论文导读:：在强磁场环境下，实验研究了利用K9玻璃内部线性双折射随温度的变化进行温度测量的方法。实验发现强磁场对输出结果的影响可以忽略；K9玻璃内部线性双折射的变化滞后于环境温度，其为温度相关过程量；通过测量双折射的变化，可以估计K9玻璃内部真正的温度。
论文关键词：过程量，线性双折射，温度，K9玻璃
1 引言
YIG、磁光玻璃等材料被用于制作的光学电流互感器[1-2]。但是这些材料的Verdet常数具有很高的度温度依赖特性[3,4]。环境温度从低温或高温到达某温度时，磁光材料瞬时Verdet常数差别较大，称Verdet常数为随温度变化的过程量，严重影响了光学电流互感器的实用化。K9玻璃的Verdet常数非常小，约为( - ) 10-6/(cm·T)量级，厚度不是很大，磁场强度小于1T时，法拉第转角与线性双折射的相位延迟相比可以忽略[5]。而适加应力会极大增强K9玻璃线性双折射，并且线性双折射高度依赖于温度，也为温度相关过程量。根据K9冕玻璃的这种性质，实验研究了在强磁场环境下利用其内部线性双折射随温度变化线性双折射，进行温度测量的方法。通过比较磁光材料与K9玻璃的热传导系数，此方法可用于在强磁场环境下对其它温度相关过程量的修正。
2 温度测量实验原理
2.1 实验方案与器材
温度测量原理如图1所示，光源发出的光线经起偏器起偏后光强为I0，然后入射到位于强磁场中并施加有应力的K9玻璃，出射后经沃拉斯顿棱镜(PBS)分光，经两性能相同的光电探测器探测，得到两路信号，然后利用计算机进行处理。实验中采用的光源为带单色仪的溴钨灯；磁场由长春第一光学仪器厂生产的直流电磁铁产生，磁极间距离为11mm，并由HY1791-5型稳压稳流电源供电，电磁铁输出磁场与电流的关系如图4所示；偏振器件采用高消光比偏振片与沃拉斯顿棱镜；试验中选择的K9玻璃经切割抛光，加工成厚度为7.359mm的多边形结构；探测器采用两个LPE-1A型激光功率能量计；信号采集系统采用卓立汉光公司的DCS102数据采集系统发表论文。
图1 温度测量原理图
2.2 温度测量理论分析
K9玻璃内部线性双折射由固有双折射和外界应力引入的双折射两部分构成。受到材料制作工艺限制，固有双折射光轴并不唯一。外界应力引入的双折射与固有双折射的光轴也可能不重合。所以，试验中并不能测量得到K9玻璃的光轴具体方向，而只能测量得到其双折射最强方向。入射到K9玻璃的线偏振光I0性质的变化，主要由强磁场和K9玻璃内部与温度相关的线性双折射引起。后文全部采用归一化光强计算，I0的值取1。以K9玻璃理论上的双折射光轴为y轴；用 表示入射线偏振光与x轴的夹角； 表示由于K9玻璃中的线性双折射而引入的相位延迟，其为一个温度敏感量；把沃拉斯顿棱镜看作两相互正交的检偏器，第一个检偏器透射方向与x轴的夹角表示为 。忽略强磁场影响，可得经两检偏器后的出射光矢量可以分别表示为
 (1)
 (2)
经两检偏器后的出射光强可以分别表示为
 (3)
 (4)
对 与 两输出光强做差除和处理[6]，令
 (5)
由 的表达式(5)可知，当和一定时，随线性双折射引入的相位延迟量的变化而变化。当温度变化时线性双折射，K9玻璃线性双折射强度随之发生变化，从而引起相位延迟量的变化，最终导致差除和结果的变化。计算可得当和都为450时， 的系数取极值1，此时输出的变化完全由引起，即完全决定于温度的变化。
3 温度测量实验及结果分析
3.1 K9玻璃双折射最强位置的确定
K9冕玻璃双折射光轴不唯一，但存在一个双折射最强的方向，需要对这个方向进行测量。按图1所示，调节起偏器的透射方向与沃拉斯顿棱镜光轴相对位置，使输出两光强分别为最大和零，保证沃拉斯顿棱镜分光后的输出差除和结果为1。然后在两磁极间放入K9冕玻璃，并垂沿垂直于光传播方向施加一个应力。旋转K9冕玻璃，寻找沃拉斯顿棱镜输出差除和结果最大的位置，近似认为此处为冕玻璃双折射光轴，把此位置确定为直角坐标系y轴，与其垂直方向为x轴，光传播方向为z轴。
3.2 强磁场对输出结果的影响
对直流电磁铁施加0-5A的电流，产生的磁场在0-0.9T范围内，实验发现在温度不变的情况下，光电探测器的输出结果不变。在温度分别为200C与260C时，其中一个探测器输出的光功率与施加电流关系如图2所示，近似认为磁场对K9冕玻璃产生的法拉第效应可以忽略。由于LPE-1A型激光功率能量计为热敏型探测器，灵敏度较低线性双折射，随着对电磁铁施加电流的增大，其输出结果不变，图中曲线显得比较理想。
图2 不同温度下输出的光功率与施加电流关系
3.3 温度测量
正对着光线传播方向，把起偏器和沃拉斯顿棱镜分别沿顺时针旋转450，认为此时和分别等于450，由(5)式可知，在此位置的系数最大，差除和结果在这个位置变化最灵敏。
在室温为260C时，记录此时探测器输出差除和结果的大小，并开始改变K9玻璃温度发表论文。实验发现，当环境温度快速到达某一值并稳定时，探测器差除和结果要经过一定时间延迟才能达到稳定，说明K9玻璃双折射的改变滞后于环境温度，是一个温度相关过程量。当探测器的差除和结果稳定后记录数据，并把试验测得的差除和结果按(5)式转换成角度，其随温度的变化关系如图3所示。
图3 随温度的变化曲线
从图中可以看出，从260C 开始，的绝对值随温度的升高，有一个先减小后增大的过程，在38.20C位置为零；的绝对值随温度的降低，而增大。当温度较高时曲线斜率较大，低温处斜率较小，说明双折射在高温时变化比较灵敏线性双折射，在低温成变化比较平缓。按图3所示曲线定标，可用其来测量K9玻璃内部的真正温度。在环境温度缓慢变化时，测量结果与标准数字温度计对比，重复精度高于0.20C；在温度快速变化时，测量结果与环境温度相比差别较大，但其反映了K9玻璃内部真正的温度。此精度受到了光电探测器灵敏度的制约，若采用更高精度的光电探测器，温度测量的精度将会得到更大的提高。
4 结束语
通过选取K9玻璃制作传感头，利用其温度相关线性双折射，设计了能够在强磁场环境下工作的温度测量方案。实验结果证明，可以忽略强磁场对测量结果的影响，得到的差除和结果正比于线性双折射的余弦值。按实验曲线进行定标，可进行温度测量，温度测量重复精度高于0.20C。利用这种方法，可在强磁场环境下对其它温度相关过程量进行修正。
参考文献
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[2]R. Fujikawa, A. V. Baryshev, A. B. Khanikaev, et.al..Enhancement of Faraday rotation in 3D/Bi:YIG/1D photonic heterostructures[J], JMater Sci: Mater Electron, 2009, 20:S493–S497
[3]T.Ishibashi, T. Kosaka, M. Naganuma, et.al.. Magneto-optical Properties of Bi-substituted YttriumIron Garnet Films by Metal-organic Decomposition Method[C], Journal of Physics: Conference Series 200 (2010)112002
[4]王政平,刘晓瑜,黄宗军.光学玻璃电流互感器中互易性问题的理论研究[J].光子学报, 2006 , 35 (9) :1333～1336
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