CN113176526A - 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 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种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，包括信号发生器、可调谐激光器、衰减器、偏振控制器、光纤锥、磁场传感单元、光电探测器、偏置器、示波器、分束器、电学频谱分析仪、第一网络分析仪、第二网络分析仪、直流磁场、线圈和比例‑积分‑微分控制器；当YIG球的力学模式、铁磁共振模式和待测交变磁场频率接近、产生三重谐振时，该系统可以获得较高的磁场探测灵敏度。该系统同时兼具低功耗、抗电磁干扰等优点，可为磁场探测领域提供新的器件选择。

Description

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

技术领域

本发明涉及的是一种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，具体涉及的是由钇铁石榴石钇铁石榴石球形腔和光纤锥构成的光学谐振系统和能够激发钇铁石榴石球形腔中铁磁共振的微波谐振腔构建的磁场传感系统，该传感系统中钇铁石榴石钇铁石榴石球的力学模式、铁磁共振模式与待测交变磁场信号的频率接近，产生三重谐振时，可以获得高的磁场探测灵敏度，属于光学领域。

背景技术

磁场传感器广泛应用于数字经济、交通运输、生命健康、国防等领域，实现的方式多种多样。与现有的磁场传感方法相比，基于光学系统的磁场传感技术有着速度快、抗电磁干扰能力强等优势。目前已经提出了基于磁力效应、法拉第效应、磁致伸缩效应等原理的磁场测量方案。但是现有光学传感器仍存在带宽受限、灵敏度不够高等问题。在外界磁场信号与腔的力学模式发生谐振时，基于光学谐振腔和磁致伸缩介质构成的光学磁场传感器的传感性能可以得到极大的增强，为进一步提升该类传感器的磁场探测性能，这里我们提出了一种基于三重谐振的光学谐振腔交变磁场传感系统，当外界待测磁场信号与钇铁石榴石钇铁石榴石球的力学模式和微波腔激发的钇铁石榴石钇铁石榴石球的铁磁共振的频率三者有重合时，会极大增强该频率附近的磁场探测性能，进而提升钇铁石榴石钇铁石榴石谐振腔对外界磁场的探测能力。该系统能够实现高精度的交变磁场测量，未来可以直接应用于高频磁场的探测，并且在传输信号的过程中有着不受电磁干扰、可远程探测等优点。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出一种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，可用于交变磁场探测相关领域。

基于三重谐振的光学谐振腔交变磁场传感系统中，包括信号发生器、可调谐激光器、衰减器、偏振控制器、光纤锥、磁场传感单元、光电探测器、偏置器、示波器、分束器、电学频谱分析仪、第一网络分析仪、第二网络分析仪、直流磁场、线圈和比例-积分-微分比例-积分-微分控制器控制器；其中，磁场传感单元包括了微波谐振腔、钇铁石榴石球形谐振腔、支架、紫外胶水。

所述的信号发生器输出的两路信号一路送入内含光隔离器的可调谐激光器的电压调谐端口，一路送入到示波器；可调谐激光器的光出射端与衰减器的输入端连接，衰减器的输出端与偏振控制器的输入端连接，偏振控制器的输出端与光纤锥输入端连接，光纤锥输出的光场通过倏逝波耦合的方式进入磁场传感单元中的钇铁石榴石钇铁石榴石球形谐振腔内，钇铁石榴石球形腔内光场经光纤锥耦合输出至对应光电探测器的接收端，光电探测器输出的信号经偏置器分离交/直流信号，直流信号送入示波器显示，交流信号送入电学频谱分析仪和第一网络分析仪显示。钇铁石榴石球通过紫外胶固定在石英光纤支架上，保证钇铁石榴石球和光纤锥始终处于耦合状态。钇铁石榴石球置于微波谐振腔内，且处于微波腔内的微波场聚集的位置，微波谐振腔的两壁需打孔以让光纤锥通过。同时，微波腔内钇铁石榴石球处于直流偏置磁场B₀中。利用第二网络分析仪产生的微波信号去激励微波谐振腔。直流磁场B₀的方向垂直于微波场中的磁场分量，激发钇铁石榴石球中的磁振子模式。当钇铁石榴石球的体积足够小，其磁振子模式为均匀模式(也称为铁磁共振模式)时，调控调整直流磁场B₀的强度，调整铁磁共振模式频率，满足和钇铁石榴石球的力学模式的频率相近。当外界待测交流磁场的频率与力学模式频率及铁磁共振频率接近时，会产生三重谐振，进而提升钇铁石榴石球形腔的交变磁场探测能力。传感系统中可调谐激光器、隔离器、衰减器、偏振控制器、光纤锥、光电探测器之间的连接均采用光纤连接；光电探测器与偏置器、偏置器与示波器、偏置器与分束器、分束器与电学频谱分析仪、分束器与第一网络分析仪、第二网络分析仪与微波谐振腔、及线圈与网络分析仪之间均使用电学线缆连接。

作为优选，所述的微波谐振腔为矩形腔或圆柱腔，材质为高导电性铜，微波谐振腔的模式设置为基模，其谐振频率应保证所激发的钇铁石榴石球形腔的铁磁共振频率与钇铁石榴石球形腔的力学模式相同。

作为优选，所述的第二网络分析仪产生微波谐振腔的激励。

作为优选，所述的可调谐激光器的调谐范围要覆盖实验所需的探测范围，波段可选用通讯波段，且与探测器的接收波段相匹配。

作为优选，所述的钇铁石榴石球形腔的直径为50-1000微米，所述的支架为石英光纤支架。钇铁石榴石球表面需要进行抛光处理，以提高其光学品质因数、改进其微波场转换效率，保证腔内光场的低损耗传输和腔外表面存在倏逝波以及能在外加磁场下出现铁磁共振。

作为优选，钇铁石榴石球要放置在微波腔里微波场聚集处，保证光子模式和磁振子模式的空间重叠尽可能大，从而产生光与磁的强耦合。

作为优选，所述的直流磁场的方向沿钇铁石榴石球形腔的<100>晶轴方向，且垂直于微波谐振腔的微波场中的磁场分量的方向。

作为优选，应尽量减小钇铁石榴石球的体积，以减少磁振子和光场的模式体积、防止穿透钇铁石榴石球体的微波场不均匀，以便激发均匀的、频率更低、损耗更小的磁振子模式，也就是铁磁共振模式。

作为优选，所述的光纤要保证所选波段内光信号的低损耗传输。

作为优选，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。

作为优选，所述的衰减器要保证到达探测器的光功率在探测器的可接收的功率范围内。

本发明中的传感系统可以对交变磁场进行测量，并且有着较高的灵敏度。此外，该系统主要由光纤构建，体积小，易集成，可进行磁场信息的远程探测。

附图说明

图1为发明的基于三重谐振的光学谐振腔交变磁场传感系统的示意图。

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，本实施方式所述的三重谐振的光学谐振腔磁场传感系统包括可调谐激光器1、衰减器2、偏振控制器3、光纤锥4、磁场传感单元5、光电探测器6、偏置器7、示波器8、分束器9、电学频谱分析仪10、第一网络分析仪11、第二网络分析仪12、信号发生器13、直流磁场14、线圈15、钇铁石榴石球形腔16、微波谐振腔17、支架18、紫外胶水19和比例-积分-微分控制器控制器20。其中信号发生器13输出两通道信号，第一通道的信号一路发送到可调谐激光器1的电压调谐端，使调谐激光器1开始输出扫频光信号；第一通道的信号的另一路送到示波器8。信号发生器13第二通道的信号送入线圈15，可产生用于校准的单频磁场。可调谐激光器1的光出射端与衰减器2的输入端连接，衰减器2的输出端与偏振控制器3的输入端连接，偏振控制器3输出端与光纤锥4输入端连接；光纤锥4输出的光场通过倏逝波耦合的方式进入磁场传感单元5中的钇铁石榴石球形腔16内，球形腔16内光场经过光纤锥4耦合输出至光电探测器6的接收端，光电探测器6输出的信号进入偏置器7，偏置器7将输入的信号分为直流和交流两部分；其中直流信号被送入到示波器8中，交流信号则进入分束器9中分别送入电学频谱分析仪10和第一网络分析仪11中。可调谐激光器1、衰减器2、偏振控制器3、光纤锥4、光电探测器6之间的连接均采用光纤连接；光电探测器6与偏置器7、偏置器7与示波器8、信号发生器13与示波器8、信号发生器13与可调谐激光器1、偏置器7与分束器9、分束器9与电学频谱分析仪10、分束器9与第一网络分析仪11、第一网络分析仪11与线圈15、信号发生器13与线圈15之间均使用电学线缆连接；直流磁场14可以利用直流磁铁产生或通过线圈外接电流源、电压源获得；直流磁场14可以调谐钇铁石榴石球16的铁磁共振频率，使球的铁磁共振频率和力学模式频率接近以便产生谐振；线圈15分别与信号发生器或网络分析仪互连可得到用于系统校准单频和某频带内的交流磁场，进而标定磁场传感单元的交变磁场传感性能。

所述的基于三重谐振的光学谐振腔交变磁场传感系统内的磁场传感单元5包括一个钇铁石榴石球形腔16、微波谐振腔17、支架18和紫外胶水19，其中钇铁石榴石球形腔16和支架18之间通过紫外胶水19粘结在一起，同时支架18和微波谐振腔17之间也用紫外胶水19进行固定。钇铁石榴石球形腔16和光纤锥4通过倏逝波进行耦合，微波谐振腔17的两侧各开一个小孔，让光纤锥4的两端通过以连接外界光路。

偏置直流磁场14的方向要垂直于微波场中磁分量，进而引起钇铁石榴石球形腔16内的自旋翻转，从而激发磁振子模式。钇铁石榴石球由于球面的对称性，光被全内反射限制在球面内，形成了光学回音壁模式，利用光纤锥与钇铁石榴石球形腔耦合，光在磁性材料中循环往复，加强了磁振子和光子之间的相互作用。当存在待测交流磁场时，腔会被驱动，腔内传输的光场也会被调制，通过监测输出光场的变化可以解调磁场的变化，进而实现磁场探测。若通过线圈15施加的待测交流磁场的频率和钇铁石榴石球的力学模式频率及磁振子模式中的铁磁共振模式的频率相近，则会产生三重谐振，这种谐振会极大提升腔对磁场的探测能力。示波器8可以测量腔的透射谱，而电学频谱分析仪10和第一网络分析仪11可以观测交流磁场信息，通过数据处理可以解调交变磁场的强度和频率信息。

比例-积分-微分控制器控制器20用于将可调谐激光器1输出的光锁定在钇铁石榴石球形腔16中光学模式的特定波长处，不与钇铁石榴石球形腔的透射谱线的测量同时进行。为观测钇铁石榴石球形腔的透射谱线，一般是利用信号发生器13的一个通道连接可调谐激光器1和示波器8进行测量的；在观测谱线的基础上，可以选中钇铁石榴石球形腔16中特定的光学模式，再利用比例-积分-微分控制器控制器20辅助腔的热效应进行波长锁定，以便进行后续磁场性能标定和测量。在锁定时，比例-积分-微分控制器控制器20接收光电探测器6的信号，通过调节其参数，可输出反馈电压信号到可调谐激光器1实现锁定，同时比例-积分-微分控制器控制器20可输出误差信号至示波器8用于监测锁定效果。比例-积分-微分控制器控制器20与可调谐激光器1、比例-积分-微分控制器控制器20与示波器8、比例-积分-微分控制器控制器20与探测器6之间均使用电学线缆连接。

基于三重谐振的光学谐振腔交变磁场传感系统的使用方法，该方法具体为：所述的磁场传感单元测试时，打开除比例-积分-微分控制器20以外的所有仪器，并且待测磁场频率、铁磁共振频率和钇铁石榴石球形腔16的力学模式的频率相同；将钇铁石榴石球形腔16和光纤锥4耦合，调整可调谐激光器1的输出光信号的波长，产生最大光学模式的透射谱线；观察透射谱线后，将斜率最大处作为锁定点，用比例-积分-微分控制器20辅助腔的热效应进行波长锁定，使透射谱线的值维持在锁定点的位置，以便进行后续磁场性能标定和测量；在锁定时，PID控制器20接收光电探测器6的信号，调节其参数，输出反馈电压信号到可调谐激光器1实现锁定，同时PID控制器20可输出误差信号至示波器8用于监测锁定效果。

Claims (10)

1.基于三重谐振的光学谐振腔交变磁场传感系统，包括可调谐激光器(1)、衰减器(2)、偏振控制器(3)、光纤锥(4)、磁场传感单元(5)、光电探测器(6)、偏置器(7)、示波器(8)、分束器(9)、电学频谱分析仪(10)、第一网络分析仪(11)、第二网络分析仪(12)、信号发生器(13)、直流磁场(14)、线圈(15)、钇铁石榴石球形腔(16)、微波谐振腔(17)、支架(18)、紫外胶水(19)和比例-积分-微分控制器(20)；

其特征在于：信号发生器(13)输出两通道信号，第一通道的信号一路发送到可调谐激光器(1)的电压调谐端，使调谐激光器(1)开始输出扫频光信号；第一通道的信号的另一路送到示波器(8)；信号发生器(13)第二通道的信号送入线圈(15)，用于产生校准的单频磁场；可调谐激光器(1)的光出射端与衰减器(2)的输入端连接，衰减器(2)的输出端与偏振控制器(3)的输入端连接，偏振控制器(3)输出端接磁场传感单元(5)，所述的磁场传感单元(5)包括光纤锥(4)、钇铁石榴石球形腔(16)、微波谐振腔(17)、支架(18)和紫外胶水(19)；光纤锥(4)与偏振控制器(3)输出端连接，光纤锥(4)输出的光场通过倏逝波耦合的方式进入YIG球形腔(16)内，YIG球形腔(16)内光场经过光纤锥(4)耦合输出至光电探测器(6)的接收端，光电探测器(6)输出的信号进入偏置器(7)，偏置器(7)将输入的信号分为直流和交流两部分；其中直流信号被送入到示波器(8)中，交流信号则进入分束器(9)中分别送入电学频谱分析仪(10)和第一网络分析仪(11)中；比例-积分-微分控制器(20)的输出端接可调谐激光器(1)的电压调谐端，光电探测器(6)的输出信号端接比例-积分-微分控制器(20)；第二网络分析仪(12)的输出端接微波谐振腔(17)；

可调谐激光器(1)、衰减器(2)、偏振控制器(3)、光纤锥(4)、光电探测器(6)之间的连接均采用光纤连接；光电探测器(6)与偏置器(7)，偏置器(7)与示波器(8)，信号发生器(13)与示波器(8)，信号发生器(13)与可调谐激光器(1)，偏置器(7)与分束器(9)，分束器(9)与电学频谱分析仪(10)，分束器(9)与第一网络分析仪(11)，第一网络分析仪(11)与线圈(15)，信号发生器(13)与线圈(15)之间均使用电学线缆连接，PID控制器(20)与可调谐激光器(1)、PID控制器(20)与示波器(8)、PID控制器(20)与探测器(6)之间均使用电学线缆连接；所述的直流磁场(14)与线圈(15)设置在磁场传感器(5)的两侧，直流磁场(14)利用直流磁铁产生或通过线圈(15)外接电流源、电压源获得；直流磁场(14)能调谐钇铁石榴石球形腔(16)的铁磁共振频率，使钇铁石榴石球形腔(16)的铁磁共振频率和力学模式频率相同以便产生谐振；线圈(15)分别与信号发生器(17)、第一网络分析仪(11)互连得到用于系统校准单频和某频带内的交流磁场，进而标定磁场传感单元(5)的交变磁场传感性能；

磁场传感单元(5)中的钇铁石榴石球形腔(16)和支架(18)之间通过紫外胶水(19)粘结在一起，同时支架(18)和微波谐振腔(17)之间也用紫外胶水(19)进行固定；钇铁石榴石球形腔(16)和光纤锥(4)通过倏逝波进行耦合，微波谐振腔(17)的两侧各开一个小孔，让光纤锥(4)的两端通过以连接外界光路；所述的钇铁石榴石球形腔(16)处于微波谐振腔内微波场的最大处，使得微波谐振腔内的光子模式和钇铁石榴石球晶体的磁振子模式之间有着最高的空间重叠，从而实现高灵敏度的磁场探测。

2.根据权利要求1所述的基于三重谐振的光学谐振腔交变磁场传感系统，其特征在于：所述的微波谐振腔(17)，为矩形腔或圆柱腔，微波谐振腔(17)的模式设置为基模，其谐振频率应保证所激发的钇铁石榴石球形腔(16)的铁磁共振频率与钇铁石榴石球形腔(16)的力学模式相同。

3.根据权利要求1所述的基于三重谐振的光学谐振腔交变磁场传感系统，其特征在于：所述的第二网络分析仪产生微波谐振腔(17)的激励。

4.根据权利要求1所述的基于三重谐振的光学谐振腔交变磁场传感系统，其特征在于：所述的钇铁石榴石球形腔(16)的直径为50-1000微米，所述的支架(18)为石英光纤支架。

5.根据权利要求1所述的基于三重谐振的光学谐振腔交变磁场传感系统，其特征在于：所述的钇铁石榴石球形腔(16)表面进行抛光处理，保证腔内光场的低损耗传输和腔外表面存在倏逝波以及能在外加磁场下出现铁磁共振。

6.根据权利要求1所述的基于三重谐振的光学谐振腔交变磁场传感系统，其特征在于：所述的直流磁场的方向沿钇铁石榴石球形腔(16)的<100>晶轴方向，且垂直于微波谐振腔(17)的微波场中的磁场分量的方向。

7.根据权利要求1所述的一种基于三重谐振的光学谐振腔交变磁场传感系统，其特征在于：所述的偏振控制器(3)的偏振状态要保证光学模式的光学品质因数最高。

8.根据权利要求1所述的基于三重谐振的光学谐振腔交变磁场传感系统，其特征在于：所述的可调谐激光器(1)的输出波段与钇铁石榴石球形腔(16)的低损耗区重合，且与光电探测器(6)的接收波段及传输光纤的低损耗透射区相匹配。

9.根据权利要求1所述的基于三重谐振的光学谐振腔交变磁场传感系统，其特征在于：所述的衰减器要保证到达探测器的光功率在探测器的可接收的功率范围内。

10.根据权利要求1所述的基于三重谐振的光学谐振腔交变磁场传感系统的使用方法，其特征在于：所述的磁场传感单元测试时，打开除比例-积分-微分控制器(20)以外的所有仪器，并且待测磁场频率、铁磁共振频率和钇铁石榴石球形腔(16)的力学模式的频率相同；将钇铁石榴石球形腔(16)和光纤锥(4)耦合，调整可调谐激光器(1)的输出光信号的波长，产生最大光学模式的透射谱线；观察透射谱线后，将斜率最大处作为锁定点，用比例-积分-微分控制器(20)辅助腔的热效应进行波长锁定，使透射谱线的值维持在锁定点的位置，以便进行后续磁场性能标定和测量；在锁定时，PID控制器(20)接收光电探测器(6)的信号，调节其参数，输出反馈电压信号到可调谐激光器(1)实现锁定，同时PID控制器(20)可输出误差信号至示波器(8)用于监测锁定效果。

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