CN112415443B - 力学模式共振频带增强低频带磁场探测性能的系统 - Google Patents

力学模式共振频带增强低频带磁场探测性能的系统 Download PDF

Info

Publication number
CN112415443B
CN112415443B CN202011096145.8A CN202011096145A CN112415443B CN 112415443 B CN112415443 B CN 112415443B CN 202011096145 A CN202011096145 A CN 202011096145A CN 112415443 B CN112415443 B CN 112415443B
Authority
CN
China
Prior art keywords
frequency band
magnetic field
low
resonant cavity
mechanical mode
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.)
Active
Application number
CN202011096145.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112415443A (zh
Inventor
于长秋
马世昌
陈志远
杨博楚
周铁军
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.)
Hangzhou Dianzi University
Original Assignee
Hangzhou Dianzi 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 Hangzhou Dianzi University filed Critical Hangzhou Dianzi University
Priority to CN202011096145.8A priority Critical patent/CN112415443B/zh
Publication of CN112415443A publication Critical patent/CN112415443A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112415443B publication Critical patent/CN112415443B/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

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

本发明提出了一种力学模式共振频带增强低频带磁场探测性能的系统，本发明通过腔结构设计和通过压电材料产生应力的调控方式对其力学模式的位置和品质因数调控，令谐振腔形成力学模式共振频带；并令低频带磁场信号与高频信号通过磁致伸缩材料的非线性特性耦合后的信号频率要处于腔的共振频带内，使得谐振腔的谐振效果增强，进而降低实际应用中在特定低频带内由于频率变化所引起的灵敏度起伏较大的情况，提升了该类传感器的传感性能本发明具有体积小、低成本、高灵敏度等优点。

Description

力学模式共振频带增强低频带磁场探测性能的系统
技术领域
本发明涉及的是一种力学模式共振频带增强低频带磁场探测性能的系统，具体涉及的是由磁致伸缩材料和中空玻璃管制作的回音壁模式(Whispering Gallery Mode,WGM)光学谐振腔构建的外驱动式磁场传感结构，属于光学领域。
背景技术
磁场传感器在当今信息社会中已成为信息技术和信息产业必不可少的基础元件，并且已经在科研，生产和社会生活各个方面都有广泛应用。其中在数字经济，交通运输，生命健康，办公自动化、国防等领域更是发挥重要作用。目前在脑磁，心磁探测的医疗领域和涉及高精度磁场探测的国防领域对低探测频率、高灵敏度的磁场传感器有着强烈的需求。已有的光力谐振腔磁场传感系统属于谐振式传感系统，在力学模式对应的谐振频率处灵敏度最高，但当频率略有偏差时则灵敏度起伏很大。在实际应用中，待测的信号往往都是占据特定的高频带或低频带，与谐振腔的最佳工作频率存在偏差，所以想要对特定频带的磁场信号进行高精度的探测，现有的磁场传感系统技术仍然无法满足需求，在不同频率位置探测性能差别较大，探测效果不尽理想。此外，尺寸在微米量级的谐振腔其共振频率一般位于兆赫兹范围，基于微米腔的光力磁场传感器在低频带范围内磁致伸缩的响应也比较弱。因此，我们提出一种力学模式共振频带增强低频带磁场探测性能的系统，该系统通过腔结构设计和模式调控实现力学模式共振频带，结合信号调制技术，能够获得共振频带增强低频带磁场信号探测性能的效果，进而降低实际应用中在特定低频带内由于频率变化所引起的灵敏度起伏较大的情况，提升了该类传感器的传感性能，未来可能在生物医疗、国防、数字经济等应用领域发挥重要作用。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出了力学模式共振频带增强低频带磁场探测性能的系统，获得了在特定低频带内的探测灵敏度起伏较小的高精度磁场探测系统。
本发明一种力学模式共振频带增强低频带磁场探测性能的系统，光纤激光器输出的光通过光隔离器、光衰减器、偏振控制器，经光纤锥耦合进谐振腔内，腔内光场经光纤锥耦合输出后到达光电探测器，光电探测器输出的电信号通过偏置三通将交直流分量分离，直流分量送到示波器，交流分量经过滤波器滤波后送入谱仪、伺服控制器和网络分析仪中，伺服控制器输出的两路信号分别送入示波器和光纤激光器，网络分析仪输出的交流分量与第一信号发生器产生的高频信号经混频器混频得到低频带磁场信号送入第一线圈，第二信号发生器输出的高频信号送入第二线圈，二者经磁致伸缩材料的非线性特性耦合，耦合产生的测量信号频率范围要位于谐振腔共振频带内；所述的谐振腔两端分别粘贴了磁致伸缩介质和压电材料，通过压电材料产生应力的调控方式对其力学模式的位置和品质因数调控，令谐振腔形成力学模式共振频带；所述的低频带磁场信号与高频信号通过磁致伸缩材料的非线性特性耦合后的信号频率要处于腔的共振频带内，谐振腔对低频带磁场的探测能力增强；
利用热锁模的方法将光纤激光器输出的中心频率锁定在谐振腔透射谱1/2处，而外加磁场信号引发的磁致伸缩介质伸缩会导致谐振腔腔长的变化，最终体现在透射光强的变化。这种变化通过谱仪和网络分析仪进行探测，再通过软件进行数据处理获得外界磁场信息。此外，磁畴结构使磁致伸缩材料具有高度非线性特性，低频带磁场引起的磁畴变化会改变对施加的高频磁场响应，通过将低频带磁场信号和高频信号经过磁致伸缩材料的非线性特性耦合，当耦合产生的测量信号频率处于谐振腔的共振频带内，则谐振腔的谐振效果会增强，在谱仪中就可以观测到较强响应的交流磁场信号，再通过谱仪和网络分析仪可以解调出低频带磁场信号，从而实现了利用共振频带来增强低频带磁场的探测性能。
作为优选，该系统选用外驱动式WGM光学谐振腔磁场传感结构，去除了腔尺寸对磁致伸缩材料尺寸的限制，可以在谐振频率处获得更高灵敏度。
作为优选，所述的谐振腔形成力学模式共振频带的模式为通过调控谐振腔结构参数降低力学模式的频率间隔。所述的谐振腔形成力学模式共振频带的模式可通过引入温度和固定损耗调控力学模式的线宽；以达到在实际应用中特定频带内由频带变化所引起的灵敏度起伏较小的目的。
所述的光纤锥与WGM光学谐振腔始终处于耦合状态。
所述的激光器输出中心频率锁定是通过热锁模方法实现。
所述的光纤锥的锥区部分的截面直径小于输入光波长。
所述的谐振腔材料为二氧化硅空心管或气泡腔；谐振腔能够让光在腔内传输，并且有倏逝波存在于腔的外表面。
所述的偏振控制器的偏振状态要保证光学模式的光学品质因数最高。
本发明相对于现有技术具有效果：
力学模式共振频带增强低频带磁场探测性能的系统具有较高的灵敏度，能够利用腔的共振频带，借助高频信号调制实现了低频带磁场信号探测性能的提升。该系统体积小，易集成。
本发明的谐振腔为外驱动式WGM光学谐振腔，去除了腔尺寸对磁致伸缩材料尺寸的限制。
本发明通过压电材料产生应力的调控方式对其力学模式的位置和品质因数调控，令谐振腔形成力学模式共振频带，此方式具有很强的可控性，容易实现共振频带。
本发明通过将低频带磁场信号和高频信号经过磁致伸缩材料的非线性特性耦合，耦合后产生的信号频率位于共振频带内，可以实现低频带磁场信号探测性能的增强，而目前已有的技术，只能实现某个低频率磁场信号探测性能的增强。
附图说明
图1为所发明的力学模式共振频带增强低频带磁场探测性能的系统示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步阐明本发明的实质性特点和显著进步，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施方式：
如图1所示，本实施方式所述的一种力学模式共振频带增强低频带磁场探测性能的系统，它包括线圈0、线圈1、光纤激光器2、光隔离器3、光衰减器4、偏振控制器5、光纤锥6、谐振腔7、光电探测器8、偏置三通9、第一分束器10、滤波器11、第二分束器12、谱仪13、示波器14、伺服控制器15、网络分析仪16、混频器17、第一信号发生器18、第二信号发生器19。
所述的光纤激光器2输出的光依次通过光隔离器3、光衰减器4、偏振控制器5后，经光纤锥6将光耦合进出谐振腔7内，腔内光场经光纤锥6耦合输出后到达光电探测器8的接收端，而后送入偏置三通9将直流信号与交流信号进行分离，偏置三通9的输出端分别接第一分束器10和示波器14的输入端，其中分离的直流分量送入示波器14，交流分量经第一分束器10，一部分信号传送到滤波器11，一部分传送到网络分析仪16；交流分量经过滤波器11滤波后送入第二分束器12，一部分信号传送到谱仪13，一部分信号传送到伺服控制器15，伺服控制器15的两路输出信号一路送到示波器14，一路送入光纤激光器2；网络分析仪16输出的交流分量(频带在(fn+f1)～(fn+f2)之间的交流信号)，与第一信号发生器18输出的高频信号(频率为fn)接入混频器17，经混频器17混频后得到低频带信号(f1～f2)送入第一线圈1，第二信号发生器19输出的高频信号(频率为f3)送入第二线圈0，二者通过磁致伸缩材料的非线性特性耦合，耦合后的信号频率处于谐振腔的共振频带内，经系统感知探测，送入网络分析仪的输入端口和谱仪的输入端口，进而解调出低频磁场信息。
传感系统中光纤激光器2、光隔离器3、光衰减器4、偏振控制器5、光电探测器8之间均采用光纤连接；光电探测器8、偏置三通9、示波器14、滤波器11、网络分析仪16、混频器17、第一信号发生器18、第二信号发生器19、伺服控制器15之间均用电学线缆连接。示波器14显示伺服控制器15输出的锁频信号和透射谱。谱仪13用来记录噪声谱和信号，在低频带磁场信号借助高频信号调制到腔的共振频带内后，可以观测到谱仪中出现较强响应的交流信号，因此可以利用共振频带来增强低频带磁场探测性能。

Claims (9)

1.力学模式共振频带增强低频带磁场探测性能的系统，其特性在于：光纤激光器(2)输出的光通过光隔离器(3)、光衰减器(4)、偏振控制器(5)，经光纤锥(6)耦合进谐振腔(7)内，腔内光场经光纤锥(6)耦合输出后到达光电探测器(8)，光电探测器(8)输出的电信号通过偏置三通(9)将交直流分量分离，直流分量送到示波器(14)，交流分量经过滤波器(11)滤波后送入谱仪(13)、伺服控制器(15)和网络分析仪(16)中，伺服控制器(15)输出的两路信号分别送入示波器(14)和光纤激光器(2)，网络分析仪(16)输出的交流分量与第一信号发生器(18)产生的高频信号经混频器(17)混频得到低频带磁场信号送入第一线圈(1)，第二信号发生器(19)输出的高频信号送入第二线圈(0)，二者经磁致伸缩材料的非线性特性耦合，耦合产生的测量信号频率范围要位于谐振腔共振频带内；所述的谐振腔两端分别粘贴了磁致伸缩材料和压电材料，通过压电材料产生应力的调控方式对其力学模式的位置和品质因数调控，令谐振腔形成力学模式共振频带；所述的低频带磁场信号与高频信号通过磁致伸缩材料的非线性特性耦合后的信号频率要处于腔的共振频带内，谐振腔对低频带磁场的探测能力增强。
2.根据权利要求1所述的力学模式共振频带增强低频带磁场探测性能的系统，其特性在于：所述的谐振腔为外驱动式WGM光学谐振腔；谐振腔结构具备共振频带，共振频带的中心频率在MHz量级或kHz量级，频带宽度为100Hz到100kHz之间。
3.根据权利要求1所述的力学模式共振频带增强低频带磁场探测性能的系统，其特性在于：所述的谐振腔形成力学模式共振频带的模式为通过调控谐振腔结构参数降低力学模式的频率间隔。
4.根据权利要求1所述的力学模式共振频带增强低频带磁场探测性能的系统，其特性在于：所述的谐振腔形成力学模式共振频带的模式可通过引入温度和固定损耗调控力学模式的线宽。
5.根据权利要求1所述的力学模式共振频带增强低频带磁场探测性能的系统，其特性在于：所述的光纤锥的锥区部分的截面直径小于输入光波长，且与谐振腔始终处于耦合状态。
6.根据权利要求1所述的力学模式共振频带增强低频带磁场探测性能的系统，其特性在于：所述的激光器输出中心频率锁定是通过热锁模方法实现。
7.根据权利要求1所述的力学模式共振频带增强低频带磁场探测性能的系统，其特性在于：所述的谐振腔材料为二氧化硅，结构为空心管或气泡腔，且有倏逝波存在于腔的外表面。
8.根据权利要求1所述的力学模式共振频带增强低频带磁场探测性能的系统，其特性在于：所述的偏振控制器的偏振状态要保证光学模式的光学品质因数最高。
9.根据权利要求1所述的力学模式共振频带增强低频带磁场探测性能的系统，其特性在于：利用热锁模的方法将光纤激光器(2)输出的中心频率锁定在谐振腔透射谱1/2处，而外加磁场信号引发的磁致伸缩材料伸缩会导致谐振腔腔长的变化，最终体现在透射光强的变化；这种变化通过谱仪(13)和网络分析仪(16)进行探测，再通过数据处理获得外界磁场信息；此外，磁畴结构使磁致伸缩材料具有高度非线性特性，低频带磁场引起的磁畴变化会改变对施加的高频磁场响应，通过将低频带磁场信号和高频信号经过磁致伸缩材料的非线性特性耦合，当耦合产生的测量信号频率处于谐振腔(7)的共振频带内，则谐振腔(7)的谐振效果会增强，在谱仪(13)中就可以观测到较强响应的交流磁场信号，再通过谱仪(13)和网络分析仪(16)解调出低频带磁场信号，从而实现了利用共振频带来增强低频带磁场的探测性能。
CN202011096145.8A 2020-10-14 2020-10-14 力学模式共振频带增强低频带磁场探测性能的系统 Active CN112415443B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011096145.8A CN112415443B (zh) 2020-10-14 2020-10-14 力学模式共振频带增强低频带磁场探测性能的系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011096145.8A CN112415443B (zh) 2020-10-14 2020-10-14 力学模式共振频带增强低频带磁场探测性能的系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112415443A CN112415443A (zh) 2021-02-26
CN112415443B true CN112415443B (zh) 2022-10-18

Family

ID=74855254

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011096145.8A Active CN112415443B (zh) 2020-10-14 2020-10-14 力学模式共振频带增强低频带磁场探测性能的系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112415443B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113655414B (zh) * 2021-08-30 2024-05-07 杭州电子科技大学 用压电陶瓷产生共振频带的光学磁场传感系统

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012142654A1 (en) * 2011-04-18 2012-10-26 The University Of Queensland Magnetometer
WO2015039171A1 (en) * 2013-09-20 2015-03-26 The University Of Queensland Magnetometer and method of fabrication
CN107015173A (zh) * 2017-05-25 2017-08-04 杭州电子科技大学 一种增强型回音壁模式光学谐振腔磁场传感系统
CN107238745A (zh) * 2017-05-25 2017-10-10 杭州电子科技大学 高灵敏度柱状回音壁模式光学谐振腔的交变电流传感系统
CN110471008A (zh) * 2019-08-08 2019-11-19 天津大学 基于偏心空心微球腔的矢量光纤磁场传感器及其制作方法
CN111273204A (zh) * 2020-02-25 2020-06-12 杭州电子科技大学 宽温区ac场增强dc场传感精度的谐振腔磁场传感系统
CN111580024A (zh) * 2020-04-30 2020-08-25 杭州电子科技大学 一种高灵敏度区具有宽频带的光学谐振式磁场传感器

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012142654A1 (en) * 2011-04-18 2012-10-26 The University Of Queensland Magnetometer
WO2015039171A1 (en) * 2013-09-20 2015-03-26 The University Of Queensland Magnetometer and method of fabrication
CN107015173A (zh) * 2017-05-25 2017-08-04 杭州电子科技大学 一种增强型回音壁模式光学谐振腔磁场传感系统
CN107238745A (zh) * 2017-05-25 2017-10-10 杭州电子科技大学 高灵敏度柱状回音壁模式光学谐振腔的交变电流传感系统
CN110471008A (zh) * 2019-08-08 2019-11-19 天津大学 基于偏心空心微球腔的矢量光纤磁场传感器及其制作方法
CN111273204A (zh) * 2020-02-25 2020-06-12 杭州电子科技大学 宽温区ac场增强dc场传感精度的谐振腔磁场传感系统
CN111580024A (zh) * 2020-04-30 2020-08-25 杭州电子科技大学 一种高灵敏度区具有宽频带的光学谐振式磁场传感器

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Ultrabroadband and sensitive cavity optomechanical magnetometry;Bei-Bei Li等;《Photonics Research》;20200603;全文 *
光学环形谐振腔温度和磁场传感特性研究;于长秋;《中国博士学位论文全文数据库信息科技辑》;20170215;全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN112415443A (zh) 2021-02-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CA1217961A (en) Stabilized fiber optic sensor
US4758087A (en) Fiber optic transducer
CN113176526B (zh) 基于三重谐振的光学谐振腔交变磁场传感系统及使用方法
CN111273204B (zh) 宽温区ac场增强dc场传感精度的谐振腔磁场传感系统
CN104713539B (zh) 一种激光陀螺腔长控制系统及控制方法
CN109638630B (zh) 一种片上集成的光学微腔表面波光力振荡装置
CN1894872A (zh) 全光信号处理方法和设备
CN111811497B (zh) 基于宇称-时间对称的超灵敏角速度传感器及测量方法
CN110412486B (zh) 最佳灵敏度频率位置可调谐的光学空心管腔磁场传感系统
CN107104353A (zh) 一种基于微环谐振腔的自锁定双光频梳产生系统及方法
CN114018171B (zh) 一种基于差分式光纤谐振腔的高分辨率应变传感器
CN102692314A (zh) 基于光纤谐振腔测试激光器频率噪声功率谱密度的装置及方法
CN112415443B (zh) 力学模式共振频带增强低频带磁场探测性能的系统
CN111198344A (zh) 基于光纤和微米金刚石的扫描磁探头、磁测量系统及其磁成像装置
CN108957366B (zh) 基于微气泡腔机械模式可调谐特性的直流磁场传感系统
WO2023274351A1 (en) Pump-probe photothermal spectroscopy having passive phase detection and an optical waveguide
CN115792750B (zh) 基于片上集成谐振腔的磁传感装置及测量方法
CN113655414B (zh) 用压电陶瓷产生共振频带的光学磁场传感系统
Yamazaki et al. Radio-frequency-to-optical conversion using acoustic and optical whispering-gallery modes
Tian et al. Microwave photonic sensor based on optical sideband processing with linear frequency-modulated pulse
CN206908087U (zh) 一种基于微环谐振腔的自锁定双光频梳产生系统
CN104701723A (zh) 一种基于布里渊散射光电振荡器的可调微波信号产生的方法及装置
CN113946065A (zh) 一种光学频率梳产生系统及产生方法
CN109813659B (zh) 光学材料的热弛豫时间的测量方法和装置以及测量设备
CN112254752B (zh) 灵敏度可调谐的基于谐振腔干涉结构的声波传感器

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