CN116430281A - 一种聚二甲基硅氧烷光学腔直流磁场传感系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种聚二甲基硅氧烷光学腔直流磁场传感系统，属于光学领域，其中可调谐激光器输出的信号送入偏振控制器输入端；偏振控制器的输出端与光纤锥相连；光纤锥与传感单元中的聚二甲基硅氧烷光学腔耦合，耦合后光纤锥输出信号送入探测器输入端；探测器输出端连接分束器的输入端，分束器输出的三路信号，一路送入伺服控制器、一路送入示波器、一路送入电学频谱分析仪；伺服控制器的输出端一路连接示波器的输入端，另一路连接可调谐激光器的调控输入端。本发明利用传感系统中存在的奇异点可以对直流磁场进行测量，并且有着较高的灵敏度，同时可进行磁场信息的远程探测。
Description
技术领域
本发明属于光学领域，具体涉及一种聚二甲基硅氧烷光学腔直流磁场传感系统。
背景技术
磁场传感器应用范围十分广泛，在医疗国防等领域具有重要的应用价值。光学磁场传感系统因其具有的高速、抗电磁干扰等优势，受到了广泛关注。目前光学腔用于磁场传感已经有很多实现方案，但是将其与微波系统结合的方案仍然很少。而该类系统中的铁磁共振相比机械模式的调谐更易实现，而灵敏度也展现出极大的优势。因此，在铁磁共振辅助磁场传感的想法基础上，进一步提出了开口环腔与铁磁共振处于耗散耦合状态下用于高灵敏度传感的方案。该传感系统能够实现高精度的直流磁场测量，未来可以应用于微弱直流磁场探测，拥有可与微波系统互联、高速、高精度等优势。
发明内容
本发明利用铁磁共振与微波腔的耗散耦合状态，提出一种聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)光学腔直流磁场传感系统，具体涉及的是由PDMS光学腔和光纤锥构成的光学谐振系统，能够激发钇铁石榴石(Yttrium Iron Garnet，YIG)中铁磁共振的微带线，以及与铁磁共振实现耗散耦合的开口环腔，及其他必要的探测设备构建的磁场传感系统，可用于直流磁场探测相关领域。
一种聚二甲基硅氧烷光学腔直流磁场传感系统中包括可调谐激光器、偏振控制器、光纤锥、传感单元、探测器、分束器、伺服控制器、示波器、电学频谱分析仪；传感单元包括一个多层的传感结构——PDMS光学腔、YIG、钆镓石榴石(gadolinium gallium garnet，GGG)、微带线、介质、开口环腔(split-ring resonator，SRR)，以及激励源——微波源和直流磁铁。
所述的可调谐激光器输出的信号送入偏振控制器输入端；偏振控制器的输出端与光纤锥相连；光纤锥与传感单元中的PDMS光学腔耦合，耦合后光纤锥输出信号送入探测器输入端；探测器输出端连接分束器的输入端，分束器输出的三路信号，一路送入伺服控制器、一路送入示波器、一路送入电学频谱分析仪；伺服控制器的输出端一路连接示波器的输入端，另一路连接可调谐激光器的调控输入端。伺服控制器用于将可调谐激光器的波长锁定在腔的特定模式处。
传感单元包括一个多层的传感结构和激励源(微波源和直流磁铁)。传感结构有多层堆叠结构，结构从底端到顶部依次为SRR、介质、微带线、GGG、YIG、PDMS光学腔；微带线输入端与微波源输出端连接，可以产生微波磁场，作用于位于GGG基底之上的YIG中，微波磁场与直流磁铁产生的直流磁场共同激发YIG中产生铁磁共振。YIG中的铁磁共振还可以驱动上方的PDMS腔发生形变，PDMS光学腔与光纤锥可以通过光纤锥内的倏逝波耦合在一起，因此系统中其他部分的作用导致PDMS光学腔的形变可以被光场探测到，经探测器转换为电学信号。位于介质下方的SRR的参数变化可以使得SRR与YIG中的铁磁共振处于耗散耦合，在耗散耦合状态确认后，可以通过调节直流磁铁产生的磁场强度使其置于奇异点处。在系统调节到指定状态后，若存在待测直流磁场信号，则电学频谱分析仪上可以看到单个的频率分量分裂为两个频率分量，这两个频率的差值就可以用于表征待测直流磁场信号的强度。
可调谐激光器与偏振控制器、偏振控制器与光纤锥、光纤锥与探测器之间均使用光纤连接；探测器与分束器、分束器与电学频谱分析仪、分束器与示波器、分束器与伺服控制器、伺服控制器与示波器、伺服控制器与可调谐激光器、微波源与微带线间均使用电学线缆连接。
作为优选，所述的开口环腔SRR可与微纳加工工艺兼容，具体尺寸可以根据实际所需的谐振频率来设计。
作为优选，YIG要放置在微带线产生的微波磁场的中心处，保证顺利激发铁磁共振。
作为优选，SRR的结构参数要保证能够与YIG中的铁磁共振处于耗散耦合状态。
作为优选，YIG中的铁磁共振模式与SRR处于耗散耦合状态下，通过调控直流磁铁产生的信号强度使系统处于耗散耦合状态下的奇异点处，以便进行高灵敏度直流磁场传感。
作为优选，PDMS光学腔要处于YIG上方的几何中心，保证YIG产生的力能够有效的作用到PDMS光学腔上。
作为优选，所述的可调谐激光器的光波长为630nm，以保证PDMS腔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。
本发明有益效果：本发明中的传感系统中开口环腔与铁磁共振处于耗散耦合时、可以通过调控系统参数使其处于奇异点处。在该点的位置能够获得高精度的直流磁场传感灵敏度，利用传感系统中存在的奇异点可以对直流磁场进行测量，并且有着较高的灵敏度。此外，该系统可与微波系统交互、易与光纤系统集成，可进行磁场信息的远程探测。
附图说明
图1为本发明系统的示意图；
图2为传感单元中传感结构示意图。
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：
具体实施方式一：如图1所示，本实施方式所述的一种聚二甲基硅氧烷光学腔直流磁场传感系统包括可调谐激光器1、偏振控制器2、光纤锥3、传感单元4、探测器5、分束器6、伺服控制器7、示波器8、电学频谱分析仪9；传感单元包括一个多层的传感结构——PDMS光学腔10，YIG11、GGG12、微带线13、介质14、SRR15，以及激励源——微波源16和直流磁铁17。所述的可调谐激光器1输出的信号送入偏振控制器2输入端；偏振控制器2的输出端与光纤锥3相连；光纤锥3与传感单元4中的PDMS光学腔10耦合，耦合后光纤锥3输出信号送入探测器5输入端；探测器5输出端连接分束器6的输入端，分束器6输出的三路信号，一路送入伺服控制器7、一路送入示波器8、一路送入电学频谱分析仪9；伺服控制器7的一路输出端送入示波器8的输入端，另一路送入可调谐激光器1的调控输入端口。伺服控制器7用于将可调谐激光器1的波长锁定在PDMS光学腔10的特定模式处。
可调谐激光器1与偏振控制器2、偏振控制器2与光纤锥3、光纤锥3与探测器5之间均使用光纤连接；探测器5与分束器6、分束器6与电学频谱分析仪9、分束器6与示波器8、分束器6与伺服控制器7、伺服控制器7与示波器8、伺服控制器7与可调谐激光器1、微波源16与微带线13间均使用电学线缆连接。
具体实施方式二：结合图1及图2说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一所述的一种聚二甲基硅氧烷光学腔直流磁场传感系统的补充。传感单元4包括一个多层堆叠的传感结构和激励源(微波源16和直流磁铁17)。传感结构有多层堆叠结构，结构从底端到顶部依次为SRR15、介质14、微带线13、GGG12、YIG11、PDMS光学腔10；微带线13输入端与微波源16输出端连接，可以产生微波磁场，作用于位于GGG12基底之上的YIG11，微波磁场与直流磁铁17产生的直流磁场共同激发YIG11中的铁磁共振。YIG11中的铁磁共振还可以驱动上方的PDMS光学腔10发生形变，PDMS光学腔10与光纤锥3可以通过光纤锥3内的倏逝波耦合在一起，因此系统中其他部分的作用导致PDMS光学腔10的形变可以被光场探测到，经探测器5转换为电学信号。位于介质14下方的SRR15的参数变化可以使得SRR15与YIG11中的铁磁共振处于耗散耦合，在耗散耦合状态确认后，可以通过调节直流磁铁17产生的磁场强度使其置于奇异点处。在系统调节到指定状态后，若存在待测直流磁场信号，则电学频谱分析仪9上可以看到单个的频率分量分裂为两个频率分量，这两个频率的差值就可以用于表征待测直流磁场信号的强度。
具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一所述的一种聚二甲基硅氧烷光学腔直流磁场传感系统的补充。伺服控制器7用于将可调谐激光器1输出的光锁定在PDMS光学腔10中某个光学模式的特定波长处。在示波器8上观测到PDMS光学腔10的透射谱后，可以选中PDMS光学腔10中特定的光学模式，再利用伺服控制器7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，伺服控制器7接收探测器5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，同时伺服控制器7可输出误差信号至示波器8用于监测锁定效果。伺服控制器7与可调谐激光器1、伺服控制器7与示波器8、伺服控制器7与探测器5之间均使用电学线缆连接。
具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一所述的一种聚二甲基硅氧烷光学腔直流磁场传感系统的补充。微波源16通过微带线13产生微波磁场，与直流磁铁17产生的直流磁场共同激发YIG11中的铁磁共振。实验中要求直流磁铁17产生直流磁场方向要垂直于微波磁场中磁场方向，从而激发铁磁共振。YIG11中的铁磁共振通过磁致伸缩效应作用到PDMS光学腔10上，使得PDMS光学腔发生形变。SRR15的结构参数保证能够与YIG11中铁磁共振耗散耦合时，通过调节直流磁铁17产生的场强，可以使其处于耗散耦合的奇异点处。当存在待测直流磁场时，PDMS光学腔10会被驱动，PDMS光学腔10内传输的光场也会被调制，通过监测输出光场导致的电学频谱分析仪9上信号的变化可以解调待测直流磁场信号的强度的变化，若存在待测直流磁场信号，则电学频谱分析仪9上可以看到单个的频率分量分裂为两个频率分量，这两个频率的差值就可以用于表征待测直流磁场信号的强度。
具体实施方式五：结合图2说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一所述的一种聚二甲基硅氧烷光学腔直流磁场传感系统的补充。其中的SRR15结构的参数设计要满足其与YIG11中产生的铁磁共振可以实现耗散耦合。其中SRR15采用铜的材料加工，并采用镂空结构，镂空部分如图2深色部分所示，具体尺寸为：a＝5mm，b＝3.8mm，c＝0.4mm，结构厚度35μm。微带线13要满足50欧姆的阻抗匹配条件，例如宽度0.57mm，长度40mm，厚度35μm。YIG厚度为25μm。介质尺寸长度为50mm、宽度为25mm、厚度为0.64mm，相对介电常数为10。多层堆叠结构的长宽尺寸可以按需选择，如长50mm宽25mm。
Claims (10)
1.一种聚二甲基硅氧烷光学腔直流磁场传感系统，其特征在于：传感系统包括可调谐激光器(1)、偏振控制器(2)、光纤锥(3)、传感单元(4)、探测器(5)、分束器(6)、伺服控制器(7)、示波器(8)、电学频谱分析仪(9)；
所述的可调谐激光器(1)输出的信号送入偏振控制器(2)输入端；偏振控制器(2)的输出端与光纤锥(3)相连；光纤锥(3)与传感单元(4)中的聚二甲基硅氧烷PDMS光学腔(10)耦合，耦合后光纤锥(3)输出信号送入探测器(5)输入端；探测器(5)输出端连接分束器(6)的输入端，分束器(6)输出的三路信号，一路送入伺服控制器(7)、一路送入示波器(8)、一路送入电学频谱分析仪(9)；伺服控制器(7)的一路输出送入示波器(8)的输入端，另一路输出送入可调谐激光器(1)的调控输入端口；伺服控制器(7)将可调谐激光器(1)的波长锁定在PDMS光学腔(10)的特定模式处；
传感单元(4)包括一个多层的传感结构、微波源(16)和直流磁铁(17)；传感结构有多层堆叠结构，结构从底端到顶部依次为开口环腔SRR(15)、介质(14)、微带线(13)、钆镓石榴石GGG(12)、钇铁石榴石YIG(11)、PDMS光学腔(10)；微带线(13)输入端与微波源(16)输出端连接，产生微波磁场，作用于位于GGG(12)基底之上的YIG(11)，微波磁场与直流磁铁(17)产生的直流磁场共同激发YIG(11)中产生铁磁共振；
可调谐激光器(1)与偏振控制器(2)、偏振控制器(2)与光纤锥(3)、光纤锥(3)与探测器(5)之间均使用光纤连接；探测器(5)与分束器(6)、分束器(6)与电学频谱分析仪(9)、分束器(6)与示波器(8)、分束器(6)与伺服控制器(7)、伺服控制器(7)与示波器(8)、伺服控制器(7)与可调谐激光器(1)、微波源(16)与微带线(13)间均使用电学线缆连接。
2.根据权利要求1所述的一种聚二甲基硅氧烷光学腔直流磁场传感系统，其特征在于，所述YIG(11)中的铁磁共振驱动上方的PDMS光学腔(10)发生形变，PDMS光学腔(10)与光纤锥(3)通过光纤锥(3)内的倏逝波耦合在一起，PDMS光学腔(10)的形变被光场探测到，经探测器(5)转换为电学信号；位于介质(14)下方的SRR(15)使得SRR(15)与YIG(11)中的铁磁共振处于耗散耦合，在耗散耦合状态确认后，通过调节直流磁铁(17)产生的磁场强度使其置于奇异点处，若存在待测直流磁场信号，则电学频谱分析仪(9)上看到单个的频率分量分裂为两个频率分量，这两个频率的差值表征待测直流磁场信号的强度。
3.根据权利要求1所述的一种聚二甲基硅氧烷光学腔直流磁场传感系统，其特征在于，所述SRR(15)结构如下：
其中SRR(15)采用镂空结构，镂空部分是开口的正方矩形环腔，矩形的外边长为5mm，内边长为3.8mm，在一边中间位置做0.4mm长的开口，获得SRR(15)与YIG(11)中铁磁共振的耗散耦合；耗散耦合状态中的奇异点选择通过调节直流磁铁的强度实现。
4.根据权利要求1所述的一种聚二甲基硅氧烷光学腔直流磁场传感系统，其特征在于：所述微带线(13)的宽度为0.57mm、长度为40mm、厚度为35μm，以便满足50欧姆的阻抗匹配条件。
5.根据权利要求1所述的一种聚二甲基硅氧烷光学腔直流磁场传感系统，其特征在于：所述YIG(11)厚度为25μm。
6.根据权利要求1所述的一种聚二甲基硅氧烷光学腔直流磁场传感系统，其特征在于：所述介质(14)尺寸长度为50mm、宽度为25mm、厚度为0.64mm，相对介电常数为10。
7.根据权利要求1所述的一种聚二甲基硅氧烷光学腔直流磁场传感系统，其特征在于：所述的可调谐激光器(1)的光波长为630nm，保证PDMS光学腔(10)内光信号的低损耗传输。
8.根据权利要求1所述的一种聚二甲基硅氧烷光学腔直流磁场传感系统，其特征在于：直流磁铁(17)产生的直流磁场方向垂直于微波源(16)通过微带线(13)产生微波磁场的方向，从而激发铁磁共振。
9.根据权利要求1所述的一种聚二甲基硅氧烷光学腔直流磁场传感系统，其特征在于：YIG(11)放置在微带线(13)产生的微波磁场的中心处，保证顺利激发铁磁共振。
10.根据权利要求1所述的一种聚二甲基硅氧烷光学腔直流磁场传感系统，其特征在于：PDMS光学腔(10)处于YIG(11)上方的几何中心，保证YIG(11)产生的力作用到PDMS光学腔(10)上。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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