜層是多層膜， 在光波導基底上是30nm厚的SiO2膜，在SiO2膜之上為30nm厚的Au膜。其制備方法與實 施例12相同。實施例41 所述傳感頭的光波導基底與實施例29相同，磁光感應膜層具有光柵結 構的Au膜，在光波導基底與磁光感應膜層之間存在3nm厚的中間聯(lián)接層Cr膜。其制備方 法與實施例13相同。實施例42 所述傳感頭的光波導基底與實施例29相同，磁光感應膜層是由粒度 20nm的Ag納米粒子構成，具有島狀非周期納米結構，其制備方法與實施例14相同。以下是本發(fā)明所述傳感方法的實施例。在實施例43 46中，傳感頭可采用前述 實施例中的任意一種。實施例43 圖4所示為本發(fā)明所述電流傳感方法的一個實施例，本實施例采用基 于強度變化的檢測方法。He-Ne激光器8發(fā)出單色光經(jīng)過偏振片9變換為ρ偏振光，光波由 透鏡10耦合到單模光纖11中，再由光纖導入到本發(fā)明所述傳感頭12，本發(fā)明所述傳感頭置 于通電載流導體13 —側，電流的變化引起導體周圍磁場的變化，磁場變化通過所述傳感頭 的磁光感應膜層的磁光效應使反射光的光強變化，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。實施例44 圖5所示為本發(fā)明所述電流傳感方法的一個實施例，本實施例采用基 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ρ偏振光， 光波由透鏡10耦合到保偏光纖18中，再導入到本發(fā)明所述傳感頭12。本發(fā)明所述傳感頭 置于通電載流導體13 —側，電流的變化引起導體周圍磁場的變化，磁場變化通過所述傳感 頭的磁光感應膜層的磁光效應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。實施例45 :圖6所示為本發(fā)明所述電流傳感方法的一個實施例，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ρ偏振光，再耦合進保偏光纖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 通電載流導體13—側；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置于通電載流導體13 —側，電流的變化引起導體周圍磁場的變 化，磁場變化通過所述傳感頭的磁光感應膜層的磁光效應使偏振光的相位變化。從探測臂 和參考臂輸出的兩束光進入3dB耦合器23，疊加產(chǎn)生干涉效應，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。 實施例46 圖7所示為本發(fā)明所述電流傳感方法的一個實施例，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ρ偏振光，經(jīng)透鏡10耦合進芯徑 為600 μ m的多模光纖26，再導入到本發(fā)明所述傳感頭12，本發(fā)明所述傳感頭置于通電載流 導體13 —側，電流的變化引起導體周圍磁場的變化，磁場變化通過所述傳感頭的磁光感應 膜層的磁光效應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。
權利要求
一種光學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基底和位于所述光波導基底上的磁光感應膜層；所述磁光感應膜層由表面等離子激元金屬材料構成，或由表面等離子激元金屬材料與非磁性介電材料復合構成；所述磁光感應膜層具有表面等離子激元金屬材料納米結構特征。
2.根據(jù)權利要求1所述的光學電流互感器的傳感頭，其特征在于，所述的磁光感應膜 層是由一個或幾個表面等離子激元金屬材料膜層層疊構成。
3.根據(jù)權利要求1所述的光學電流互感器的傳感頭，其特征在于，所述的磁光感應膜 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非磁性介電材料膜層層疊 構成。
4.根據(jù)權利要求3所述的光學電流互感器的傳感頭，其特征在于，所述的磁光感應膜 層是一種夾心結構，即一個表面等離子激元金屬材料膜層夾在兩個非磁性介電材料膜層之 間或一個非磁性介電材料膜層夾在兩個表面等離子激元金屬材料膜層之間。
5.根據(jù)權利要求3所述的光學電流互感器的傳感頭，其特征在于，所述的磁光感應膜 層的一個表面等離子激元金屬材料膜層夾在所述光波導基底與一個所述非磁性介電材料 膜層之間。
6.根據(jù)權利要求2至5中任一項所述的光學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構。
7.根據(jù)權利要求6所述的光學電流互感器的傳感頭，其特征在于，所述的周期性納米 結構是納米光柵結構或納米孔陣列結構；所述的非周期性納米結構是表面島狀非周期納米 結構。
8.根據(jù)權利要求1所述的光學電流互感器的傳感頭，其特征在于，所述的磁光感應膜 層由含有表面等離子激元金屬材料納米結構的材料摻雜入非磁性介電材料膜層構成。
9.根據(jù)權利要求1至5或7至8中任一項所述的光學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構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，或在納米復合材料中表面等離子激元金屬材 料的納米結構。
10.根據(jù)權利要求1所述的光學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Al中的一種或幾種。
11.根據(jù)權利要求1所述的光學電流互感器的傳感頭，其特征在于，所述的光波導基底 利用全反射現(xiàn)象實現(xiàn)光在材料中的傳導。
12.根據(jù)權利要求11所述的光學電流互感器的傳感頭，其特征在于，所述的光波導基 底包括光纖或平面光波導。
13.根據(jù)權利要求1所述的光學電流互感器的傳感頭，其特征在于，在所述光波導基底 與所述磁光感應膜層之間存在中間聯(lián)接層。
14.根據(jù)權利要求1所述的光學電流互感器的傳感頭，其特征在于，在所述磁光感應膜 層上存在保護層。
15.根據(jù)權利要求1所述的光學電流互感器的傳感頭，其特征在于所述的納米結構特 征的尺寸在500nm以內(nèi)。
16.根據(jù)權利要求1所述的光學電流互感器的傳感頭，其特征在于所述的納米結構特征的尺寸在l_500nm。
17.根據(jù)權利要求1所述的光學電流互感器的傳感頭，其特征在于所述的納米結構特 征的尺寸在10-100nm。
18.一種利用權利要求1所述的光學電流互感器的傳感頭進行電流傳感的方法，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ρ波偏振分量的光波通過所述光學電流互感器傳感頭的光波導基底入射 在所述光波導基底上的磁光感應膜層上，與所述磁光感應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ρ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，使所述光波的強度、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膜層前后的強度、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
一種光學電流互感器傳感頭，包括光波導基底、位于所述光波導基底上的磁光感應膜層；所述磁光感應膜層由表面等離子激元金屬材料構成，或由表面等離子激元金屬材料與非磁性介電材料復合構成；所述磁光感應膜層具有表面等離子激元金屬材料納米結構特征。所述電流傳感方法利用了p偏振光與具有納米結構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膜層產(chǎn)生的磁光效應，由此通過光波導基底入射在磁光感應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度、偏振態(tài)、相位或波長的變化可以實現(xiàn)電流的光學傳感。
文檔編號G01R19/00GK101975880SQ20101027695
公開日2011年2月16日 申請日期2010年9月8日 優(yōu)先權日2010年9月8日
發(fā)明者羅雪峰, 閆存極, 韓立 申請人:中國科學院電工研究所