CN112068045A - 一种非线性干涉型磁场传感器 - Google Patents

一种非线性干涉型磁场传感器 Download PDF

Info

Publication number
CN112068045A
CN112068045A CN202010909758.2A CN202010909758A CN112068045A CN 112068045 A CN112068045 A CN 112068045A CN 202010909758 A CN202010909758 A CN 202010909758A CN 112068045 A CN112068045 A CN 112068045A
Authority
CN
China
Prior art keywords
optical fiber
magnetic field
parametric amplifier
light
phase
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202010909758.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112068045B (zh
Inventor
王海龙
倪智豪
付忠星
赵春柳
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
China Jiliang University
Original Assignee
China Jiliang University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by China Jiliang University filed Critical China Jiliang University
Priority to CN202010909758.2A priority Critical patent/CN112068045B/zh
Publication of CN112068045A publication Critical patent/CN112068045A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112068045B publication Critical patent/CN112068045B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/032—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using magneto-optic devices, e.g. Faraday or Cotton-Mouton effect
    • G01R33/0327—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using magneto-optic devices, e.g. Faraday or Cotton-Mouton effect with application of magnetostriction
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
    • Y02A90/30—Assessment of water resources

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measuring Magnetic Variables (AREA)

Abstract

本发明提供了一种基于非线性干涉仪的磁场传感器，包括第一泵浦光、种子光、第一光纤参量放大器、第二光纤参量放大器、磁致伸缩元件、第二泵浦光；第一光纤参量放大器起分束作用，第二光线参量放大器起合束作用，均由两个粗波分复用器和位于中间的一个色散位移光纤构成，泵浦光波长1550nm位于色散位移光纤的反常色散区，满足光纤内四波混频过程发生的相位匹配条件。其中起分束作用的光纤参量放大器的输出端闲频光单模光纤受到磁场作用产生应变导致相位变化，进而改变了起合束作用的光纤参量放大器输出端闲频光的相位不确定度的大小，通过对闲频光相位不确定度的测量即可以实现更高灵敏度的磁场传感。本发明的传感器具有高灵敏度的特点。

Description

一种非线性干涉型磁场传感器
技术领域
本发明提供了一种非线性干涉型磁场传感器，属于光纤传感技术领域。
背景技术
由于线性光纤干涉仪中没有非线性光学器件的参与，所以基于线性光纤干涉仪工作的磁场传感器的磁场测量精度受限于标准量子极限，也就是说磁场的最小测量精度受到了限制，对于磁场的微小变化往往难以感知。为了突破这个限制，本发明将非线性光学器件替代线性光纤干涉仪中的线性分束器，仅通过输入相干态就可实现测量灵敏度的大幅度提高。
构成非线性干涉仪的分束合束器件利用的是光纤内的四波混频效应，它是由三阶非线性光学效应引起的参量放大过程。它可以描述如下：如果两个带有不同频率分量的光束在光纤中同向传播，假设这两个光束的频率分别为v1和v2，那么在相位匹配的情况下就会产生两个新的频率分量v3、v4，且它们之间满足能量守恒关系:v3+v4＝v1+v2。因此这两个新的频率分量的光束之间存在量子关联，便可以用来实现高灵敏度的磁场传感。本发明具体原理为：在待测磁场作用下，涂覆在光纤上的被覆材料会产生磁致伸缩现象，相应的，光纤的应变引起传输光束的相位变化，通过对输出光相位不确定度的测量，根据相位不确定度与磁场强度的依赖关系从而实现对磁场的高灵敏度传感。
发明内容
本发明的目的在于解决现有线性干涉仪测量灵敏度受限于散粒噪声的局限，提供了一种可突破此局限的非线性干涉型磁场传感器的方案。
一种非线性干涉型磁场传感器，包括第一泵浦光、种子光、第一光纤参量放大器、第二光纤参量放大器、磁致伸缩元件、第二泵浦光；其连接方式为：由第一泵浦光和种子光一起注入到第一个光纤参量放大器中，第一光纤参量放大器起分束作用，其输出端的闲频光接入磁致伸缩元件后和第一光纤参量放大器输出的信号光以及第二泵浦光一起注入到第二光纤参量放大器中，第二光纤参量放大器起合束作用，其输出端的信号光和闲频光均通过光电探测器连接到示波器中，通过示波器检测出相位不确定度从而实现对磁场强度变化的测量。
上述技术方案中，所述的第一、第二光纤参量放大器均由两个粗波分复用器和位于中间的一个色散位移光纤构成；所述的第一、第二泵浦光的波长为1550nm；满足光纤内四波混频的相位匹配条件。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
1.相比线性干涉型磁场传感器而言，非线性干涉型磁场传感器的最小可分辨磁场强度提升了3.4dB。
2.与线性干涉型磁场传感器相比，非线性干涉型磁场传感器的相位不确定度与待测磁场强度的依赖关系具有更高的变化率，也就可以实现更高灵敏度的磁场强度检测。
附图说明
图1是基于非线性干涉效应的磁场传感器的结构示意图。
图2是非线性干涉型磁场强度传感器的原理示意图。其中：OPA：光纤参量放大器，ME：磁致伸缩元件。
图3是线性干涉型磁场传感器原理示意图。其中：BS：50:50分束器，ME：磁致伸缩元件。
图4是当G＝3，Ns＝2500时，非线性干涉仪输出端闲频光(实线)和线性干涉仪输出端L11(虚线)相位不确定度对相位的依赖关系。
图5是当G＝3时，非线性干涉仪输出端闲频光(实线)和线性干涉仪输出端L11(虚线)相位不确定度对干涉仪内部总粒子数的依赖关系。
图6是当G＝3，Ns＝2500时，非线性干涉仪输出端闲频光(实线)和线性干涉仪输出端L11(虚线)最小可分辨磁场强度对相位的依赖关系。
图7是当G＝3时，非线性干涉仪输出端闲频光(实线)和线性干涉仪输出端L11(虚线)最小可分辨磁场强度对干涉仪内部总粒子数的依赖关系。
图8是当G＝3，Ns＝2500时，非线性干涉仪输出端闲频光(实线)和线性干涉仪输出端L11(虚线)相位不确定度对待测磁场强度的依赖关系。
具体实施方式
下面结合具体实例和附图对本发明作进一步描述：
如图1所示，是本发明基于非线性干涉效应的磁场传感器的一种具体装置示意图，以下仅以该例对本发明的原理做阐述和说明，但该例并非是对本发明范围的限定。在该例中，具体装置包括：泵浦光一1；种子光2；粗波分复用器3、5、8、10；色散位移光纤4、9；磁致伸缩元件6；泵浦光二7；光电探测器11、12；示波器13。其中，粗波分复用器3、色散位移光纤4、粗波分复用器5构成了参量放大器FOPA1；粗波分复用器8、色散位移光纤9、粗波分复用器10构成了参量放大器FOPA2。其连接方式为：由泵浦光一1和种子光2注入到FOPA1中，FOPA1产生的闲频光通过磁致伸缩元件6后和FOPA1产生的信号光以及泵浦光二7注入FOPA2，FOPA2的输出信号光和闲频光均通过光电探测器11、12连接到示波器13中进行相位不确定度的测量。
原理分析：
本发明的总体结构原理显示在图2中。我们将种子光
Figure BDA0002662816320000031
和泵浦光p1注入到FOPA1中，经四波混频过程后产生关联光束(信号光
Figure BDA0002662816320000032
闲频光
Figure BDA0002662816320000033
)，可分别描述为
Figure BDA0002662816320000034
其中，G1为FOPA1的增益，并且有G1-g1＝1。FOPA1产生的闲频光通过磁致伸缩敏感单元后再和FOPA1产生的信号光注入到FOPA2中，得到两束待测相敏光场(信号光
Figure BDA0002662816320000035
闲频光
Figure BDA0002662816320000036
)，可分别描述为
Figure BDA0002662816320000037
其中，G2为FOPA2的增益，φ为干涉仪系统中的相位。
为了便于接下来的讨论，我们令G1＝G2＝G，则由(1-1)和(1-2)式可得FOPA2产生的信号光和闲频光的粒子数分别为
Figure BDA0002662816320000038
Figure BDA0002662816320000039
其中，G-g＝1，
Figure BDA00026628163200000310
为注入种子光的粒子数。
相位不确定度可由如下的误差传递公式给出
Figure BDA00026628163200000311
其中，
Figure BDA00026628163200000312
为输出光场的强度噪声，
Figure BDA00026628163200000313
为输出光场的强度对相位的偏导。由(1-3)、(1-4)和(1-5)可得FOPA2产生的信号光、闲频光以及信号光和闲频光粒子数之和的相位不确定度分别为
Figure BDA0002662816320000041
Figure BDA0002662816320000042
Figure BDA0002662816320000043
其中，
Figure BDA0002662816320000044
是非线性干涉仪内部的总光子数。
通过对(1-6)、(1-7)和(1-8)式分析可知在相同条件下，
Figure BDA0002662816320000045
的值最小即FOPA2产生的闲频光的相位不确定度最小。同时也为了体现出非线性干涉型磁场传感器比线性干涉型磁场传感器具有更好的相位不确定度，将线性干涉型磁场传感器(BS+BS)的结构显示在图3中。图3可详细描述如下：注入光
Figure BDA0002662816320000046
通过两个50:50分束器和磁致伸缩敏感单元后的输出光
Figure BDA0002662816320000047
可分别描述为
Figure BDA0002662816320000048
故输出光粒子数可分别描述为
Figure BDA0002662816320000049
其中，
Figure BDA00026628163200000410
为注入种子光粒子数。由(1-5)和(1-10)可得输出端L11、L22以及L11和L22粒子数之差的相位不确定度分别为
Figure BDA0002662816320000051
Figure BDA0002662816320000052
Figure BDA0002662816320000053
其中，
Figure BDA0002662816320000054
是线性干涉仪内部的总光子数。易得
Figure BDA0002662816320000055
在上面分析的基础上，这里主要比较非线性干涉仪输出端闲频光和线性干涉仪输出端L11的相位不确定度的大小。当设定Ns＝2500，G＝3时，将非线性干涉仪输出端闲频光和线性干涉仪输出端L11的相位不确定度对相位的依赖关系画在图4中。由图4可知相位在π处时，FOPA2输出端闲频光的相位不确定度比线性干涉仪输出端L11的相位不确定度更好，且其相位不确定度在φ＝π处取得最小值。此外，我们知道线性干涉仪的最佳相位不确定度与标准量子极限是相等的，所以从这个角度可以说FOPA2输出端闲频光的相位不确定度突破了标准量子极限的限制。
又为了显示出干涉仪内部总光子数对相位不确定的影响，我们将相位锁定在π处，将FOPA2输出端闲频光和线性干涉仪输出端L11的相位不确定度对干涉仪内部总光子数的关系画在图5中。从图5可知FOPA2输出端闲频光的相位不确定度始终优于线性干涉仪输出端L11相位不确定度3.4dB，且FOPA2输出端闲频光的相位不确定度随非线性干涉仪内部总粒子数的增加而提高，可以通过增加干涉仪内部总粒子数的数目来实现一个最小可分辨的磁场强度。
为了阐述相位不确定度和磁场强度之间的传感关系，磁致伸缩原件的基本工作原理解释如下。在磁场传感器中，相位不确定度的变化是由于在待测磁场的作用下，被覆材料产生磁致伸缩造成光纤应变引起相位的改变导致的。具体原理如下：假定加在光纤被覆材料上的磁场强度为H，H包含两个部分：一部分是提供偏置的直流恒定磁场H0，另一部分是在H0附近变化的待测磁场ΔH，故H＝H0+ΔH，而通常H0＞＞ΔH。则由H所引起的光纤的纵向应变S可表示为
Figure BDA0002662816320000056
其中，Δl为被覆材料的长度变化量，l为被覆材料的长度，K为与被覆材料有关的常数。在被覆材料为各向同性介质且忽略模间色散的影响下，长度为L的光纤中相位变化Δφ由下列公式给出
Figure BDA0002662816320000061
其中，k为波数，n为光纤折射率，λ为光纤中的传输波长，p11，p12为光纤弹光张量元素。由(1-14)和(1-15)可知H0导致的相位变化为
Figure BDA0002662816320000062
待测磁场ΔH导致的相位变化为
Figure BDA0002662816320000063
故系统中总的相位可表示为φ＝φ0+ΔφH0+ΔφΔH(φ0+ΔφH0为干涉仪系统中可锁定的相位)。我们可由(1-5)、(1-17)定义最小可分辨磁场强度为
Figure BDA0002662816320000064
为了方便比较FOPA2输出端闲频光和线性干涉仪输出端L11的最小可分辨磁场强度的大小，我们设定了如下参数，对于被覆材料镍而言，
Figure BDA0002662816320000065
对于熔融石英光纤来说，p11＝0.12，p12＝0.27，n＝1.46；对于闲频光波长1534nm来说，设定Ns＝2500，H0＝3×10-4T。将FOPA2输出端闲频光和线性干涉仪输出端L11的最小可分辨磁场强度随相位的依赖关系画在图6中。由图6可知在π附近FOPA2输出端闲频光的最小可探测磁场强度始终优于线性干涉仪输出端L11的最小可探测磁场强度，且在φ＝π处取得最小值。
为了显示出干涉仪内部总光子数对最小可分辨磁场强度的影响，我们将相位锁定在π处，将FOPA2输出端闲频光和线性干涉仪输出端L11的最小可分辨磁场强度关于干涉仪内部总光子数的关系画在图7中。从图7可知FOPA2输出端闲频光的最小可探测磁场强度始终优于线性干涉仪输出端L113.4 dB。我们可以通过增加非线性干涉仪内部总光子数的方法来降低FOPA2输出端闲频光的最小可探测磁场强度。为了进一步凸显非线性干涉型磁场传感器的优势，我们将相位锁定在π处，FOPA2输出端闲频光和线性干涉仪输出端L11的相位不确定度随待测磁场强度的变化关系画在图8中。由图8可知FOPA2输出端闲频光相位不确定度较线性干涉仪输出端L11随待测磁场强度的变化率更高，且在低于9×10-7T时具有更好的最小可探测磁场强度。因此利用FOPA2输出端闲频光可实现更高灵敏度的磁场传感。
以上所述的例子，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应被理解的是，以上所述仅为本发明的具体案例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种非线性干涉型磁场传感器，其特征在于，包括第一泵浦光、种子光、第一光纤参量放大器、第二光纤参量放大器、磁致伸缩元件、第二泵浦光；其连接方式为：由第一泵浦光和种子光一起注入到第一个光纤参量放大器中，第一光纤参量放大器起分束作用，其输出端的闲频光接入磁致伸缩元件后和第一光纤参量放大器输出的信号光以及第二泵浦光一起注入到第二光纤参量放大器中，第二光纤参量放大器起合束作用，其输出端的信号光和闲频光均通过光电探测器连接到示波器中，通过示波器检测出相位不确定度，根据相位不确定度与磁场强度的依赖关系从而实现对磁场强度变化的测量。
2.根据权利要求1所述的非线性干涉型磁场传感器，其特征在于，所述的第一、第二光纤参量放大器均由两个粗波分复用器和位于中间的一个色散位移光纤构成；所述的第一、第二泵浦光的波长为1550nm；满足光纤内四波混频的相位匹配条件。
3.根据权利要求1所述的非线性干涉型磁场传感器，其特征在于，所述的磁致伸缩元件为磁场会影响光纤内传输光束相位的材料。
4.根据权利要求1所述的非线性干涉型磁场传感器，其特征在于，所述的磁致伸缩元件可以采用镍材料。
CN202010909758.2A 2020-09-02 2020-09-02 一种非线性干涉型磁场传感器 Active CN112068045B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010909758.2A CN112068045B (zh) 2020-09-02 2020-09-02 一种非线性干涉型磁场传感器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010909758.2A CN112068045B (zh) 2020-09-02 2020-09-02 一种非线性干涉型磁场传感器

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112068045A true CN112068045A (zh) 2020-12-11
CN112068045B CN112068045B (zh) 2023-07-14

Family

ID=73666289

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010909758.2A Active CN112068045B (zh) 2020-09-02 2020-09-02 一种非线性干涉型磁场传感器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112068045B (zh)

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2123546A (en) * 1982-07-06 1984-02-01 Standard Telephones Cables Ltd Interferometric sensor
JPH0450680A (ja) * 1990-06-13 1992-02-19 Fujikura Ltd 光ファイバ磁界センサ
JP2004286629A (ja) * 2003-03-24 2004-10-14 National Institute Of Information & Communication Technology 量子干渉計測システム
WO2010083526A2 (en) * 2009-01-19 2010-07-22 University Of Florida Research Foundation, Inc. Portable touchless vital sign acquisition device
CN202929182U (zh) * 2012-11-20 2013-05-08 林志娟 一种磁传感器结构
CN106199464A (zh) * 2015-05-05 2016-12-07 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 双级超导量子干涉器磁通-电压转换装置、方法及其应用
CN107276668A (zh) * 2017-06-12 2017-10-20 北京邮电大学 一种偏振模色散监测方法、装置、电子设备及存储介质
CN108469536A (zh) * 2018-03-20 2018-08-31 中北大学 基于金刚石nv色心的三轴加速度传感器
WO2019120588A1 (en) * 2017-12-22 2019-06-27 Abb Schweiz Ag Polarization optical detection with enhanced accuracy in the high-signal regime
CN111442741A (zh) * 2020-05-21 2020-07-24 中国计量大学 非线性干涉型的弯曲度传感器

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2123546A (en) * 1982-07-06 1984-02-01 Standard Telephones Cables Ltd Interferometric sensor
JPH0450680A (ja) * 1990-06-13 1992-02-19 Fujikura Ltd 光ファイバ磁界センサ
JP2004286629A (ja) * 2003-03-24 2004-10-14 National Institute Of Information & Communication Technology 量子干渉計測システム
WO2010083526A2 (en) * 2009-01-19 2010-07-22 University Of Florida Research Foundation, Inc. Portable touchless vital sign acquisition device
CN202929182U (zh) * 2012-11-20 2013-05-08 林志娟 一种磁传感器结构
CN106199464A (zh) * 2015-05-05 2016-12-07 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 双级超导量子干涉器磁通-电压转换装置、方法及其应用
CN107276668A (zh) * 2017-06-12 2017-10-20 北京邮电大学 一种偏振模色散监测方法、装置、电子设备及存储介质
WO2019120588A1 (en) * 2017-12-22 2019-06-27 Abb Schweiz Ag Polarization optical detection with enhanced accuracy in the high-signal regime
CN108469536A (zh) * 2018-03-20 2018-08-31 中北大学 基于金刚石nv色心的三轴加速度传感器
CN111442741A (zh) * 2020-05-21 2020-07-24 中国计量大学 非线性干涉型的弯曲度传感器

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
N. OTTERSTROM,R. C. POOSER AND B. J. LAWRIE: "Nonlinear optical magnetometry with accessible in situ optical squeezing", 《OPTICS LETTERS》, vol. 39, no. 22, XP001592589, DOI: 10.1364/OL.39.006533 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN112068045B (zh) 2023-07-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106949850B (zh) 一种高灵敏度高精度的光纤形状传感测量方法及系统
CN104677396A (zh) 动态分布式布里渊光纤传感装置及方法
Cui et al. Distributed temperature sensing system based on Rayleigh scattering BOTDA
CN111596237B (zh) 原子磁力计及其碱金属原子气室压强的原位检测方法
CN114088124B (zh) 一种基于双边带调制的布里渊光时域反射仪
CN110967107B (zh) 一种干涉式光纤布拉格光栅声发射信号传感系统
CN111442741A (zh) 非线性干涉型的弯曲度传感器
Zhu et al. Membrane-free acoustic sensing based on an optical fiber Mach–Zehnder interferometer
US4600885A (en) Fiber optic magnetometer for detecting DC magnetic fields
Zhang et al. Advances in Brillouin dynamic grating in optical fibers and its applications
Liu et al. Ultra-low noise phase measurement of fiber optic sensors via weak value amplification
CN107976300B (zh) 一种保偏光纤拍长的测量方法
CN111964873B (zh) 一种用于保偏光纤的高精度分布式消光比测量方法
Wang et al. Single-few-single mode fiber structure for simultaneous measurement for curvature and temperature assisted by intensity-correlated pulse twin beams
CN112068045A (zh) 一种非线性干涉型磁场传感器
CN111141414B (zh) 基于混沌bocda的温度与应变同时测量装置及方法
CN116481670A (zh) 基于微波光子干涉光纤环路和构造虚拟反射面的蓝宝石光纤法珀温度传感系统及解调方法
CN107806981B (zh) 一种保偏光纤拍长的测量装置
CN209978820U (zh) 一种基于量子增强的微悬臂梁光纤光栅微位移传感器
CN113091783B (zh) 基于二级布里渊散射的高灵敏传感装置及方法
CN212512920U (zh) 一种非线性干涉型的弯曲度传感器
Li et al. Breakthrough the physical barrier on spatial resolution in Raman distributed fiber sensing using chaotic correlation demodulation
Hayashi et al. Characterization of cascaded forward Brillouin scattering seeded by backward stimulated Brillouin scattering in optical fibers
CN101398379A (zh) 一种高灵敏度表面等离子共振的测量方法及其测量系统
CN211576347U (zh) 一种干涉式光纤布拉格光栅声发射信号传感系统

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant