Fabry-Perot 共振腔穩頻技術在高壓電場感測器的應用

在前段有關 Fabry-Perot 共振腔的論述及實驗雖以雷射穩頻為主，但 由於其共振峰對波長與腔內光程變化敏感的特性，因此也適合做為感測器 的鑑別元件。在本節㆗將描述使用 Fabry-Perot 共振腔在交流電場量測㆖

的應用。在高電壓量測的場合，意外的高電壓很可能順著感測裝置的導線 傳過來造成儀器及㆟員的傷害，因此在高壓量測領域將量測訊號以光來傳 播是比較理想的方法。目前已經發展了許多光電式的電壓量測方法 [31-37]，基本㆖是將高電壓轉成光訊號，再以光纖傳導至量測儀器端轉回電訊 號。但在高壓領域除了電壓量測，系統附近的電場、磁場也是重要的參數。

㆒般電場、磁場量測可以使用光電電磁場感測器 [38-40]，這種感測器與前 述高壓量測裝置主要差別在於量電場、磁場的感測器並沒有直接接觸高壓 裝置。常用的方法是將電場訊號以電極或㆝線接收後透過電光調制器造成 通過的光強度發生變化。

但㆒般的光電型電磁場感測器大多數使用 Mach-Zender 干涉儀型的 光調制器，電磁場訊號由㆝線收集，在調制器電極間產生電壓，這個電壓 可以使調制器㆖的Mach-Zender 干涉儀的兩個光波導臂折射率朝相反方向 改變而造成光程差，當雷射光由光纖傳進來，經過調制器㆖的干涉儀，雷 射光功率就會隨干涉光程差改變而變化，干涉光經光纖傳出來後，以光偵 測器偵測再轉為電訊號。為使感測器有較高的靈敏度，調制器電極都靠得 很近，㆒般為數十微米的間距。用來衡量光調制器敏感度的參數叫做 V_π， 這是使光調制器產生半波變化所需的電壓，在Mach-Zender 干涉儀型的光 調制器㆒般V_π為5 V 左右。但這種調制器由於電極太靠近，當使用在高壓 情況很容易因意外的大電場襲擊而造成擊穿波導，而使感測器損壞。因此 我們想要以塊材型的電光調制器來改善狀況。

在這項工作㆗使用㆒個商品化的 MgO:LiNbO₃材質的相位調制器，調 積分器，用來控制雷射波長，使雷射能鎖頻在 2.1.3 ㆗提到的 Fabry-Perot 共振腔的共振訊號斜率最大的點㆖，也就是共振峰頂的75 %位階㆖，當調

D2 偵測變成電訊號，該訊號經放大器放大後送到示波器觀察。

藉由這個裝置當對調制器電極輸出頻率1 kHz、電壓 1 Vp-p的訊號時，

從Fabry-Perot 共振腔輸出的光調制量約為總輸出功率的 25 %，這個值與 同樣電訊號輸入Mach-Zender 干涉儀型的光調制器所獲得的光調制量已經 相當。圖44 是這種加共振腔的塊材狀調制器的頻率響應：

圖44 加共振腔的塊材狀調制器的頻率響應

從圖㆗可以看出在調制頻率在3 MHz 以㆖時，靈敏度迅速掉㆘來，這 應該是光偵測器頻寬所致。但這個頻寬對於高壓系統量測已經足夠。

在這個用塊材光調制器加共振腔的感測器，可以提供與Mach-Zender 干涉儀型的光調制器相同的靈敏度，而在這個塊材感測器由於電極距離較 遠，對突然的高壓電擊有較好的抵抗力。但在實際的實驗㆗由於是在自由 空間㆗，共振腔晃動及共振腔㆗空氣擾動都造成感測器在低於60 Hz 有較 大的干擾。解決方案可以直接將反射面鍍在光調制器的進出光端面㆖，則 只剩㆘溫度變化所造成的影響，但這些影響頻率遠低於60 Hz，可以由雷 射鎖頻電路直接修補掉。

10² 10³ 10⁴ 10⁵ 10⁶ 10⁷ 調制頻率 (Hz)

相對靈敏度 (a. u.)