CN109324021A - 一种基于稀土玻璃费尔德系数光谱测量系统的测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于稀土玻璃费尔德系数光谱测量系统的测量方法，主要解决现有技术中存在的测量灵敏度低、测量准确度低的技术问题，本发明所述系统包括线偏振光产生器待测稀土玻璃，双折射晶体，检偏器，自聚焦透镜，与自聚焦透镜连接的光谱仪，与光谱仪连接的上位机；待测稀土玻璃两侧分别设有可变间距电磁铁的两端极，可变间距电磁铁受控于直流电源，可变间距电磁铁两端极间还设有磁场强度测量装置；较好的解决了该问题，可用于稀土玻璃费尔德系数测量中。

Description

一种基于稀土玻璃费尔德系数光谱测量系统的测量方法
技术领域
本发明涉及于磁光材料费尔德常数测量领域，特别涉及到一种基于稀土玻璃费尔德系数光谱测量系统的测量方法。
背景技术
稀土掺杂玻璃以其独特的磁光特性在激光陀螺，光纤电流互感器等方面有重要的应用。而在这些应用中，稀土掺杂玻璃材料的费尔德常数是影响其性能的重要参数，该参数直接决定了传感器的测量灵敏度。
目前，现有的测量磁光材料的费尔德常数的方法有检偏法，双光路差分法和光干涉等方法。本发明提出一种新的基于偏振光谱干涉的费尔德常数测量系统及测量方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有技术中存在的准确度低的问题。提供一种新的稀土玻璃费尔德系数的光谱测量系统及测量方法，该测量系统及测量方法具有测量灵敏度高、测量方便、准确度高的特点。
为解决上述技术问题，采用的技术方案如下：
一种稀土玻璃费尔德系数的光谱测量系统，所述系统包括线偏振光产生器，位于线偏振光产生器平行位置对应设置的待测稀土玻璃104，位于待测稀土玻璃104平行位置对应设置的双折射晶体105，位于双折射晶体105平行位置对应设置的检偏器106，位于检偏器106对应平行位置对应设置的自聚焦透镜107，与自聚焦透镜107连接的光谱仪108，与光谱仪108连接的上位机；所述待测稀土玻璃104两侧分别设有可变间距电磁铁201的两端极，所述可变间距电磁铁201受控于直流电源202，所述可变间距电磁铁201两端极间还设有磁场强度测量装置；
所述上位机设有存储介质，所述存储介质存储有稀土玻璃费尔德系数计算程序，所述稀土博尔德系数计算程序配置为：对光谱干涉条纹进行傅里叶变换得到法拉第转角，并计算出稀土玻璃的费尔德常数。
本发明的工作原理：通过光谱仪108采集干涉光谱条纹，传送给电脑109，电脑109通过对光谱干涉条纹进行傅里叶变换得到法拉第转角，并进而得到稀土玻璃的费尔德常数。
进一步地，所述磁场强度测量装置包括位于可变间距电磁铁201两端极间的磁场测量探头203，所述磁场测量探头203连接有高斯计204。
进一步地，所述线偏振光产生器包括光源，与光源对应设置的扩束准直透镜102，与扩束准直透镜102对应设置的起偏器103。
进一步地，所述光源为宽谱光源101。
进一步地，所述直流电源202为受控于上位机，大小连续自动可调的直流电源202。
进一步地，所述可变间距电磁铁201的两端极分别包括至少一个铜线圈。
本发明还提供一种基于稀土玻璃费尔德系数光谱测量系统的测量方法，所述测量方法包括：
(1)将待测稀土玻璃104置于可变间距电磁铁201中，通过直流电源202为电磁铁供电，用高斯计204测量磁场强度B；
(2)打开线偏振光产生器，线偏振光经过稀土玻璃后的光偏振方向发生改变，通过光谱仪108可直接得到光谱干涉条纹，对该干涉条纹进行傅里叶变换就可以得到干涉条纹的交流项、直流项以及晶体中两路光之间的光程差，根据
得到该磁场强度下的法拉第转角，通过：
θ＝VBL，
得到待测稀土玻璃104的费尔德常数；
(3)改变直流电源202的电压值大小使稀土玻璃所处磁场大小改变，重复步骤(1)及步骤(2)，通过至少两次测量，求平均值得到费尔德常数测量值。
进一步地，所述步骤(2)中通过光谱仪108可直接得到光谱干涉条纹包括：调整双折射晶体105的快轴或慢轴成与线偏振光产生器的偏振方向重合；检偏器106与双折射晶体105的快轴或慢轴成45度夹角，分束器输出光经第一反射镜及第二反射后合束形成干涉条纹。
本发明提出的稀土玻璃费尔德常数测量原理如下所示：当稀土玻璃放置在磁场中，线偏振光经过稀土玻璃时，出射光的偏振方向相对于入射光的偏振方向会发生一个旋转，该旋转角称为法拉第转角。通过测量该旋转角和稀土玻璃所处磁场的大小和稀土玻璃通光方向上的长度就可以得到稀土玻璃的费尔德常数。这就要求能精确测量法拉第转角。光经过起偏器103后,光场表示为E(ω)。当稀土玻璃在外界磁场作用下使得输出光相对于起偏器103有一定夹角θ。由于测量系统中双折射晶体105的快轴与起偏器103的偏振方向重合，使得待测稀土掺杂磁光玻璃输出的偏振光Eo(ω)入射进双折射晶体105后就分解为偏振方向相互垂直的两路光，可表示为：
Ex＝Eo(ω)cosθ，
Ey＝Eo(ω)sinθ，
两路光分别在晶体的快轴和慢轴上传输，由于晶体两个偏振传输轴的折射率不同，导致两路光经过双折射晶体105后，它们之间有一定的时延差。两路偏振方向相互垂直的光经过检片器45度检偏后，它们的偏振方向将在同一方向上。具有一定光程差的振动方向相同的两路光即使超出了光源的相干长度，在频域上任然有干涉条纹的存在。因此，两路光经过检偏器106后，在频域上便形成了干涉条纹，通过光谱仪108便可直接得到该干涉条纹，光谱仪108接收到的干涉条纹在频域上可表示为：
φ(ω)为双折射晶体105输出的两路光之间的光程差。上式表明光谱干涉条纹由一直流项<Idc(ω)〉和交流项〈Iac(ω)>表示，可表示如下：
上式可转化为如下式：
由上式可得待测稀土玻璃104的法拉第转角θ为：
其中，干涉条纹的交流项<Iac(ω)>，直流项<Idc(ω)>以及两路光之间的相位分布φ(ω)通过对光谱仪108采集到的光谱条纹I(ω)进行傅里叶变换得到。
所以，根据干涉条纹的强度就可以得到法拉第转角的大小，再通过稀土玻璃所处磁场强度的大小B和稀土玻璃通光方向上的长度L并根据公式：
θ＝VBL，
可得到待测稀土玻璃104的费尔德常数V。
本发明的有益效果：
效果一，通过多次测量，提高了测量准确度；
效果二，通过采用偏振光谱干涉的测量系统及测量方法提高了测量灵敏度；
效果三，通过使用电动平移台及上位机等自动化设备提高了测量方便性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1，测量系统示意图。
图2，测量方法流程示意图。
附图中，101-宽谱光源，102-扩束准直透镜，103-起偏器，104-待测稀土玻璃，105-双折射晶体，106-检偏器，107-自聚焦透镜，108-光谱仪，109-电脑，201-可变间距电磁铁，202-直流电源，203-磁场测量探头，204-高斯计。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例提供一种稀土玻璃费尔德系数的光谱测量系统，如图1，所述系统包括线偏振光产生器，位于线偏振光产生器平行位置对应设置的待测稀土玻璃104，位于待测稀土玻璃104平行位置对应设置的双折射晶体105，位于双折射晶体105平行位置对应设置的检偏器106，位于检偏器106对应平行位置对应设置的自聚焦透镜107，与自聚焦透镜107连接的光谱仪108，与光谱仪108连接的上位机；所述待测稀土玻璃104两侧分别设有可变间距电磁铁201的两端极，所述可变间距电磁铁201受控于直流电源202，所述可变间距电磁铁201两端极间还设有磁场强度测量装置；
所述上位机设有存储介质，所述存储介质存储有稀土玻璃费尔德系数计算程序，所述稀土博尔德系数计算程序配置为：对光谱干涉条纹进行傅里叶变换得到法拉第转角，并计算出稀土玻璃的费尔德常数。
本实施中，上位机为电脑109。
本实施的工作流程：通过光谱仪108采集干涉光谱条纹，传送给电脑109，电脑109通过对光谱干涉条纹进行傅里叶变换得到法拉第转角，并进而得到稀土玻璃的费尔德常数。
具体地，所述磁场强度测量装置包括位于可变间距电磁铁201两端极间的磁场测量探头203，所述磁场测量探头203连接有高斯计204。
具体地，所述线偏振光产生器包括光源，与光源对应设置的扩束准直透镜102，与扩束准直透镜102对应设置的起偏器103。
为提高线偏振光的频谱宽度，提高使用环境，优选地，所述光源为宽谱光源101。
为提高测试系统的便捷性，优选地，所述直流电源202为受控于上位机，大小连续自动可调的直流电源202。通过使用自动化的可调直流电源202能够减少测试的复杂性。
具体地，所述可变间距电磁铁201的两端极分别包括至少一个铜线圈。本实施例中铜线圈为2个。
宽谱光源101输出的激光经过扩束准直透镜102后变为平行光输出，该输出光经起偏器103起偏后变为线偏振光，该线偏振光经过待测稀土玻璃104后入射到双折射晶体105中，该双折射晶体105将入射线偏振光分解为偏振方向相互垂直的两路光，两路光经检偏器106后入射到自聚焦透镜107中,该透镜将空间光耦合进光纤，其输出光通过光谱仪108接收，光谱仪108接收到的光谱干涉条纹传送给电脑109进行数据处理并得到最终的测量结果。双折射晶体105的快轴或慢轴必须调节成与起偏器103的偏振方向重合，检偏器106与双折射晶体105的任一偏振轴成45度夹角。稀土玻璃放置在可变间距电磁铁201中，通过改变电磁铁输入电流的大小和磁铁之间的间距来实现施加在稀土玻璃两端的磁场强度的改变。可变间距电磁铁201两端是通过铜线圈组成，当线圈通电时，就会在两个磁极之间产生均匀的磁场。电磁铁的电源通过直流电源202提供，电磁铁之间的磁场强度通过磁场测量探头203测量并通过高斯计204显示磁场强度的大小。根据干涉条纹的强度就可以得到法拉第转角的大小，再通过稀土玻璃所处磁场强度的大小B和稀土玻璃通光方向上的长度L并根据公式：
θ＝VBL，
得到待测稀土玻璃104的费尔德常数V。
本发明还提供一种基于稀土玻璃费尔德系数光谱测量系统的测量方法，如图2，所述测量方法包括：
(1)将待测稀土玻璃104置于可变间距电磁铁201中，通过直流电源202为电磁铁供电，用高斯计204测量磁场强度B；
(2)打开线偏振光产生器，线偏振光经过稀土玻璃后的光偏振方向发生改变，通过光谱仪108可直接得到光谱干涉条纹，对该干涉条纹进行傅里叶变换就可以得到干涉条纹的交流项、直流项以及晶体中两路光之间的光程差，根据
得到该磁场强度下的法拉第转角，通过：
θ＝VBL，
得到待测稀土玻璃104的费尔德常数；
(3)改变直流电源202的电压值大小使稀土玻璃所处磁场大小改变，重复步骤(1)及步骤(2)，通过至少两次测量，求平均值得到费尔德常数测量值。
具体地，所述步骤(2)中通过光谱仪108可直接得到光谱干涉条纹包括：调整双折射晶体105的快轴或慢轴成与线偏振光产生器的偏振方向重合；检偏器106与双折射晶体105的快轴或慢轴成45度夹角，分束器输出光经第一反射镜及第二反射后合束形成干涉条纹。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员能够理解本发明，但是本发明不仅限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员而言，只要各种变化只要在所附的权利要求限定和确定的本发明精神和范围内，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种基于稀土玻璃费尔德系数光谱测量系统的测量方法，其特征在于：所述测量方法包括：
(1)将待测稀土玻璃(104)置于可变间距电磁铁(201)中，通过直流电源(202)为电磁铁供电，用高斯计(204)测量磁场强度B；
(2)打开线偏振光产生器，线偏振光经过稀土玻璃后的光偏振方向发生改变，通过光谱仪(108)可直接得到光谱干涉条纹，对该干涉条纹进行傅里叶变换就可以得到干涉条纹的交流项、直流项以及晶体中两路光之间的光程差，根据
得到该磁场强度下的法拉第转角，通过：
θ＝VBL，
得到待测稀土玻璃(104)的费尔德常数；
(3)改变直流电源(202)的电压值大小使稀土玻璃所处磁场大小改变，重复步骤(1)及步骤(2)，通过至少两次测量，求平均值得到费尔德常数测量值。
2.根据权利要求1所述的基于稀土玻璃费尔德系数光谱测量系统的测量方法，其特征在于：所述步骤(2)中通过光谱仪(108)可直接得到光谱干涉条纹包括：调整双折射晶体(105)的快轴或慢轴成与线偏振光产生器的偏振方向重合；检偏器(106)与双折射晶体(105)的快轴或慢轴成45度夹角，分束器输出光经第一反射镜及第二反射后合束形成干涉条纹。
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