[发明专利]一种全光纤外差电流传感器

权利要求书

1.一种全光纤外差电流传感器，其特征是：包括一个半导体激光器光源、一个普通光纤偏振控制器、一个光纤电流感应单元、一段端面有亚波长金属光栅的光纤和第一、第二两个光功率计、第一和第二两个光纤环路器，其中半导体激光器光源输出端通过光纤偏振控制器接第一光纤环路器后再连接光纤电流感应单元；第一光纤环路器第三端并联第二光纤环路器的第一端口，第二光纤环路器的第二端设有端面金属光栅和第一光功率计，第二光纤环路器的第三端接第二光功率计。

2.根据权利要求1要求所述的全光纤外差电流传感器，其特征在于：光纤电流感应单元采用光纤环与电流环互绕的结构，光纤环的一端接法拉第旋转镜面，光纤环的另一端接第一光纤环路器第二端，起到光信号的输入与输出功能，电流环接入待测电流感应单元的电路；从电流感应单元反射回来的信号光通过第一环路器第三端口入射到第二环路器的第一端口。

3.根据权利要求1要求所述的全光纤外差电流传感器，其特征在于：端面金属光栅为亚波长金属光栅，是实现对该光纤端面不同偏振态入射光的透射率和偏振率的控制的全光纤光偏振控制器；光纤电流感应单元由多圈光纤平行紧密绕制在一个中心有空洞的圆柱体上，导线绕着圆柱体的内外壁均匀螺旋状绕制，直接在光纤环中利用法拉第磁光效应来测量导线中电流的变化。

4.根据权利要求1要求所述的全光纤外差电流传感器方法，其特征在于：采用一种全光纤条件下实现外差测量的方法，设置光路特征为：半导体激光器光源输入端的入射光通过所述的全光纤光偏振控制器时，透射光通过光功率计测量光强I_t，反射光通过光纤环形器引入另一段光纤测量光强I_r，经过信号处理得到外差结果具体而言，入射光到光纤环形器1的第一端口，环形器1的第三个端口与环形器2的第一个端口相连，环形器2的第二个端口通过光纤耦光到第一光功率计测量透射光强I_t，环形器2的第三端口通过光纤直接连接第二光功率计测量反射光强I_r；透射光光强I_t＝I₀sin²(δ/2)，反射光光强I_r＝I₀cos²(δ/2)，其中δ为相位差，I₀为入射偏振光的光强；透射光与反射光的结果只与由于电流变化引起的光相位差δ有关，与电流传感无关的诸如光源波动、环境温度变化、微弱机械振动等不利因素皆可排除。

5.根据权利要求4所述的全光纤外差电流传感方法，其特征在于：使用环路器1将光源、电流感应单元和全光纤外差光路连接起来；光源包括半导体激光器光源和普通光纤偏振控制器。

6.根据权利要求4或5所述的全光纤外差电流传感方法，其特征在于：利用微纳加工技术直接或间接地在光纤端面制备金属线栅，利用金属线栅对特定偏振光的选择性反射或透射效应，实现对特定光波段的反射光或透射光的偏振性控制。

7.根据权利要求4或5所述的全光纤外差电流传感方法，其特征在于半导体激光光源产生单波长信号光输入到普通单模光纤中，该信号光经过在线式的光纤偏振控制器调整输入光的偏振特性，然后输入到导线环/光纤环绕制的电流传感头，反射端加入法拉第旋转镜面使反射光相对于入射光轴向旋转90度，以消除光纤环中的固有双折射、应力双折射等不利因素；环路器1用于收集由传感头端反射而来的信号光，再输入环路器2；信号光经过环路器2入射到光纤端面的金属纳米线栅上，线栅透射光由光功率计1测量，线栅反射光由环路器2收集再输入到光功率计2上测量；两个光功率计的测量值进行外差计算；当感应单元上导线中的电流发生变化时，引起光纤周围磁场的变化，从而再引起光纤中传输光偏振态的变化，偏振态的变化在光纤端面金属纳米线栅上得到全光纤外差检偏。

8.根据权利要求4或5所述的全光纤外差电流传感方法，其特征是光纤包括单模光纤、多模光纤、保偏光纤，其特征是具有平整的光纤端面；半导体激光器光源、普通光纤偏振控制器、光纤环路器、光功率计和法拉第旋转镜面均为商用产品。

9.根据权利要求1、3、5、6所述的全光纤外差电流传感方法，其特征是所述的金属线栅，其特征是材质包括金、银、铝、铜、铂、铬等金属，线栅结构周期为0.05-50微米，线栅的膜厚为0.01-2微米，结构区域覆盖光纤纤芯。

10.根据权利要求1、3、5、6所述的全光纤外差电流传感实现外差测量的方法光信息处理系统、光纤传感及精密光学测量系统中的应用。