CN113933764B - 基于铁磁薄膜与法布里珀罗腔的磁场传感系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种基于铁磁薄膜与法布里珀罗腔的磁场传感系统，其中铁磁薄膜为钇铁石榴石薄膜，放置在完全固定的法布里珀罗腔的内部，腔内的光场可以双向透过薄膜，当外界磁场信号存在时，薄膜对磁场产生的响应由腔的透射特性反映出来，获得利用光学谐振腔透射特性解调的磁场传感系统。通过选取腔和薄膜的结构参数，在铁磁薄膜与法布里珀罗腔构成的传感单元内同时获得高品质因数的光学模式和高频率的力学模式，利用直流磁场调谐铁磁共振频率与腔的力学模式频率接近，获得谐振增强，提升交流磁场传感灵敏度。实现了力学模式和光学模式的解耦使得同时获取高光学品质因数和高频率力学模式成为可能，为高频磁场探测提供了新的技术方案。

Description

基于铁磁薄膜与法布里珀罗腔的磁场传感系统
技术领域
本发明涉及的是一种基于铁磁薄膜与法布里珀罗腔的磁场传感系统，具体涉及的是由法布里珀罗(Fabry Perot,FP)腔和磁性绝缘体钇铁石榴石(Yttrium Iron Garnet，YIG)薄膜构成的磁场传感结构，属于光学领域。
背景技术
磁场传感器具有无损探测的优势，应用范围十分广泛，在数字经济、航天航空、工业控制、自动驾驶、生物医疗等领域都发挥重要作用。现有的基于光学谐振腔的磁场传感系统主要是由光学谐振腔和磁致伸缩介质构建而成，通过选取回音壁模式光学谐振腔结构参数使其力学模式最大位移场更多的位于光学模式传输的区域，以此增强磁场产生的力对光场传输区域处介质的作用力，并利用力学模式和外界待测磁场信号的谐振增强去提升磁场传感灵敏度。由于应用领域对高精度、宽频带磁场传感器的需求不断增加，研究人员在现有技术基础上进一步拓展，将YIG微球腔和光纤锥进行耦合，利用微波腔激发YIG微球腔的铁磁共振，通过铁磁共振、力学模式和待测磁场信号的三重谐振增强使得传感系统的灵敏度进一步提升。然而YIG微球腔是同时作为光学模式和力学模式的谐振腔，光学模式和力学模式是耦合在一起的。因此，很难保证在同一个YIG微球腔中既可以得到高品质因数，又可以得到高频率力学模式。研究人员为了得到更好的探测性能，选择将YIG微球腔的尺寸做大，保证谐振腔可获取高品质因数的光学模式，由于腔尺寸变大，导致其力学模式频率不高，一定程度上可以说是为了获得高光学品质因数而牺牲了高频率的力学模式，导致YIG微球腔磁场传感系统的最佳灵敏度对应的频率比较低，而铁磁共振频率又主要分布在百MHz至GHz频段。因此通过调谐YIG微球腔的铁磁共振频率来匹配力学模式频率,技术实现难度大，且铁磁共振频率至多可降至到力学模式最大频率附近，两者频率重合比较困难，通过三重谐振的方式提升磁场传感灵敏度受限于该系统中传感单元的设计上。为了解决现有技术不足，我们提出一种基于铁磁薄膜与法布里珀罗腔的磁场传感系统，用完全固定的FP腔来实现光学模式的传输，在FP腔中内插入可以透光的铁磁薄膜(YIG)用于获得与磁场耦合的力学模式以及铁磁共振。FP腔和YIG薄膜的传感单元可以将FP腔与YIG薄膜通过腔内传输的光场耦合在一起，实现传感单元的光学模式和力学模式的解耦，进而保证可以单独选取腔或薄膜的参数以便同时获得高品质因数的光学模式和高频率的力学模式。另外，YIG薄膜的力学模式频率可以很高，可达GHz，容易通过直流磁场调谐的方式使得YIG薄膜的铁磁共振频率与力学模式频率重合，进而使得铁磁共振、力学模式和待测磁场信号的三重谐振的光学磁场探测系统更容易实现，降低磁场传感系统的搭建难度，有望获得更高的磁场传感灵敏度。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出了基于铁磁薄膜与法布里珀罗腔的磁场传感系统，能够同时获得高品质因数的光学模式和高频率的力学模式，且利用薄膜结构的力学模式频率可达GHz的特性，通过直流磁场调谐的方式使得力学模式频率和铁磁共振频率重合难度大大降低，谐振效果增强，进而提升磁场传感灵敏度。
本发明基于铁磁薄膜与法布里珀罗腔的磁场传感系统，包括可调谐激光器、光衰减器、偏振控制器、传感单元、光电探测器、偏置三通、分束器、频谱分析仪、网络分析仪、示波器、伺服控制器、信号发生器、电流源、线圈，其中传感单元包括法布里珀罗腔、钇铁石榴石薄膜、微带线；
所述的可调谐激光器输出的光依次通过光衰减器、偏振控制器，传入法布里珀罗腔；光场在法布里珀罗腔内传播并驱动钇铁石榴石薄膜产生机械振动，从法布里珀罗腔输出的光场到达光电探测器，光电探测器输出的电信号通过偏置三通将交直流信号分离，直流分量送入伺服控制器，交流分量经过分束器后送入频谱分析仪和网络分析仪接收端；伺服控制器输出的两路信号分别送入示波器和可调谐激光器，信号发生器输出的三角波信号一路送入示波器观测，另一路送入可调谐激光器作为扫频信号；电流源驱动线圈产生直流磁场、网络分析仪输出的射频磁场信号送入微带线，直流磁场和射频磁场共同激发钇铁石榴石薄膜的铁磁共振；
所述的法布里珀罗腔内插了钇铁石榴石薄膜，通过设计腔结构参数和选取合适的参量制备钇铁石榴石薄膜，使得传感单元同时获得高光学品质因数和高频率力学模式，其中高光学品质因数为达到108量级，高频率力学模式频率达GHz；所述的钇铁石榴石薄膜的力学模式频率达GHz,且能够通过直流磁场调谐方式使得力学模式频率与铁磁共振频率易重合；所述的钇铁石榴石薄膜厚度为100-200nm，面积需大于法布里珀罗腔中光束腰斑的尺寸，且在钇铁石榴石薄膜无光通过的区域引入微带线；所述的射频磁场和直流磁场方向垂直，且射频磁场的频率能够激发钇铁石榴石薄膜的铁磁共振，直流磁场调谐钇铁石榴石薄膜的铁磁共振频率。
作为优选，所述的激发钇铁石榴石薄膜的铁磁共振，具体为：电流源驱动线圈产生直流磁场，并将网络分析仪输出的射频磁场信号送入微带线中，两者方向垂直，微带线中的射频磁场信号会激发直流磁场周围磁化进动，当射频磁场信号与钇铁石榴石薄膜的铁磁共振频率一致时，会激发钇铁石榴石薄膜的铁磁共振。由于钇铁石榴石薄膜的力学模式频率位于GHz频段，则很容易通过直流磁场调谐方式使得力学模式频率和铁磁共振频率重合；因此当待测磁场信号频率与铁磁共振频率和力学模式频率相同时，谐振效果会大大增强，磁场传感灵敏度也会大幅提升。
作为优选，所述的法布里珀罗腔完全固定，两端需设有光纤接入和接出端口。
作为优选，所述的可调谐激光器输出频段应在钇铁石榴石薄膜的低损耗波段，且能扫出法布里珀罗腔的光学模式，所述的低损耗波段为1550-1570nm。
作为优选，所述的光电探测器要为高速探测器，能够响应待测信号的频率，带宽为12GHz。
作为优选，所述的微带线设有相应的SMA接入端口。
作为优选，所述的钇铁石榴石薄膜平行于法布里珀罗腔的两个反射镜的镜面。
作为优选，所述的网络分析仪和频谱分析仪的分辨率需满足测量要求。
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。
基于铁磁薄膜与法布里珀罗腔的磁场传感系统的解调方法，具体为：利用热锁模的方法将可调谐激光器输出的中心频率锁定在法布里珀罗腔透射谱1/2处，而待测磁场信号会引起法布里珀罗腔中钇铁石榴石薄膜发生磁致伸缩效应，产生与待测信号同频的振动，进而使得透射谱线中的相位和幅度发生变化，这种变化通过频谱分析仪和网络分析仪进行探测，再进行数据处理可解调出待测磁场信号。
本发明相对于现有技术具有效果：本发明通过设计完全固定的FP腔，并在其中间内插YIG薄膜，利用YIG薄膜自身特性获取力学模式，只需调控腔结构参数和薄膜参数，即可同时得到高品质因数和高频率的力学模式，克服了现有技术中品质因数和力学模式无法解耦导致两者很难同时达到较高值。同时，本发明的YIG薄膜力学模式频率可达GHz，容易通过直流磁场调谐方式使得其铁磁共振频率和力学模式频率重合，克服了现有技术YIG微球腔的力学模式频率较低导致和其铁磁共振频率很难重合的缺陷。另外，本发明采用完全固定的FP腔结构，利用待测磁场信号对YIG薄膜作用调制FP腔中光场信息，最终解调出待测量，克服现有技术中需要将FP腔中反射镜集成到机械设备的缺点。
附图说明
图1为所发明的基于铁磁薄膜与法布里珀罗腔的磁场传感系统示意图。
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，本实施方式所述的基于铁磁薄膜与法布里珀罗腔的磁场传感系统，它包括可调谐激光器1、光衰减器2、偏振控制器3、传感单元4、光电探测器8、偏置三通9、分束器10、频谱分析仪11、网络分析仪12、示波器13、伺服控制器14、信号发生器15、电流源16、线圈17，其中传感单元4包括FP腔5、YIG薄膜6、微带线7。
所述的可调谐激光器1输出的光依次通过光衰减器2、偏振控制器3，传入FP腔5中。光场在FP腔5中传播并驱动YIG薄膜6产生机械振动，FP腔5输出的光场送入光电探测器8中，光电探测器8输出的电信号送入偏置三通9中将交直流信号分离，直流分量送入伺服控制器14，交流分量经分束器10送入频谱分析仪11和网络分析仪12的接收端。伺服控制器14输出的两路信号送入示波器13和可调谐激光器1中，信号发生器输出的三角波信号一路输出到示波器13中观测，另一路送入可调谐激光器1中作为扫频信号。电流源16驱动线圈17产生直流磁场、网络分析仪12输出的射频磁场信号送入微带线7，直流磁场和射频磁场共同激发YIG薄膜的铁磁共振。YIG薄膜6的力学模式频率足够高，可达GHz，容易通过直流磁场调谐的方式使得力学模式频率和铁磁共振频率重合。因此当待测磁场信号频率与铁磁共振频率及力学模式频率相同时，谐振效果大大增强，磁场灵敏度大幅提升。
传感系统中可调谐激光器1、光衰减器2、偏振控制器3、FP腔5、光电探测器8之间均采用光纤连接；微带线7、光电探测器8、偏置三通9、分束器10、频谱分析仪11、网络分析仪12、示波器13、伺服控制器14、信号发生器15、电流源16、线圈17之间均用电学线缆连接。

Claims (10)

1.基于铁磁薄膜与法布里珀罗腔的磁场传感系统，其特性在于：包括可调谐激光器(1)、光衰减器(2)、偏振控制器(3)、传感单元(4)、光电探测器(8)、偏置三通(9)、分束器(10)、频谱分析仪(11)、网络分析仪(12)、示波器(13)、伺服控制器(14)、信号发生器(15)、电流源(16)、线圈(17)，其中传感单元(4)包括法布里珀罗腔(5)、钇铁石榴石薄膜(6)、微带线(7)；
所述的可调谐激光器(1)输出的光依次通过光衰减器(2)、偏振控制器(3)，传入法布里珀罗腔(5)；光场在法布里珀罗腔(5)内传播并驱动钇铁石榴石薄膜(6)产生机械振动，从法布里珀罗腔(5)输出的光场到达光电探测器(8)，光电探测器(8)输出的电信号通过偏置三通(9)将交直流信号分离，直流分量送入伺服控制器(14)，交流分量经过分束器(10)后送入频谱分析仪(11)和网络分析仪(12)接收端；伺服控制器(14)输出的两路信号分别送入示波器(13)和可调谐激光器(1)，信号发生器(15)输出的三角波信号一路送入示波器(13)观测，另一路送入可调谐激光器(1)作为扫频信号；电流源(16)驱动线圈(17)产生直流磁场、网络分析仪(12)输出的射频磁场信号送入微带线(7)，直流磁场和射频磁场共同激发钇铁石榴石薄膜的铁磁共振；
所述的法布里珀罗腔(5)内插了钇铁石榴石薄膜(6)，通过设计腔结构参数和选取合适的参量制备钇铁石榴石薄膜(6)，使得传感单元(4)同时获得高光学品质因数和高频率力学模式，其中高光学品质因数为达到108量级，高频率力学模式频率达GHz；所述的钇铁石榴石薄膜(6)的力学模式频率达GHz,且能够通过直流磁场调谐方式使得力学模式频率与铁磁共振频率易重合；所述的钇铁石榴石薄膜(6)厚度为100-200nm，面积需大于法布里珀罗腔(5)中光束腰斑的尺寸，且在钇铁石榴石薄膜无光通过的区域引入微带线(7)；所述的射频磁场和直流磁场方向垂直，且射频磁场的频率能够激发钇铁石榴石薄膜(6)的铁磁共振，直流磁场调谐钇铁石榴石薄膜(6)的铁磁共振频率。
2.根据权利要求1所述的基于铁磁薄膜与法布里珀罗腔的磁场传感系统，其特性在于：所述的激发钇铁石榴石薄膜的铁磁共振，具体为：电流源驱动线圈产生直流磁场，并将网络分析仪输出的射频磁场信号送入微带线中，两者方向垂直，微带线中的射频磁场信号会激发直流磁场周围磁化进动，当射频磁场信号与钇铁石榴石薄膜的铁磁共振频率一致时，会激发钇铁石榴石薄膜的铁磁共振。
3.根据权利要求1所述的基于铁磁薄膜与法布里珀罗腔的磁场传感系统，其特性在于：所述的法布里珀罗腔完全固定，两端需设有光纤接入和接出端口。
4.根据权利要求1所述的基于铁磁薄膜与法布里珀罗腔的磁场传感系统，其特性在于：所述的可调谐激光器输出频段应在钇铁石榴石薄膜的低损耗波段，且能扫出法布里珀罗腔的光学模式，所述的低损耗波段为1550-1570nm。
5.根据权利要求1所述的基于铁磁薄膜与法布里珀罗腔的磁场传感系统，其特性在于：所述的光电探测器要为高速探测器，能够响应待测信号的频率，带宽为12GHz。
6.根据权利要求1所述的基于铁磁薄膜与法布里珀罗腔的磁场传感系统，其特性在于：所述的微带线设有相应的SMA接入端口。
7.根据权利要求1所述的基于铁磁薄膜与法布里珀罗腔的磁场传感系统，其特性在于：所述的钇铁石榴石薄膜平行于法布里珀罗腔的两个反射镜的镜面。
8.根据权利要求1所述的基于铁磁薄膜与法布里珀罗腔的磁场传感系统，其特性在于：所述的网络分析仪和频谱分析仪的分辨率需满足测量要求。
9.根据权利要求1所述的基于铁磁薄膜与法布里珀罗腔的磁场传感系统，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。
10.根据权利要求1所述的基于铁磁薄膜与法布里珀罗腔的磁场传感系统，其特性在于，其调解方法为：利用热锁模的方法将可调谐激光器输出的中心频率锁定在法布里珀罗腔透射谱1/2处，而待测磁场信号会引起法布里珀罗腔中钇铁石榴石薄膜发生磁致伸缩效应，产生与待测信号同频的振动，进而使得透射谱线中的相位和幅度发生变化，这种变化通过频谱分析仪和网络分析仪进行探测，再进行数据处理可解调出待测磁场信号。
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