CN115452729A

CN115452729A - 一种双透射光程磁光法拉第旋转测量系统

Info

Publication number: CN115452729A
Application number: CN202211094132.6A
Authority: CN
Inventors: 陈秋玲; 马秋花; 苗宝记; 冯亚刚
Original assignee: Henan University of Technology
Current assignee: Henan University of Technology
Priority date: 2022-09-08
Filing date: 2022-09-08
Publication date: 2022-12-09

Abstract

本发明公开了一种双透射光程磁光法拉第旋转测量系统，该多透射磁光法拉第旋转测量系统主要由底板、电源、探测器、激光器、棱镜、偏振片一、螺旋线圈、偏振片二、镜子一、镜子二等构成，可使透射光在磁光玻璃内多次透射，增加了光程，从而使法拉第旋转角度增加多倍，大幅度提高了传感系统的灵敏性，而且不需要待测样品的法拉第磁光效应强且V值较大或施加特别大的磁场，既能测量大的法拉旋转角度样品，也能测量微小法拉第旋转角度的样品，误差率为0.00003%，磁光传感系统灵敏度为0.00022±0.00001min/Oe，测量精度高，构建简单，成本低，适用样品范围广泛，可在磁光传感领域里使用。

Description

一种双透射光程磁光法拉第旋转测量系统

技术领域

本发明属于磁光传感技术领域，具体涉及一种双透射光程磁光法拉第旋转测量系统。

背景技术

近年来，随着光子和光学技术的进步，光学传感，光通信等光子器件对玻璃基非互易磁光效应元件的需求日益增加，其中具有磁光法拉第效应的磁光玻璃，以其良好的磁光旋转和抗电磁干扰性能，精度高，响应快，成本低等优点已经在激光光学，光纤通信系统，感测技术和电流传感领域引起广泛关注；磁光玻璃巨大的潜在应用包括基于法拉第效应的旋转器，隔离器，光开关，调制器以及磁光电流传感器，磁光生物传感器等。

当前磁光传感器所用的仍然是稀土掺杂的单晶材料，因为稀土单晶的磁光费尔德常数V 可以达到0.35-0.4 min/G.cm 633nm；但是由于稀土和单晶材料的成本很高，而且V随温度变化较大，在实际应用中设备的灵敏度受到周围温度的极大制约，从而影响实用性和灵敏度；而磁光玻璃（无论顺磁还是逆磁）虽然成本低且菲尔德常数V不受温度影响，但是菲尔德常数V相比稀土掺杂单晶材料较低，不能满足高性能磁光器件的需求，传感的灵敏度不能得到保证，必须使用较大的磁场来满足法拉第旋转的要求。

要解决磁光玻璃基磁光传感灵敏度小和必须使用大磁场的问题，常见的方法是制备法拉第磁光效应强且V值较大的磁光玻璃；稀土掺杂的顺磁玻璃以提高稀土离子的浓度来增大玻璃的磁光性能(0.25-0.3 min/G.cm 633nm) ，但是大量稀土的掺杂极大降低玻璃的热和机械稳定性，而且价格昂贵；因此有研究团队研究重金属氧化物为基础的逆磁玻璃，但是目前达到的磁光费尔顿常数目前能达到的 V值为0.12-0.22 min/G.cm 633nm。

当前国内外对磁光法拉第旋转测量的创新研究很少，并且主要是利用传统的法拉第旋转测试方法，该传统的测试方法如图1所示，这种方法对于法拉第旋转性能较好的材料，V较大，如磁光单晶，则可以获得较为明显的法拉第旋转角度θf；而对于V较小的磁光玻璃，由于其法拉第旋转角度θf较小，极容易受到周围环境光信号的干扰，所以很多情况下不能准确的获得θf，甚至无法得到θf；并且目前基于法拉第旋转的磁光传感系统包括磁光电流传感器或者磁光生物传感器，都是基于传统的法拉第测量方法，因此整体上必须使用很大的磁场才能得到较为明显的法拉第旋转角度θf和较为灵敏的传感体系，所以其成本和灵敏性在实际应用大大受到限制。

发明内容

根据法拉第旋转理论，当磁场施加在磁光玻璃时，在光纤内引起法拉第效应，偏振面的旋转角度取决于所施加的磁场和光在玻璃中传播的长度，θf= VBL，其中θf 是法拉第旋转角，B是磁场，L是磁化方向的感应长度，V是光纤的Verdet常数；对于给定的磁光玻璃，其菲尔德常数在一定温度和波长范围内是恒定的，因此在一定的磁场下，样品长度越大，法拉第旋转角度越大，器件的磁光灵敏度就越大。根据以上原理，在磁光性能和磁场强度一定的条件下，提高激光在磁光玻璃的传播光程是实现高磁光灵敏器件的一个突破。因为法拉第效应属于非互易现象，不受光传播方向的影响，只和磁场方向有关，所以透射光在磁光玻璃中的传播光程的光纤长度所引起的磁光效应可以起到叠加增强的效果，因此，本发明通过提高透射光光程来提高磁光器件法拉第旋转角度测量的灵敏度。

出于克服传统法拉第旋转测试过程中存在的成本高、灵敏度低的技术缺陷的目的，本发明设计了一种双透射光程磁光法拉第旋转测量系统，该系统的结构组成如下：包括底板和探测器，探测器由探头和处理器组成，探头和处理器之间通过导线连接，底板上从左至右依次固定有处理器、电源，底板一侧设有两个相互平行的滑轨，外侧滑轨上从左至右依次设滑动设置有激光器、棱镜、偏振片一、螺旋线圈、偏振片二、镜子一，内侧滑轨上从左至右依次滑动设置有探头和镜子二，激光器和探头位于垂直于底板的同一平面内，镜子一以角度a放置，镜子二以角度φ放置，a、φ分别是激光在镜面的入射角，2^◦＜a＜5^◦，35^◦＜φ＜48^◦，激光器、处理器和螺旋线圈分别通过导线与电源连接；

优选的，底板上还设置有备用电源；

优选的，所述底板为磁性钢板；

优选的，所述激光器、棱镜、偏振片一、螺旋线圈、偏振片二、镜子一、探头、镜子二分别通过滑块与相应的滑轨连接，且所述的各个器件分别与对应的滑块螺纹连接；

优选的，螺旋线圈施加的磁场大小为220-500G。

在构建和实施双透射光程磁光法拉第旋转测量系统的过程中，有3个重要的参数影响测量结果的准确性，具体为：

1）、镜子一的空间固定位置设置：因为透射光第一次从玻璃出透过后照射到镜子表面，根据反射原理，需要保证透射光经过反射后仍能穿过玻璃，因此镜子角度的设置非常关键；在不考虑玻璃内的线性双折射和内部圆形双折射的前提下，根据琼斯公式对纵向和横向偏振矢量的设置计算，镜子和纵轴线的夹角应该在2到5度，这样能保证cos(a)≈1，从而保证透射光第一次和第二次在玻璃中产生的相移和光程大致相同，从而可以使两次透射光在玻璃中产生的法拉第旋转角度大致相同；

2）、镜子二的空间固定位置设置：因为透射光第一次从玻璃出透过后照射到镜子表面，根据反射原理，需要保证透射光经过反射后仍能穿过玻璃，根据镜子宽度d,不考虑玻璃内的线性双折射和内部圆形双折射的前提下，根据琼斯公式对纵向和横向偏振矢量的设置计算 (如图2所示)，假设镜子二和纵轴线的夹角为φ，根据对应于镜面二反射的琼斯矩阵，设置图2中的透射光3和4传播x 和 y 轴不变，计算得出φ的范围在35-48度，保证第二次透射光在镜子二表面产生反射后进入玻璃，并使产生的透射光3 和透射光4 的相移和光程大致相同，从而使四次透射光在玻璃中产生的法拉第旋转角度大致相同；

3）、第四次透射后偏振光的强度大小：根据磁光法拉第效应的非互易性质，当第四次透射光被光电探测器接收之后，其偏振强度也是四次偏振强度的叠加，用公式表示为

，其中θf是第一次透射光在玻璃中发生的偏振旋转角度，根据从探测器中得到的光的强度I，就可以反推出玻璃的法拉第旋转角度，然后根据θ=VBL，计算出样品的费尔顿常数。

本发明取得的有益效果：

本发明基于不同于现有测量系统的设计构思，对现有磁光法拉第旋转测量系统进行改进，使透射光在磁光玻璃内多次透射，增加了光程，从而使法拉第旋转角度增加了多倍，大幅度提高了传感系统的灵敏性，而且不需要待测样品的法拉第磁光效应强且V值较大或施加特别大的磁场，既能测量大的法拉旋转角度样品，也能测量微小法拉第旋转角度的样品，误差率为0.00003%，磁光传感系统灵敏度为0.00022±0.00001min/Oe，测量精度高，构建简单，成本低，适用样品范围广泛，可在磁光传感领域里使用。

附图说明

图1为传统磁光法拉第旋转测试光学平台示意图；

图2为本发明中镜子夹角设计剖面图；

图3为实施例1中双透射光程磁光法拉第旋转测量系统的示意图；

图4为本发明设计的双透射光程磁光法拉第旋转测量系统的实物图；

图5为实施例1和实施例2采用的纯石英玻璃样品的实物图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

如图3和图4所示，一种双透射光程磁光法拉第旋转测量系统，包括底板和探测器，探测器由探头和处理器组成，探头和处理器之间通过导线连接，底板为磁性钢板，底板上从左至右依次固定有处理器、电源、备用电源，底板一侧设有两个相互平行的滑轨，外侧滑轨上从左至右依次设滑动设置有激光器、棱镜、偏振片一、螺旋线圈、偏振片二、镜子一，内侧滑轨上从左至右依次滑动设置有探头和镜子二，激光器和探头位于垂直于底板的同一平面内，镜子一以角度a=2^◦放置，镜子二以角度φ=35^◦放置，a、φ分别是激光在镜面的入射角，激光器、处理器和螺旋线圈分别通过导线与电源连接；所述激光器、棱镜、偏振片一、螺旋线圈、偏振片二、镜子一、探头、镜子二分别通过滑块与相应的滑轨连接，且所述的各个器件分别与对应的滑块螺纹连接。

所述激光器的规格为：波长为532nm，633nm，750nm,1032nm，输出功率为5-10mW，数值孔径为0.28, 发射效率为29%，输出光斑直径为1mm；

偏振片一和偏振片二的偏振消光比>1:5000；

所述电源为直流电源器，输出电压为5V, 输出电流为20mA；

所述螺旋线圈的规格为：PTFE 管内半径 r1 = 11.5 mm，外半径r2 = 17 mm, 长为19 cm，铜电线直径 2 mm，缠绕成 180 匝；

所述纯石英玻璃样品尺寸为10mm×30mm×40mm, 表面光滑度≈100µm，费尔顿常数V为0.01352 min/G.cm, 633nm；

探测器为BPX65 PIN 二极管，AD8015跨阻抗放大器， 1 mm² 感应面积，240 MHz带宽。

将磁光玻璃样品固定于螺旋线圈中央，提前15分钟打开激光器使入射光输出稳定之后，激光束通过偏振片后聚焦于样品表面，透射光通过样品后，被置于特定角度的镜子多次反射，最后穿过样品和偏振片，进入探测器，获取光学信息；因为法拉第效应是非互易的现象并且不依赖于传播方向，因此光在施加的纵向磁场里在磁光介质中传播四次，并经历四倍的旋转偏振角度；因为镜子一以角度a=2^◦放置，其cos(a)≈1，而镜子二以角度φ=35^◦放置，因此可以认为四次透射光的光程约等于L；所以，总相移后样品的法拉第旋转角度 θf =θf1 +θf2 +θf3 +θf4；由于光学长度相同（L），θf1 =θf2= θf3 =θf4，总相移为 θf = 4θf1= 4VBL（V 为费尔顿常数，B为磁场强度，L为样品长度）；根据该方法，能测量出四倍的法拉第旋转角，磁光传感系统的误差率可以根据测量计算得到的旋转角或者费尔德常数以及纯石英玻璃已知的费尔德常数之比计算得出，误差率E = V_测量/V _已知。

本发明实施例1各项测量参数如表1所示，双透射光程磁光法拉第旋转测量系统的误差率为0.00003%，磁光传感系统灵敏度0.00022±0.00001min/Oe。

表1

实施例2

本实施例与实施例1的区别仅在于：镜子一以角度a=5^◦放置，镜子二以角度φ=48^◦放置，其他尽相同，各项测量参数如表2所示，双透射光程磁光法拉第旋转测量系统的误差率为0.00003%，磁光传感系统灵敏度0.00022±0.00001min/Oe。

表2

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种双透射光程磁光法拉第旋转测量系统，其特征在于，包括底板和探测器，探测器由探头和处理器组成，探头和处理器之间通过导线连接，底板上从左至右依次固定有处理器、电源，底板一侧设有两个相互平行的滑轨，外侧滑轨上从左至右依次设滑动设置有激光器、棱镜、偏振片一、螺旋线圈、偏振片二、镜子一，内侧滑轨上从左至右依次滑动设置有探头和镜子二，激光器和探头位于垂直于底板的同一平面内，镜子一以角度a放置，镜子二以角度φ放置，a、φ分别是激光在镜面的入射角，2^◦＜a＜5^◦，35^◦＜φ＜48^◦，激光器、处理器和螺旋线圈分别通过导线与电源连接。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，底板上还设置有备用电源。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述底板为磁性钢板。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述激光器、棱镜、偏振片一、螺旋线圈、偏振片二、镜子一、探头、镜子二分别通过滑块与相应的滑轨连接，且所述的各个器件分别与对应的滑块螺纹连接。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，螺旋线圈施加的磁场大小为220-500G。