Measurement of High Electric Field Using Linear Electric-Optic Effect of Crystalline SiO$_2$

SiO$_2$의 전기 광학 효과를 이용한 고전계 측정

This paper presentes a new method to measure high electric field (or high voltage) by using crystalline SiO2 which has very high half wave voltage. There are many difficulties in measuring high electric field using other crystals which have generally low half wave voltage.By applying Stokes parameter and Mueller matrix. We derive optical modulation equation in the sensor which is composed of a polarizer, and Mueller matrix, we derive optical modulation equation in the sensor which is composed of a polarizer, a Pokels material, and an analyzer, We theoretically analyzed electro-optic effect, and calculated the phase retardation and half wave volt age of the birefringent material. The designed optical valtage sensor has very excellent linearity up to 20KV without divided volt-age. The maximum error was measured within 3%. Before annealing of Sio2 crystal, the maximum variation of the output voltage is 7.5% with varying temperature from \ulcorner20˚c to 60˚c. But, after annealing of SiO2 crystal, the output voltage variation is improved within 1%error.

본 논문에서는 광파이버 센서로써 고전계(고전압)측정의 어려움을 해결하기 위하여 지금까지 알려진 다른 전기광학 소자보다 반파장 전압이 매우 높은 SiO2를 사용하여 고전계을 계측하기 위한 새로운 방법을 제시 하였다. SiO2를 비롯한 광학소자로 구성된 센서내부, 즉 전광자 및 편광자에서의 광변조식을 Stokes Parameter와 Mueller 행렬로 유도 하였고 이를 복굴절 결정에서의 전기광학 효과를 이론적으로 해석하고 위상지연과 반파장 전압을 계산하였다. 설계 제작한 광전압 센서에 , 분압없이 최대전압 20KV까지 공급 했을때의 출력신호를 검출한 결과 오차는 3%미만으로서 매우 우수한 직선성을 얻었다. SiO2의 온도변화(-20~60$^{\circ}$C)에 따른 출력전압 변화를 실험한 결과 최대 7.5%까지 변동율이 발생하였으나 열처리 한후로는 1.0% 이내로 개선된 특성을 보였다.