CN117169793A - 光学读出的交变梯度磁强计测量系统 - Google Patents
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Abstract
公开了一种基于光学微腔与微纳悬臂梁耦合结构的磁性测量系统，在一实施例中，测量系统可包括磁场发生装置，用于产生梯度磁场；样品支架，用于放置待测样品，所述样品在所述梯度磁场作用下带动样品支架发生机械振动；光学微腔，设置在所述样品支架附近，使得所述机械振动导致所述光学微腔内的光场变化；以及计算装置，用于基于所述光场的变化确定出所述机械振动的振幅，进而得到磁性样品磁矩。本发明的测量系统可实现对微尺度磁性样品的高精度磁矩测量。
Description
技术领域
本申请总体上涉及传感领域，特别是涉及一种基于光学微腔的交变梯度磁矩测量系统。
背景技术
磁性材料是重要的基础功能材料，广泛应用于半导体、新能源汽车、医疗等产业领域。磁性测量设备是用于确定磁性材料应用价值的基础性设备，目前常用的磁性测量设备主要包括振动样品磁强计(VSM)、超导量子干涉仪(SQUID)、交变梯度磁强计(AGM)等。VSM结构相对简单，但一般适用于块状固体测量，对于薄膜类或微尺度样品的测量，灵敏度不足。SQUID灵敏度较高，但其组件需要液氦制冷从而达到超导状态进行测量，因此造价及维护成本高，一般只应用于科研探索中。相比而言，AGM在兼顾灵敏度的同时，又可用于微尺度样品的测量，且不需要低温环境，因此在微尺度物质磁性测量方面具有显著优势。
然而，传统利用压电晶体等AGM的检测方法容易受到机械结构及环境扰动的影响，因此制约了其灵敏度的进一步提高。
发明内容
针对上述问题，提出了本申请。本申请的实施例提供一种基于光学微腔的交变梯度磁性测量系统，其可以实现对微尺度磁性样品的高精度磁矩测量。
根据一示例性实施例，提供一种测量系统，包括：磁场发生装置，用于产生梯度磁场；样品支架，用于放置待测样品，所述样品在所述梯度磁场作用下带动样品支架发生机械振动；光学微腔，设置在所述样品支架附近，使得所述机械振动导致所述光学微腔内的光场变化；以及计算装置，用于基于所述光场的变化确定出所述机械振动的振幅，进而推算出待测样品的磁矩。
在一些实施例中，所述磁场发生装置包括内嵌在电路板中的两个平行放置的梯度磁场线圈，所述样品支架设置在两个梯度磁场线圈之间。
在一些实施例中，所述样品支架放置待测样品的部位位于所述两个梯度磁场线圈的中心连线上。
在一些实施例中，所述样品支架为悬臂梁机械振子，所述悬臂梁的一端固定在硅片基底上，所述悬臂梁的另一端通过刻蚀硅片基底实现悬空，用于放置和固定所述待测样品。
在一些实施例中，所述悬臂梁的长度为80-120微米，宽度为5-20微米，厚度为0.5-2微米。
在一些实施例中，测量系统还包括：耦合结构，与所述样品支架连接并与所述光学微腔相邻，用于耦合所述光学微腔与所述悬臂梁。
在一些实施例中，所述耦合结构环绕所述光学微腔的外周缘的至少1/3部分。
在一些实施例中，所述耦合结构与所述光学微腔外周缘之间的间距为100-900nm，优选地，所述耦合结构与所述光学微腔外周缘之间的间距为200-400nm。
在一些实施例中，测量系统还包括：激光发生装置，用于产生相位可调制激光；光纤，用于传输所述激光，所述光纤靠近所述光学微腔的部分为中间烧熔拉细的光纤锥以将所述激光耦合进与耦合出所述光学微腔；以及光电探测器，用于将从所述光纤锥输出的光信号转换为电信号；以及相位检测器，用于接收所述电信号并确定所述光信号的相位，所述光场的变化与所述相位的变化相关联。
在一些实施例中，所述相位检测器为锁相放大器。
在一些实施例中，测量系统还包括功率放大器，用于对输入所述磁场发生装置的电流进行放大。
在一些实施例中，所述计算装置利用所述样品支架机械振动的振幅与受力的关系，确定出所述待测样品的磁矩。
基于一些实施方式，本申请的磁性测量系统采用了交变梯度磁场驱动悬臂梁机械振子振动，其机械振动通过光学微腔来读出，利用悬臂梁机械共振效应来增强信号，并利用微腔的光学共振效应来显著提高对机械振子振动的测量灵敏度，从而实现对微尺度样品磁矩的高精度测量。
本申请的上述与其他特征和优点将从下面结合附图对示例性实施例进行描述，从而更加直观的阐释其工作原理。需要注意的是，举例的实施例不一定可以实现所有这些优点。因此，本发明可以以实现或优化如本文所教导的一个优点或一组优点的方式来体现或执行，而不必实现如本文所教导或建议的其他优点。
附图说明
图1示出根据本申请一实施例的磁性测量系统的结构示意图；
图2示出根据本申请一实施例的磁性测量系统的部分结构示意图；
图3示出根据本申请一实施例的磁性测量系统的悬臂梁结构及原理示意图；
图4示出根据本申请一实施例的磁性测量系统的整体结构示意图；
图5示出根据本申请一实施例的磁性测量系统的激光传输结构示意图。
具体实施方式
下面参照附图描述本申请的示例性实施例。在附图中，相同的参考标号通常代表相同的部件。应理解，附图中显示的部件的尺寸和大小不一定是按真实比例绘制的，它们可与这里显示的用于实施的实施例中的不同。此外，一些实施例可以结合来自两个或更多个附图的特征的任何合适组合。
图1示出根据本申请一实施例的磁性测量系统的整体结构示意图。如图1所示，测量系统主要包括以下部分：磁场发生装置110，其用于产生梯度磁场；样品支架120，其用于放置待测样品，所述样品在所述梯度磁场作用下可带动样品支架发生机械振动；光学微腔130，其设置在所述样品支架120附近，使得所述机械振动导致所述光学微腔130内的光场发生变化；以及计算装置140，其配置为基于所述光场的变化确定出所述机械振动的振幅，进而推算出待测样品的磁矩。
在一实施例中，该测量装置可实施为交变梯度磁强计(AGM)，待测样品在磁场发生装置110产生的交变梯度磁场中受到交变的外力，从而带动样品支架120发生机械振动，即样品支架和待测样品共同组成了机械振子，该机械振子的振动信号可通过与其耦合的光学微腔130转化为光场信号，计算装置140可接收与光场变化相关的信号，并基于所述光场的变化计算得到所述机械振动的振幅(即待测样品的位移)。进而，计算装置140可结合样品支架120的振幅与受力的关系，确定出待测样品的磁矩。本实施例的主要构思在于利用梯度磁场和悬臂梁机械振子来实现AGM，并利用光学微腔130和机械振子的光力耦合体系来实现对机械振子振动的测量，借助于微腔光力系统的机械共振效应增强的响应和光学共振效应增强的读出灵敏度来实现对微尺度磁性样品的高精度磁矩测量。
以下对磁性测量系统的具体结构进行描述，图2示出了根据本申请一实施例的磁性测量系统中的磁场发生装置110、样品支架120和光学微腔130等部件的结构示意图。
如图2所示，磁场发生装置110可包括两个梯度磁场线圈112、114，样品支架120设置在该两个梯度磁场线圈之间。例如，样品支架120放置待测样品的部位位于所述两个梯度线圈的中心的连线上。信号发生器(未示出)输出一定频率的激励交流信号通过这两只或多只成对线圈可以使线圈产生梯度磁场。该线圈组合仅仅引入交变梯度磁场，但在被测磁矩分量方向上，引入的磁场强度接近零，从而不给被测磁矩带来偏差。例如，通过施加与机械振子共振频率处的交流梯度磁场，可使得待测样品在梯度磁场中受到周期性外力，从而驱动机械振子发生共振。
在一实施例中，梯度线圈112、114可内嵌在电路板200中，而样品支架120也可连同硅片基底安装固定在电路板200上，如此，梯度磁场线圈可以与振动模块一体化，这可提高测量系统的稳定性。电路板200可采用常规的PCB板式，其可进行覆铜设计来传导电流等信号。在本实施例中，电路板200可制备成两端厚而中间较薄的形状，梯度磁场线圈112、114分别内嵌在电路板200的两端部分，其外径为5-20mm，梯度线圈的高度可与电路板的厚度相同，例如2-5mm。电路板200中间较薄部分形成内凹平台，带有样品支架120的硅片可固定在该平台上使得待测样品位于两个梯度磁场线圈的中心连线上，此处具有最大的磁场梯度。如图2所示，可以在硅片上设计微型桥结构，将光纤300搭在微型桥上，使得光纤300可与微腔稳定耦合，这可提升测量系统的可靠性和稳定性，其具体功能将在后面进行具体描述。
在一实施例中，样品支架120为悬臂梁结构，其一端固定在硅片基底上，悬臂梁的另一端通过刻蚀硅片基底实现悬空，用于放置和固定待测样品。在实际测量过程中，可将待测样品(例如，磁性纳米颗粒)转移至悬臂梁末端的放置台上，待测样品和悬臂梁构成机械振子，其可在交变梯度磁场中受到周期性外力而发生周期性的机械振动。
悬臂梁可具有微米级尺寸，如此可用于纳米或微米级样品的磁性测量。在一示例中，悬臂梁的长度可为80-120微米，宽度为5-20微米，厚度为0.5-2微米，其有效质量约为10-12kg。样品支架的材料可为SiO2，其悬臂梁结构可通过电子束曝光结合刻蚀工艺而得到。
光学微腔130邻近样品支架120设置，回音壁模式光学微腔通过连续全内反射可将光子长时间局域在较小的空间尺度上，从而具有高光学品质因子。回音壁模式光学微腔130与处于其倏逝场中的悬臂梁120机械振子相互耦合形成微腔光力系统，悬臂梁120的机械位移可以引起光学微腔130的透射光场的相位变化，从而可通过光信号将机械振动信号读出。由于悬臂梁支持机械模式，且光学微腔支持光学模式，本实施例通过光力体系不仅可增强机械振子对外界梯度磁场信号的响应，同时外部磁场梯度信号激励机械振子产生的位移信号可以被近场耦合的光学微腔敏感读出，因此能够实现高灵敏度磁矩测量。
在一实施例中，光学微腔130可具有微球腔、微泡腔、微盘腔、微芯圆环腔、集成微环腔等结构形式。优选地，光学微腔130可具用微盘腔结构并采用对通讯波段透明的SiO2制备得到，例如微盘腔可以通过电子束曝光与刻蚀等工艺进行制备得到。
光学微腔130同时可与光纤锥300耦合，光纤锥300中的光场可通过倏逝场耦合进入回音壁模式光学微腔130。如前描述，悬臂梁120的周期振动可通过近场耦合使得微腔内的光场发生变化，从而导致光学微腔的透射光光功率、相位等发生变化，通过检测透射光的相位等变化便可计算得到悬臂梁120的振动幅度(位移)，进而确定出待测样品的磁矩。
图3示出根据本申请一实施例的磁性测量系统的悬臂梁结构及原理示意图。如图3所示，样品支架120和光学微腔130(微盘腔)邻近设置，样品支架120具有悬臂梁结构，其一端固定在硅片基底上，另一端放置有待测样品，该待测样品例如磁性微球或薄膜等，可通过可控转移方法固定于悬臂梁的末端平台上。
如前描述，样品支架120的悬臂梁结构和光学微腔130均可通过电子束曝光和刻蚀工艺获得。在一实施例中，可利用刻蚀工艺来整体制备得到该光学微腔-悬臂梁机械振子耦合结构，例如，制备流程可包括：通过电子束曝光(EBL)定义耦合结构的图形、通过电感耦合等离子体(ICP)刻蚀将图形从电子束曝光胶上转移至二氧化硅上，从而得到悬臂梁与微盘腔耦合结构，再通过氟化氙刻蚀衬底Si，如此得到单端悬浮的悬臂梁与悬浮的微盘腔耦合结构。
在一实施例中，为了增强光学微腔和悬臂梁机械振子之间的光力耦合强度，两者之间可设置有耦合结构122。耦合结构122与样品支架120的悬臂梁连接并与光学微腔130邻接，用于耦合所述光学微腔与悬臂梁机械振子。
耦合结构122可具有微叉形状，其环绕所述光学微腔的外周缘的至少1/3部分，并且处于微盘腔的倏逝场区域，例如，微叉结构围绕微腔130的外周缘的1/3-1/2而延伸。为了提高光力耦合强度，耦合结构122与光学微腔300外周缘之间的间距可为100-900nm，例如200-500nm。
以下参照图3对本申请测量系统的工作原理进行描述，回音壁模式微盘腔130与该机械振子通过微叉结构122实现光力耦合，微叉处于微盘腔130的倏逝场区域。将待测的磁性样品(假设其磁矩沿x方向，磁矩为m)放置于悬臂梁机械振子上，并施加x方向磁场在z方向的梯度(dBx/dz)。待测样品的磁矩在梯度磁场中受到z方向的力，受力大小为：
另外，该力Fz也可通过悬臂梁的振动位移和其材料属性(振动频率、杨氏模量等)确定得到，因此在确定出悬臂梁的振动位移后便能通过上式计算出样品的磁矩m。
例如，如果对磁性样品施加交变的梯度磁场，则机械振子在交变的磁力作用下在z方向发生周期性的机械振动。该机械振动可以通过近场耦合影响光学微腔130内的光场，振动位移与光场变化(例如相位、光功率等)相关联，因此可通过测量光学微腔透射光场的相位变化确定出悬臂梁机械振子的振动位移，从而实现对磁性样品磁矩的高精度测量。
图4示出根据本申请一具体实施例的磁性测量系统的结构示意图，其包括梯度磁场线圈110、悬臂梁120、光学微腔130，这些器件或结构的布置和功能与图1-2所示的相同，此处不再赘述。
如图4所示，测量系统还包括激光发生装置150，例如光纤激光器，其可用于产生相位可调制激光。该激光可通过光纤300来传输，光纤300可采用对通讯波段透明的SiO2制备，并且，光纤300靠近所述光学微腔130的部分为中间烧熔拉细的光纤锥以将激光耦合进回音壁模式的光学微腔。
光纤的输出端可连接设置有光电探测器160，其可用于将通过光纤锥的光信号转换为电信号。光纤锥中的光场通过倏逝场耦合的方式进入微腔内，当悬臂梁在磁性样品受到梯度磁场驱动发生机械振动时，光学微腔内的光场信号相位发生变化，进而使得光学微腔的透射光场的相位发生变化，该透射光通过光纤锥耦合输出至光电探测器160。
光学探测器160可连接有相位检测器170，其可用于接收探测器160的电信号并确定光信号的相位，由于微腔130内的光场可感受到悬臂梁的振动而发生变化，因此该检测相位与激光的初始相位存在相位差。具体而言，光纤锥通过倏逝场将激光耦合进入光学微腔的回音壁模式，从光纤锥耦合进微腔的光满足谐振条件，即光在腔内传播一圈的有效光程等于波长整数倍。当悬臂梁振动时，局部光程将发生改变，从而使得光学微腔的透射光场具有相位变化。在悬臂梁振动的振幅为百皮米量级时，振动幅度Δx所引起的光程差ΔX与振幅Δx呈线性关系，由于光程差与相位差相关，由此，相位差也跟振动幅度Δx呈线性关系。
相位检测器170可为锁相放大器，其可用于将接收电信号并确定该电信号的相位(即光信号的相位)，其输出信号可通过通讯方式传输至计算装置140。该计算装置140可基于接收的信号确定出相位差，进而计算获得悬臂梁的振动位移以及待测样品的磁矩，具体的计算方式前面已经具体描述，此处不再赘述。
在一实施例中，计算装置140可集成于上位机中，例如具有数据运算和处理能力的单片机、处理器等，其可以根据预先输入的参数来执行上述运算从而实现对样品的磁性测量。另外，计算装置140还可作为控制器，用于调谐激光器150的相位、波长等参数，从而提高测量系统的适用性。
在一实施例中，测量系统还可包括功率放大器180，其用于对输入所述磁场发生装置的电流进行放大，从而可对磁场梯度进行调节，进一步提高测量系统的适用性。
图5示出根据本申请一实施例的磁性测量系统的激光传输结构示意图。如图所示，相位可调制激光器150通过可调衰减器152来调节光功率，再通过光纤偏振控制器154调节光的偏振状态，之后通过光纤锥耦合进光学微腔130的回音壁模式，再由光电探测器(PD)160来探测透过光纤锥的光信号并将其转化为电信号，其中各部件可通过光纤连接。结合图4，在检测过程中，将待测样品通过转移法放置于悬臂梁上，施加交变梯度磁场，样品在交变梯度磁场中受到周期性外力而发生机械振动，通过锁相放大器170检测出上述光信号的相位，计算装置140可通过相位差计算出悬臂梁振动位移，再基于悬臂梁的振动位移和受力的关系计算出该样品的磁矩。
以上通过相位检测的方式对本申请的测量系统及其原理进行了介绍，需要指出的是，本申请不限于此，例如，还可通过检测光场的其他变化(例如光功率等)来确定出待测样品的磁矩，其也在本申请的保护范围内。
此外，以上利用光纤锥耦合的SiO2微盘腔对本申请的测量系统及其原理进行了介绍，需要指出的是，本申请不限于此，例如，还可利用片上波导耦合的氮化硅(Si3N4)微腔与悬臂梁耦合体系来实现对微尺度样品的磁矩测量，其也在本申请的保护范围内。
以上结合具体实施例描述了本申请的基本原理，但是，需要指出的是，在本申请中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本申请的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。
本文中，诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。这里所使用的词汇“诸如”指词组“诸如但不限于”，且可与其互换使用。
还需要指出的是，在本申请的装置、设备和方法中，各部件或各步骤是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本申请的等效方案。
提供所公开的方面的以上描述以使本领域的任何技术人员能够做出或者使用本申请。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言是非常显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用于其他方面而不脱离本申请的范围。因此，本申请不意图被限制到在此示出的方面，而是按照与在此公开的原理和新颖的特征一致的最宽范围。
为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本申请的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。
Claims (10)
1.一种光学读出的交变梯度磁强计测量系统，其特征在于包括：
磁场发生装置，用于产生梯度磁场；
样品支架，用于放置待测样品，所述样品在所述梯度磁场作用下带动样品支架发生机械振动；
光学微腔，设置在所述样品支架附近，使得所述机械振动导致所述光学微腔内的光场变化；以及
计算装置，配置为基于所述光场的变化确定出所述机械振动的振幅，进而得到所述样品的磁矩。
2.根据权利要求1所述的测量系统，其中，所述磁场发生装置包括内嵌在电路板中的两个平行放置的梯度磁场线圈，所述样品支架设置在两个梯度磁场线圈之间。
3.根据权利要求1或2所述的测量系统，其中，所述样品支架为悬臂梁机械振子，所述悬臂梁的一端固定，所述悬臂梁的另一端用于放置和固定所述待测样品。
4.根据权利要求3所述的测量系统，其中，所述悬臂梁的长度为80-120微米，宽度为5-20微米，厚度为0.5-2微米。
5.根据权利要求1所述的测量系统，还包括：
耦合结构，与所述样品支架连接并与所述光学微腔相邻，用于耦合所述光学微腔与所述悬臂梁。
6.根据权利要求5所述的测量系统，其中，所述耦合结构环绕所述光学微腔的外周缘的至少1/3部分。
7.根据权利要求5或6所述的测量系统，其中，所述耦合结构与所述光学微腔外周缘之间的间距为100nm-900nm。
8.根据权利要求1所述的测量系统，还包括：
激光发生装置，用于产生相位可调制激光；
光纤，用于传输所述激光，所述光纤靠近所述光学微腔的部分为光纤锥，以将所述激光耦合进所述光学微腔；以及
光电探测器，用于将从所述光纤锥输出的光信号转换为电信号；以及
相位检测器，用于接收所述电信号并确定所述光信号的相位，所述光场的变化与所述相位的变化相关联。
9.根据权利要求8所述的测量系统，其中，所述相位检测器为锁相放大器。
10.根据权利要求1所述的测量系统，其中，所述计算装置利用所述样品支架机械振动的振幅与受力的关系，确定出所述待测样品的磁矩。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311239175.3A CN117169793A (zh) | 2023-09-25 | 2023-09-25 | 光学读出的交变梯度磁强计测量系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311239175.3A CN117169793A (zh) | 2023-09-25 | 2023-09-25 | 光学读出的交变梯度磁强计测量系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117169793A true CN117169793A (zh) | 2023-12-05 |
Family
ID=88941244
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311239175.3A Pending CN117169793A (zh) | 2023-09-25 | 2023-09-25 | 光学读出的交变梯度磁强计测量系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117169793A (zh) |
-
2023
- 2023-09-25 CN CN202311239175.3A patent/CN117169793A/zh active Pending
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