CN106125016A - 基于快光效应的超灵敏环形激光磁力仪及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光磁力仪，具体是一种基于快光效应的超灵敏环形激光磁力仪及使用方法，属于弱磁场检测技术领域。所述磁力仪包含由一号反射镜、二号反射镜、三号反射镜和一号半反半透镜组成的激光谐振腔、激光增益管、石英晶体、磁光玻璃、快光介质、合光棱镜、二号半反半透镜、一号滤波器、二号滤波器、一号光电探测器、二号光电探测器、放大器、处理系统、稳流电源、稳定分流电路。本发明的目的是利用快光效应来增强环形激光磁力仪的灵敏度，实现高稳定性高灵敏度的矢量磁力仪。

Description

基于快光效应的超灵敏环形激光磁力仪及使用方法

技术领域

本发明涉及一种激光磁力仪，具体是一种基于快光效应的超灵敏环形激光磁力仪及使用方法，属于弱磁场检测技术领域。

背景技术

高灵敏度磁力仪在航空磁探、地球磁场测量以及军事反潜等领域具有广泛的应用。目前主流的高精度磁力仪为各种量子磁力仪，包括Overhauzer质子磁力仪、原子光泵磁力仪、超导磁力仪和新型原子磁力仪，它们各有特点。Overhauzer质子磁力仪发展较早，灵敏度在的量级，不存在盲区(dead zone)和航向误差(heading error)，缺点是梯度容忍度较小、采样率较低；原子光泵磁力仪有光泵K、Rb、Cs和He磁力仪，其中K和He磁力仪灵敏度优于但盲区和航向误差对它们的应用产生了一定限制，而且跟踪速度较慢。超导磁力仪灵敏度高达最大的问题是需要庞大的低温系统，不便于使用；新型原子磁力仪如SERF磁力仪理论灵敏度可达但只能在极弱的磁场环境下工作。

环形激光器是一种对非互易效应非常敏感的器件，在环形激光器的环形谐振腔中放入磁光器件如磁光玻璃，当磁场在磁光玻璃上存在分量时，可在环形激光器的顺时针和逆时针之间产生与之成正比的非互易频差。通过拍频的方法测出频差，即可求出磁场分量大小[张书练,冯铁荪,田芊.环形激光弱磁传感器原理研究.地球物理学报,1986,29(4):363-368]。环形激光磁力仪的优势在于它是矢量磁力仪，且不怕磁场梯度的影响，不存在盲区，但在目前的磁光器件工艺水平下，通常环形激光磁力仪的灵敏度在的范围，与高精度光泵量子磁力仪相比灵敏度要低。

发明内容

本发明的目的是利用快光效应来增强环形激光磁力仪的灵敏度，实现高稳定性高灵敏度的矢量磁力仪。快光效应指的是通过调整快光介质的群折射率，使通过该介质的光脉冲速度大于光速的效应。在激光腔中放入快光介质可使激光频率随谐振腔等效光程的变化率大大增强，因而可用来增强环形激光陀螺、引力波测量仪等装置的灵敏度。

本发明基于以下原理：光的群折射率定义为n_g＝n+νdn/dν，其中，n为光在真空中的折射率，ν为光在真空中的频率。在具有反常色散特性的介质中，可使n_g小于1，这时光的群速将大于真空光速，称为超快光速，反常色散介质又称为快光介质。对于环形激光腔中频率为ν₁的顺时针光波和频率为ν₂的逆时针光波，快光介质的群折射率

$n_g=\frac{n_s\left(v_1\right)v_1-n_s\left(v_2\right)v_2}{v_1-v_2}---\left(1\right)$

其中，n_s(ν₁)和n_s(ν₂)分别为为快光介质中频率为ν₁的顺时针光波和频率为ν₂的逆时针光波的折射率。

因此，环形激光腔出射的顺时针光波频率ν₁和逆时针光波频率ν₂间的频率差为，

$\mathrm{\Δ}v=v_1-v_2=-\frac{2cVB}{\mathrm{\π}}\frac{l_2}{n_0(l_1+l_2)+n_g{l}_3}---\left(2\right)$

式中，c为真空光速，V为磁光玻璃的沃尔德常量，B为磁场强度；n₀为增益气体的折射率，约为1；n_g为快光介质的群折射率；l₁、l₂、l₃分别为增益气体、磁光玻璃和快光介质的长度。

快光介质的群折射率可以在很大的范围内选择，当选择快光介质的群折射率使n₀(l₁+l₂)+n_gl₃接近0时，就可以实现环形激光磁力仪灵敏度的增强。

本发明采用的技术方案为：一种基于快光效应的超灵敏环形激光磁力仪，包含由一号反射镜101、二号反射镜102、三号反射镜103和一号半反半透镜104组成的激光谐振腔1、激光增益管2、石英晶体3、磁光玻璃4、快光介质5、合光棱镜6、二号半反半透镜7、一号滤波器8、二号滤波器9、一号光电探测器10、二号光电探测器11、放大器12、处理系统13、稳流电源14、稳定分流电路15。其中，一号反射镜101、二号反射镜102、三号反射镜103和半反半透镜104置于矩形的四个角上，其反射面法线与矩形的对角线重合；激光增益管2位于三号反射镜103和半反半透镜104之间的谐振光路上，用于对谐振腔中运行的激光提供增益，实现光放大；石英晶体3和磁光玻璃4位于一号反射镜101和二号反射镜102之间的谐振光路上，石英晶体3的光轴沿谐振光传播方向，用于使激光谐振腔中运行的光形成左旋圆偏振光(LCP)和右旋圆偏振光(RCP)，磁光玻璃4用于使左旋圆偏振光(LCP)和右旋圆偏振光(RCP)在激光谐振腔1中产生光程差；快光介质5位于一号反射镜101和半反半透镜104之间的谐振光路上。所述的处理系统13包含数据采集卡和计算机，用于实现信号采集和计算。

稳流电源14和稳定分流电路15为激光增益管2提供电流，使激光增益管2受激出光，激光增益管2出射的顺时针(CW)行进的光依次经过三号反射镜103、二号反射镜102、磁光玻璃4、石英晶体3、一号反射镜101、快光介质5，最后在一号半反半透镜104处出射；激光增益管2出射的逆时针(AW)行进的光依次经过一号半反半透镜104、快光介质5、一号反射镜101、石英晶体3、磁光玻璃4、二号反射镜102、三号反射镜103、激光增益管2、最后再从一号半反半透镜104出射；一号半反半透镜104将逆时针(AW)行进的光和顺时针(CW)行进的光输出给合光棱镜6进行混合，混合后的激光通过二号半反半透镜7分为两束：一束光经过一号滤波器8后由一号光电探测器10接收，另一束光经过二号滤波器9后由二号光电探测器11接收，一号光电探测器10和二号光电探测器11输出的信号经过放大器12放大后送入处理系统13进行处理。

本发明对磁场的测量是通过以下步骤实现的：

步骤一，激光谐振腔1中稳定输出顺时针(CW)和逆时针(AW)光波。稳流电源14和稳定分流电路15为激光增益管2提供电流，使激光增益管2受激出光，并在由一号反射镜101、二号反射镜102、三号反射镜103和一号半反半透镜104组成的激光谐振腔1中形成顺时针行进的光(CW)和逆时针行进的光(AW)；所述顺时针(CW)行进的光和逆时针(AW)行进的光通过多次增益放大后，在一号半反半透镜104处稳定出光。

步骤二，激光谐振腔1输出的正、负旋光(相对于磁光玻璃4定义)产生不同的光程差。石英晶体3使激光谐振腔中运行的光形成左旋圆偏振光(LCP)和右旋圆偏振光(RCP)：此时，半反半透镜104处输出的激光包含有四种成分：顺时针左旋圆偏振激光(CW-LCP)、顺时针右旋圆偏振激光(CW-RCP)、逆时针左旋圆偏振激光(AW-LCP)、逆时针右旋圆偏振激光(AW-RCP)。顺时针左旋圆偏振激光(CW-LCP)和顺时针右旋圆偏振激光(CW-RCP)相对于磁光玻璃4处的磁场来说定义为正旋光和负旋光；逆时针左旋圆偏振激光(AW-LCP)和逆时针右旋圆偏振激光(AW-RCP)相对于磁光玻璃4处的磁场来说则为负旋光和正旋光。在磁场作用下，磁光玻璃4使正、负旋光产生不同的光程差，正、负旋光光程差的变化引起两束光频率差的变化。因此，正、负旋光频率差反映磁光玻璃4处的磁场强度。

步骤三，利用快光介质5提高环形激光磁力仪的灵敏度。选择快光介质5的群折射率使n₀(l₁+l₂)+n_gl₃接近0，由下式中频率差与磁场强度的对应关系：

$\mathrm{\Δ}v=v_1-v_2=-\frac{2cVB}{\mathrm{\π}}\frac{l_2}{n_0(l_1+l_2)+n_g{l}_3}$

可知磁场的微小变化会引起两束光频率差发生较大的变化，从而提高本发明所述环形激光磁力仪的灵敏度。

步骤四，利用激光谐振腔1输出的“光拍”频率得到待测量磁场的大小。一号半反半透镜104将顺时针左旋圆偏振激光(CW-LCP)、顺时针右旋圆偏振激光(CW-RCP)、逆时针左旋圆偏振激光(AW-LCP)、逆时针右旋圆偏振激光(AW-RCP)输出给合光棱镜6进行混合，混合后的激光经由二号半反半透镜7分为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光：其中左旋圆偏振光(包含一正旋光和一负旋光)经过一号滤波器8后输出给一号光电探测器10；右旋圆偏振光(包含一正旋光和一负旋光)经过二号滤波器9输出给二号光电探测器11。正、负旋光形成“光拍”，一号光电探测器10和二号光电探测器11测量得到的光拍信号经过放大器12放大后送入处理系统13进行处理，“光拍”的频率即为正、负旋光的频率差，通过测量该频率差就可以由下式求得磁场的大小：

$B=\frac{\mathrm{\Δ}v\mathrm{\π}\[n_0(l_1+l_2)+n_g{l}_3\]}{2{\mathrm{cVl}}_2}.$

本发明具有以下技术效果：首先，与其他磁力仪相比，本发明使用快光介质，具有较高的灵敏度；其次，本发明没有其他磁力仪的电振动和电磁共振，不受广播等空间电磁场的干扰；最后，本发明结构简单，无活动部件，抗机械振动能力强，能够实现恶劣条件下的高精度磁场测量。附图说明

图1是基于快光效应的超灵敏环形激光磁力仪主体结构示意图。

图2是一号半反半透镜104处输出的激光成分示意图。

具体实施方式

下面参考附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。

参见图1，本发明所述的基于快光响应的超灵敏环形激光磁力仪由一号反射镜101、二号反射镜102、三号反射镜103和一号半反半透镜104组成的激光谐振腔1、激光增益管2、石英晶体3、磁光玻璃4、快光介质5、合光棱镜6、二号半反半透镜7、一号滤波器8、二号滤波器9、一号光电探测器10、二号光电探测器11、放大器12、处理器13、稳流电源14、稳定分流电路15组成。

稳流电源14和稳定分流电路15为激光增益管2提供电流，使激光增益管2受激出光，激光增益管2出射的顺时针(CW)行进的光依次经过三号反射镜103、二号反射镜102、磁光玻璃4、石英晶体3、一号反射镜101、快光介质5，最后在一号半反半透镜104处出射；激光增益管2出射的逆时针(AW)行进的光依次经过一号半反半透镜104、快光介质5、一号反射镜101、石英晶体3、磁光玻璃4、二号反射镜102、三号反射镜103、激光增益管2、最后再从一号半反半透镜104出射；一号半反半透镜104将逆时针(AW)行进的光和顺时针(CW)行进的光输出给合光棱镜6进行混合，混合后的激光通过二号半反半透镜7分为两束：一束光经过一号滤波器8后由一号光电探测器10接收，另一束光经过二号滤波器9后由二号光电探测器11接收，一号光电探测器10和二号光电探测器11输出的信号经过放大器12放大后送入处理系统13进行处理。

本实施方式中，所述的石英晶体3的光轴沿谐振光传播方向，用于使激光谐振腔中运行的光形成左旋圆偏振光(LCP)和右旋圆偏振光(RCP)。

所述的磁光玻璃4使左旋圆偏振光(LCP)和右旋圆偏振光(RCP)在激光谐振腔1中产生光程差；

所述的快光介质5的群折射率其中，n₀为增益气体的折射率，l₁、l₂、l₃分别为增益气体、磁光玻璃和快光介质的长度。

本发明对磁场的测量的具体实施方法：

步骤一，激光谐振腔1中稳定输出顺时针(CW)和逆时针(AW)光波。稳流电源14和稳定分流电路15为激光增益管2提供电流，使激光增益管2受激出光，并在由一号反射镜101、二号反射镜102、三号反射镜103和一号半反半透镜104组成的激光谐振腔1形成顺时针行进的光(CW)和逆时针行进的光(AW)；所述顺时针(CW)行进的光和逆时针(AW)行进的光通过多次增益放大后，在一号半反半透镜104处稳定出光。步骤二，激光谐振腔1输出的正、负旋光(相对于磁光玻璃4定义)产生不同的光程差。石英晶体3使激光谐振腔中运行的光形成左旋圆偏振光(LCP)和右旋圆偏振光(RCP)：此时，半反半透镜104处输出的激光包含有四种成分：顺时针左旋圆偏振激光(CW-LCP)、顺时针右旋圆偏振激光(CW-RCP)、逆时针左旋圆偏振激光(AW-LCP)、逆时针右旋圆偏振激光(AW-RCP)。顺时针左旋圆偏振激光(CW-LCP)和顺时针右旋圆偏振激光(CW-RCP)相对于磁场玻璃4处的磁场来说定义为正旋光和负旋光；逆时针左旋圆偏振激光(AW-LCP)和逆时针右旋圆偏振激光(AW-RCP)相对于磁场玻璃4处的磁场来说则为负旋光和正旋光。在磁场作用下，磁光玻璃4使正、负旋光产生不同的光程差，正、负旋光光程差的变化引起两束光频率差的变化，参见图2。因此，正、负旋光频率差反映磁光玻璃4处的磁场强度。

步骤三，利用快光介质5提高磁力仪的灵敏度。选择快光介质5的群折射率使n₀(l₁+l₂)+n_gl₃接近0，由式(2)中频率差与磁场强度的对应关系，磁场的微小变化会引起两束光频率差发生较大的变化。

步骤四，利用激光谐振腔1输出的“光拍”频率得到测量的磁场大小。一号半反半透镜104将顺时针左旋圆偏振激光(CW-LCP)、顺时针右旋圆偏振激光(CW-RCP)、逆时针左旋圆偏振激光(AW-LCP)、逆时针右旋圆偏振激光(AW-RCP)输出给合光棱镜6进行混合，混合后的激光由半反半透镜7分为为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光：其中左旋圆偏振光(包含一正旋光和一负旋光)经过一号滤波器8输出给一号光电探测器10；右旋圆偏振光(包含一正旋光和一负旋光)经过二号滤波器9输出给二号光电探测器11。正、负旋光形成“光拍”，一号光电探测器10和二号光电探测器11测量得到的光拍信号经过放大器12放大后送入处理系统13进行处理，“光拍”的频率即为正、负旋光的频率差，通过测量该频率差就可以计算得到测量磁场的大小。

Claims (2)

1.一种基于快光效应的超灵敏环形激光磁力仪，其特征在于：所述磁力仪包含由一号反射镜(101)、二号反射镜(102)、三号反射镜(103)和一号半反半透镜(104)组成的激光谐振腔(1)、激光增益管(2)、石英晶体(3)、磁光玻璃(4)、快光介质(5)、合光棱镜(6)、二号半反半透镜(7)、一号滤波器(8)、二号滤波器(9)、一号光电探测器(10)、二号光电探测器(11)、放大器(12)、处理系统(13)、稳流电源(14)、稳定分流电路(15)；其中，一号反射镜(101)、二号反射镜(102)、三号反射镜(103)和半反半透镜(104)置于矩形的四个角上，其反射面法线与矩形的对角线重合；激光增益管(2)位于三号反射镜(103)和半反半透镜(104)之间的谐振光路上，用于对谐振腔中运行的激光提供增益，实现光放大；石英晶体(3)和磁光玻璃(4)位于一号反射镜(101)和二号反射镜(102)之间的谐振光路上，石英晶体(3)的光轴沿谐振光传播方向，用于使激光谐振腔中运行的光形成左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，磁光玻璃(4)用于使左旋圆偏振光和右旋圆偏振光在激光谐振腔(1)中产生光程差；快光介质(5)位于一号反射镜(101)和半反半透镜(104)之间的谐振光路上；所述的处理系统(13)包含数据采集卡和计算机，用于实现信号采集和计算；

稳流电源(14)和稳定分流电路(15)为激光增益管(2)提供电流，使激光增益管(2)受激出光，激光增益管(2)出射的顺时针行进的光依次经过三号反射镜(103)、二号反射镜(102)、磁光玻璃(4)、石英晶体(3)、一号反射镜(101)、快光介质(5)，最后在一号半反半透镜(104)处出射；激光增益管(2)出射的逆时针行进的光依次经过一号半反半透镜(104)、快光介质(5)、一号反射镜(101)、石英晶体(3)、磁光玻璃(4)、二号反射镜(102)、三号反射镜(103)、激光增益管(2)、最后再从一号半反半透镜(104)出射；一号半反半透镜(104)将逆时针行进的光和顺时针行进的光输出给合光棱镜(6)进行混合，混合后的激光通过二号半反半透镜(7)分为两束：一束光经过一号滤波器(8)后由一号光电探测器(10)接收，另一束光经过二号滤波器(9)后由二号光电探测器(11)接收，一号光电探测器(10)和二号光电探测器(11)输出的信号经过放大器(12)放大后送入处理系统(13)进行处理。

2.一种采用如权利要求1所述环形激光磁力仪测量磁场的方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

步骤一，激光谐振腔(1)中稳定输出顺时针和逆时针光波：稳流电源(14)和稳定分流电路(15)为激光增益管(2)提供电流，使激光增益管(2)受激出光，并在由一号反射镜(101)、二号反射镜(102)、三号反射镜(103)和一号半反半透镜(104)组成的激光谐振腔(1)中形成顺时针行进的光和逆时针行进的光；所述顺时针行进的光和逆时针行进的光通过多次增益放大后，在一号半反半透镜(104)处稳定出光；

步骤二，激光谐振腔(1)输出的正、负旋光产生不同的光程差：石英晶体(3)使激光谐振腔中运行的光形成左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，此时，半反半透镜(104)处输出的激光包含有四种成分：顺时针左旋圆偏振激光、顺时针右旋圆偏振激光、逆时针左旋圆偏振激光、逆时针右旋圆偏振激光；顺时针左旋圆偏振激光和顺时针右旋圆偏振激光相对于磁光玻璃(4)处的磁场来说定义为正旋光和负旋光；逆时针左旋圆偏振激光和逆时针右旋圆偏振激光相对于磁光玻璃4处的磁场来说则为负旋光和正旋光；在磁场作用下，磁光玻璃(4)使正、负旋光产生不同的光程差，正、负旋光光程差的变化引起两束光频率差的变化，因此，正、负旋光频率差反映磁光玻璃(4)处的磁场强度；

步骤三，利用快光介质(5)提高环形激光磁力仪的灵敏度：选择快光介质(5)的群折射率使n₀(l₁+l₂)+n_gl₃接近0，由下式中频率差与磁场强度的对应关系：

$\mathrm{\Δ}v=v_1-v_2=-\frac{2cVB}{\mathrm{\π}}\frac{l_2}{n_0(l_1+l_2)+n_g{l}_3}$

可知磁场的微小变化会引起两束光频率差发生较大的变化，从而提高本发明所述环形激光磁力仪的灵敏度；

步骤四，利用激光谐振腔(1)输出的“光拍”频率得到待测量磁场的大小：一号半反半透镜(104)将顺时针左旋圆偏振激光、顺时针右旋圆偏振激光、逆时针左旋圆偏振激光、逆时针右旋圆偏振激光输出给合光棱镜(6)进行混合，混合后的激光经由二号半反半透镜(7)分为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光：其中左旋圆偏振光经过一号滤波器(8)后输出给一号光电探测器(10)；右旋圆偏振光经过二号滤波器(9)输出给二号光电探测器(11)；正、负旋光形成“光拍”，一号光电探测器(10)和二号光电探测器(11)测量得到的光拍信号经过放大器(12)放大后送入处理系统(13)进行处理，“光拍”的频率即为正、负旋光的频率差，通过测量该频率差就可以由下式求得磁场的大小：

$B=\frac{\mathrm{\Δ}v\mathrm{\π}\[n_0(l_1+l_2)+n_g{l}_3\]}{2{\mathrm{cVl}}_2}.$