基于Pockels效应原理, 分别对交直流混合强电场传感器中的电光传感单元和电场调制机构进行了设计与测试。对电光传感单元结构进行合理设计, 选取并制备相关器件。搭建试验平台, 试验结果表明电光传感单元输入输出具有良好的线性度, 对电场波形的变化具有快速的响应且频率特性良好, 其性能满足测量调制后电场波形的需求。利用电光传感单元和电场调制机构组建传感器, 并测量了交直流混合强电场响应。

为了抵消自然双折射引起的Pockels电场传感器的工作点漂移, 设计了一种基于波长控制的铌酸锂晶体强电场传感器。设计的传感器系统包括: 可调谐激光器、Pockels传感器、微控制单元及光电探测器。采用微控制器控制可调谐激光器的输出波长, 使传感器具有π的固有相位偏置, 即使传感器工作在线性区。仿真结果表明: 当设计的传感器晶体长度大于0.45mm时, 在1530 ~1565nm范围内可以找到使传感器工作在线性区的工作波长。最后结合传感器最大可测电场与半波电场之间的关系Emax≈0.3Eπ, 得出传感器晶体长度为6.32mm, 光沿z方向传播, x方向加电场, 传感器最大可测电场为1000kV/m, 此时调谐传感器的工作波长为1546.1nm可以使传感器工作在线性区。

直接从二阶非线性极化出发,得到了任意方向通光的铌酸锂晶体的横向介电张量矩阵,不仅证明了二阶非线性极化系数更能准确地反映泡克尔斯效应的物理本质,而且得出无论从哪个方向通光,偏振态只能在垂直于赤道平面与邦加球的交线上旋转,而不能沿赤道旋转。然后针对铌酸锂晶体具体不同的通光方向与加压方向利用四元数的方法进行探讨,得出只有在z方向通光,x或y方向加电场时晶体的偏振旋转轴不会受到自然双折射的影响,同时分析了输入偏振态对电光效应的影响。最后进行了铌酸锂晶体电光效应的实验,证实了上述理论分析的正确性。该理论分析与实验为光学传感器及其他应用提供了依据。

基于Pockels效应的光学电压传感器(Optical Voltage Transducer, OVT), 运行中不可避免地存在震动、元器件连接的老化与热胀冷缩等问题, 导致光学器件的相互位置产生偏移, 进而影响电光晶体的内电场分布。文中以基于会聚偏光干涉原理的110 kV纵向调制的OVT为例, 进行了仿真分析与实验研究, 发现当入射光发生±0.5°的偏移或电光晶体发生±1°的偏移时, 分别引入约0.107%和0.124%的电场积分误差。由于OVT 必须满足0.2%的准确度要求, 上述影响不容忽视。为此提出了介质包裹法, 将Al2O3陶瓷包裹在电光晶体外部, 使电场积分误差分别降低至0.001%和0.003%。实验与应用的情况表明, 介质包裹法简单、实用、有效。

差分相移系统有成钥率高,编码速率快,抗干扰性能强,传输距离大等特点。 在分析普克尔斯效应的基础上,提出基于差分相移系统的混合编码设计方案,该方案中发 送端通过运用普克尔斯效应进行偏振、相位、时间的混合编码,接收端利用相位干涉和测量 时间的控制进行解码。与传统差分相移编码系统分析比较,增加了差分相位编码的相关性,有效 提升了差分相位编码的实际安全性,进一步提高了量子密钥的成钥率。

针对现有光纤电压传感器结构复杂、调整难度大、温度稳定性差、光功率损耗大及电压引入不便等问题，提出一种基于全偏振态检测且无需起偏器与检偏器的光纤电压传感器.传感器只含有自聚焦透镜、Bi4Ge3O12晶体以及全反射镜等3个主要元件，器件少，结构简单，对准较容易.介绍了全偏振态检测系统光路，采用分振幅法检测偏振态，具有快速响应、算法简单等优点.计算得出了偏振态、离线电场与被测电压之间的公式.进行了悬挂式高压试验，试验中的传感器上无电极，也无需接地，不但省去了昂贵的绝缘子，而且增大了传感器的量程.试验结果表明，在室温条件下0～10 kV工频交流电压范围内，该传感器具有良好的线性关系，证明了该结构的可行性.

提出一个基于级联铌酸锂泡克耳斯效应的偏振转换器。偏振转换器由3个附有横向电极的铌酸锂晶体组成,通过调节3个外加电场可以将任意偏振态的入射光转换为任何想要的偏振态的光输出。利用线性电光效应的折射率椭球和耦合波理论研究入射光通过偏振转换器的偏振态变化,并举例说明偏振转换器如何将某一椭圆偏振光转换为任意偏振角的线偏振光、右(或左)旋圆偏振光和任意椭圆率的椭圆偏振光。

利用有限元法分析了双面电极下铌酸锂晶体内部的电场分布。在规定匀强电场区域条件下,得到匀强电场区域大小随晶体宽度与电极宽度比值增大而增大的规律。在此基础上利用铌酸锂晶体的双横向普克尔效应设计了一种适用于任意光波长的电控λ/2波片。制作并测试了晶体宽度与电极宽度之比分别为2∶1和3∶1的电控铌酸锂λ/2波片,结果表明:这种波片可将一束线偏振的输入光转换成任意方向偏振的输出光,也可将任意偏振方向的输入光转换成固定方向偏振的输出光,并且晶体宽度与电极宽度比值越大,实验值与理论值符合得越好。

采用基于Pockels效应的高压电场测量方法，建立了电光效应电压测量系统。从理论上分析了单片BGO晶体测量电压的极限，提出了多片BGO晶体间隔排列测量高压的解决方案。通过引入虚拟仪器技术，以Labview作为软件开发平台编写软件程序和对采集信号进行处理与分析，提高了系统的稳定性和准确性，取得了良好的效果。