RU2638918C1 - Sensor of magnetic field based on brillouin scattering - Google Patents
Sensor of magnetic field based on brillouin scattering Download PDFInfo
- Publication number
- RU2638918C1 RU2638918C1 RU2016145332A RU2016145332A RU2638918C1 RU 2638918 C1 RU2638918 C1 RU 2638918C1 RU 2016145332 A RU2016145332 A RU 2016145332A RU 2016145332 A RU2016145332 A RU 2016145332A RU 2638918 C1 RU2638918 C1 RU 2638918C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- film
- magnetic field
- optical
- garnet
- magneto
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
- G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
- G01R33/032—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using magneto-optic devices, e.g. Faraday or Cotton-Mouton effect
Landscapes
- Measuring Magnetic Variables (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике, а именно к оптическим магнитометрам, и может быть использовано для измерения слабых магнитных полей в науке и технике, включая, например, биологию, медицину, неразрушающий микроконтроль, низкочастотную связь и т.д.The invention relates to measuring equipment, namely to optical magnetometers, and can be used to measure weak magnetic fields in science and technology, including, for example, biology, medicine, non-destructive microcontrol, low-frequency communication, etc.
Описано большое число магнитооптических сенсоров магнитного поля на основе тонких пленок ферромагнитных материалов. Так, в патенте US 8519323 (B2) -ELECTRIC FIELD/MAGNETIC FIELD SENSORS AND METHODS OF FABRICATING THE SAME, NAKADA MASAFUMI и др., 27.08.2013, описан оптоволоконный сенсор, в котором слой магниточувствительной среды железо-иттриевого граната (ЖИГ) образован непосредственно на конце световода. Отмечается необходимость выполнения соотношения между параметрами магнитооптической среды и параметрами волокна. Однако такой сенсор, использующий классический метод поляризационных измерений, недостаточно чувствителен при измерении слабых магнитных полей. Из-за малости возмущения поляризации отраженного лазерного излучения интенсивность света, прошедшего анализатор и падающего на фотоприемник, изменяется весьма слабо под воздействием измеряемого магнитного поля. В результате этого возникает задача измерения малых изменений интенсивности света на фоне оптического шума, неизбежно присутствующего в лазерном излучении. Еще одним недостатком данной схемы является отсутствие в схеме системы калибровки фотодетектора или балансной схемы измерения, что приводит к дополнительному снижению чувствительности фотодетектора при измерении низкочастотных магнитных полей.A large number of magneto-optical magnetic field sensors based on thin films of ferromagnetic materials are described. So, in patent US 8519323 (B2) -ELECTRIC FIELD / MAGNETIC FIELD SENSORS AND METHODS OF FABRICATING THE SAME, NAKADA MASAFUMI et al., 08/27/2013, a fiber-optic sensor is described in which a layer of magnetically sensitive medium of yttrium iron garnet directly at the end of the fiber. The necessity of fulfilling the relation between the parameters of the magneto-optical medium and the parameters of the fiber is noted. However, such a sensor using the classical method of polarization measurements is not sensitive enough to measure weak magnetic fields. Due to the small perturbation of the polarization of the reflected laser radiation, the intensity of the light transmitted through the analyzer and incident on the photodetector changes very weakly under the influence of the measured magnetic field. As a result of this, the problem arises of measuring small changes in the intensity of light against the background of optical noise inevitably present in laser radiation. Another disadvantage of this scheme is the lack of a photodetector calibration system or a balanced measurement scheme in the circuit, which leads to an additional decrease in the sensitivity of the photodetector when measuring low-frequency magnetic fields.
В патенте US 4563646 (А) - Optical magnetometer using a laser coupled to a magneto-optical medium, THOMSON CSF, 07.01.1986, описан оптический магнитометр для измерения компоненты магнитного поля с помощью эффекта Фарадея. Полупроводниковый лазер испускает два лазерных луча, которые направлены от противоположных граней лазера в противоположных направлениях вдоль двух волоконно-оптических кабелей. В этом оптическом магнитометре реализуется метод, основанный на интерференции оптического излучения в резонаторе лазера, однако оптические шумы лазера в данной системе не фильтруются и не подавляются, что явится существенным ограничением чувствительности сенсора. Использование внешнего волоконного резонатора, связанного с резонатором лазера, может привести к дополнительным шумам, возникающим из-за воздействия на волокно внешних факторов.US 4,563,646 (A) - Optical magnetometer using a laser coupled to a magneto-optical medium, THOMSON CSF, 1/7/1986, describes an optical magnetometer for measuring the magnetic field component using the Faraday effect. A semiconductor laser emits two laser beams that are directed from opposite laser faces in opposite directions along two fiber optic cables. This optical magnetometer implements a method based on the interference of optical radiation in the laser cavity, however, the laser optical noise in this system is not filtered and not suppressed, which will be a significant limitation of the sensor sensitivity. The use of an external fiber resonator coupled to the laser cavity can lead to additional noise due to external factors acting on the fiber.
В патенте ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО (RU 2429498 C2, ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ", 20.09.2011) описано устройство для измерения импульсного тока и напряженности магнитного поля. Устройство содержит источник (одномодовый полупроводниковый лазер), подводящее оптоволокно, магнитооптический датчик, выводящее оптоволокно и регистратор. Магнитооптический датчик содержит последовательно соединенные коннектор, один виток, охватывающий токопровод, и адаптер. Виток магнитооптического датчика выполнен из одномодового оптоволокна с одной постоянной Верде. Технический результат - расширение функциональных возможностей, диапазона измеряемых токов и напряженности магнитного поля, уменьшение погрешности измерений тока. Данное устройство отличается простотой и универсальностью, однако оно рассчитано на дистанционное измерение магнитных полей чрезвычайно высокой напряженности (до 1 кТл) и не может применяться для измерения полей менее 1 мТл.The patent FIBER-OPTICAL MEASURING DEVICE (RU 2429498 C2, FSUE RFNC-VNIIEF, September 20, 2011) describes a device for measuring the pulse current and magnetic field strength. The device comprises a source (single-mode semiconductor laser), an optical fiber supply, a magneto-optical sensor, an optical fiber output and a recorder. The magneto-optical sensor contains a series-connected connector, one coil covering the current lead, and an adapter. The coil of the magneto-optical sensor is made of single-mode fiber with one Verde constant. The technical result is the expansion of functionality, the range of measured currents and magnetic field strength, reducing the error of current measurements. This device is simple and versatile, but it is designed for remote measurement of magnetic fields of extremely high intensity (up to 1 kT) and cannot be used to measure fields of less than 1 mT.
В изобретении «MAGNETIC FIELD SENSOR WITH OPTICALLY SENSITIVE DEVICE AND METHOD FOR MEASURING A MAGNETIC FIELD» (US 8125644 (B2), CROWE; RAYTHEON COMPANY, 28.02.2012) описано оптически чувствительное устройство с материалом, который изменяет размеры в ответ на изменение магнитного поля. Магниточувствительный элемент помещен в оптический резонатор с высокой добротностью. Резонанс приводит к усилению магнитооптического эффекта и, следовательно, чувствительности пропорционально добротности резонатора. Недостаток данной схемы состоит в том, что магниточувствительный элемент вносит потери в резонатор, снижая при этом добротность, ухудшая соотношение сигнал/шум.The invention “MAGNETIC FIELD SENSOR WITH OPTICALLY SENSITIVE DEVICE AND METHOD FOR MEASURING A MAGNETIC FIELD” (US 8125644 (B2), CROWE; RAYTHEON COMPANY, 02.28.2012) describes an optically sensitive device with a material that changes size in response to a change in the magnetic field . The magnetosensitive element is placed in the optical resonator with high quality factor. Resonance leads to an increase in the magneto-optical effect and, therefore, sensitivity is proportional to the quality factor of the resonator. The disadvantage of this scheme is that the magnetically sensitive element introduces losses into the resonator, while reducing the quality factor, worsening the signal-to-noise ratio.
Известен оптоволоконный сенсор магнитометра на эффекте Фарадея (US 7106919 (B2) - Magneto-optical sensing employing phase-shifted transmission bragg gratings, Kochergin V., и др., 12.09.2006). В конструкции используется волоконный магнитооптический модулятор фазы и планарные брэгговские решетки, которые образуют резонатор Фабри-Перо вокруг области фазовой модуляции. Если длина волны падающего света совпадает с модой резонатора Фабри-Перро, то эффект поворота поляризации в волокне под действием магнитного поля будет существенно усилен.Known fiber optic sensor magnetometer based on the Faraday effect (US 7106919 (B2) - Magneto-optical sensing employing phase-shifted transmission bragg gratings, Kochergin V., etc., 09/12/2006). The design uses a fiber magneto-optical phase modulator and planar Bragg gratings, which form a Fabry-Perot resonator around the phase modulation region. If the wavelength of the incident light coincides with the mode of the Fabry-Perrot resonator, then the effect of rotation of the polarization in the fiber under the influence of a magnetic field will be significantly enhanced.
В этом устройстве интерферометр Фабри-Перо использован для усиления магнитооптического эффекта за счет многократного прохождения света через пленку, однако при этом оптические шумы лазера не подавляются, а остаются на прежнем уровне. Поглощение в магниточувствительном слое будет ограничивающим фактором данного усиления. Аналогичный эффект можно было бы получить, если использовать вместо интерферометра магниточувствительный элемент большей толщины.In this device, the Fabry-Perot interferometer is used to enhance the magneto-optical effect due to the multiple passage of light through the film, however, the optical noise of the laser is not suppressed, but remains at the same level. Absorption in the magnetically sensitive layer will be the limiting factor of this gain. A similar effect could be obtained if a magnetosensitive element of a larger thickness were used instead of an interferometer.
Наиболее близким по назначению является сенсор, описанный в патенте US 8000767 (B2) - Magneto-optical apparatus and method for the spatially-resolved detection of weak magnetic fields, EDEN JG; GAO JU; BOARD OF TRUSTEES OF THE UNIVERSITY OF ILLINOIS, 16.08.2011. Магнитоплазмонный сенсор магнитного поля содержит магнитооптическую ячейку с пленкой ЖИГ и модуляционной обмоткой, подключенной к генератору электрического сигнала, оптический тракт системы регистрации, включающий узкополосный одномодовый лазер, фотоприемник, подключенный к компьютерной системе регистрации. Магнитное поле субъекта определяется путем измерения угла поворота плоскости поляризации света, отраженного от пленки ЖИГ, легированного висмутом, толщиной несколько микрон. Сенсор на основе магнитооптического эффекта Керра использует область перехода между двумя состояниями намагниченности магнитооптической пленки для обнаружения магнитных полей менее 100 пТл.The closest to the purpose is the sensor described in US patent 8000767 (B2) - Magneto-optical apparatus and method for the spatially-resolved detection of weak magnetic fields, EDEN JG; GAO JU; BOARD OF TRUSTEES OF THE UNIVERSITY OF ILLINOIS, 08.16.2011. The magnetoplasmonic magnetic field sensor contains a magneto-optical cell with a YIG film and a modulation winding connected to an electric signal generator, an optical path of the registration system, including a narrow-band single-mode laser, a photodetector connected to a computer registration system. The magnetic field of the subject is determined by measuring the angle of rotation of the plane of polarization of light reflected from the YIG film doped with bismuth, a few microns thick. A sensor based on the magneto-optical Kerr effect uses the transition region between two magnetization states of a magneto-optical film to detect magnetic fields of less than 100 pT.
Недостаток устройства состоит в том, что измерение проводится поляризационным методом, поэтому к полезному сигналу добавляется оптический шум лазерного излучения без ослабления. Более того, используемый в данном устройстве метод модуляции намагниченности приводит к ограничениям рабочего диапазона частот сверху величиной около 1 кГц.The disadvantage of this device is that the measurement is carried out by the polarization method, therefore, optical noise of laser radiation is added to the useful signal without attenuation. Moreover, the magnetization modulation method used in this device leads to limitations of the upper frequency range of about 1 kHz.
Настоящее изобретение направлено на решение проблемы повышения чувствительности магнитооптического сенсора магнитного поля.The present invention is directed to solving the problem of increasing the sensitivity of a magneto-optical magnetic field sensor.
Патентуемый сенсор магнитного поля содержит магнитооптическую ячейку с монокристаллической пленкой феррита-граната на немагнитной подложке и модуляционной катушкой, подключенной к генератору сигнала, оптический тракт системы регистрации, включающий узкополосный одномодовый лазер, фотоприемник, связанный с компьютерной системой регистрации.The patented magnetic field sensor contains a magneto-optical cell with a single-crystal film of ferrite garnet on a non-magnetic substrate and a modulation coil connected to a signal generator, an optical path of the registration system, including a narrow-band single-mode laser, a photodetector connected to a computer registration system.
Отличие состоит в следующем.The difference is as follows.
В устройство дополнительно введены первый и второй интерферометры Фабри-Перо, размещенные вдоль общей оптической оси, магнитооптическая ячейка с пленкой феррита-граната размещена между упомянутыми интерферометрами Фабри-Перо.The first and second Fabry-Perot interferometers placed along a common optical axis are additionally introduced into the device, a magneto-optical cell with a garnet-ferrite film is placed between the Fabry-Perot interferometers.
Модуляционная катушка содержит четыре плоских обмотки с образованием двух ортогональных пар, причем подложка с пленкой феррита-граната расположена внутри упомянутой катушки с обеспечением модуляции намагниченности вращающимся магнитным полем в плоскости пленки, а упомянутые плоские обмотки установлены так, что центральная часть пленки открыта общей оптической оси.The modulation coil contains four flat windings with the formation of two orthogonal pairs, the substrate with a garnet-ferrite film being located inside the said coil providing modulation of magnetization by a rotating magnetic field in the film plane, and the said flat windings are installed so that the central part of the film is open to a common optical axis.
Использован генератор гармонического сигнала в диапазоне частот 107-109 Гц, а система регистрации выполнена с возможностью выделения на выходе фотоприемника гармоник, кратных частоте упомянутого генератора, амплитуда которых пропорциональна величине регистрируемого постоянного магнитного поля.A harmonic signal generator was used in the frequency range 10 7 -10 9 Hz, and the registration system is configured to extract harmonics that are multiples of the frequency of the said generator at the output of the photodetector, whose amplitude is proportional to the magnitude of the recorded constant magnetic field.
Сенсор может характеризоваться тем, что монокристаллическая пленка феррита-граната с ориентацией (111) образована методом жидкофазной эпитаксии на монокристаллической подложке гадолиний-галлиевого граната и имеет толщину 0,5-2,0 мкм и диаметр 1-5 мм, а также тем, что монокристаллическая пленка феррита-граната имеет состав Re3-xBix Fe5-y, MeyO12, где Re - редкоземельный элемент, Me - ион, замещающий железо; 0<x<2; 0.3<y<0.7.The sensor can be characterized in that the single-crystal film of ferrite garnet with the (111) orientation is formed by liquid-phase epitaxy on a single-crystal gadolinium-gallium garnet substrate and has a thickness of 0.5-2.0 μm and a diameter of 1-5 mm, as well as the fact that a single-crystal film of ferrite garnet has the composition Re 3-x Bi x Fe 5-y , Me y O 12 , where Re is a rare-earth element, Me is an ion replacing iron; 0 <x <2; 0.3 <y <0.7.
Сенсор может характеризоваться и тем, что монокристаллическая пленка феррита-граната имеет состав (BiGd)3(FeSc)5O12, а также тем, что расстояние между обмотками в каждой паре выбрано меньшим или равным половине ширины обмотки с образованием зазора для прохождения излучения, не превышающего 0,5 мм.The sensor can be characterized by the fact that the single-crystal film of ferrite garnet has the composition (BiGd) 3 (FeSc) 5 O 12 , and also by the fact that the distance between the windings in each pair is chosen to be less than or equal to half the width of the winding with the formation of a gap for the passage of radiation, not exceeding 0.5 mm.
Сенсор может характеризоваться, кроме того, и тем, что края периферийной части пленки феррита-граната от центра к периферии скруглены так, что в сечении имеют форму, близкую к образующей половины эллипса.The sensor can be characterized, in addition, by the fact that the edges of the peripheral part of the ferrite garnet film from the center to the periphery are rounded so that they have a shape close to the generatrix of the ellipse in cross section.
Сенсор может характеризоваться и тем, что на поверхности монокристаллической пленки феррита-граната образована решетка из слоя металла и/или диэлектрика с шириной щелей, составляющей от 0,1 до 0,4 от периода решетки, а кроме того, тем, что диапазон частот модуляции намагниченности вращающимся магнитным полем в плоскости пленки составляет от 50 до 300 МГц.The sensor can also be characterized by the fact that a lattice of a metal and / or dielectric layer with a slit width of 0.1 to 0.4 of the lattice period is formed on the surface of a single-crystal ferrite garnet film, and in addition, the modulation frequency range magnetization by a rotating magnetic field in the plane of the film is from 50 to 300 MHz.
Технический результат - повышение чувствительности сенсора за счет избирательного подавления оптических шумов в интерферометре и возможности использования пространственной фильтрации полезного сигнала, что позволяет резко повысить отношение сигнал/шум.The technical result is an increase in the sensitivity of the sensor due to the selective suppression of optical noise in the interferometer and the possibility of using spatial filtering of the useful signal, which can dramatically increase the signal-to-noise ratio.
В основе изобретения лежат собственные экспериментальные исследования, описанные, в частности, в публикациях П.М. Ветошко, А.К. Звездин, В.А. Скиданов, И.И. Сыворотка, И.М. Сыворотка, В.И. Белотелов. Влияние профиля дискового магнитного элемента на поле насыщения и шум магнитомодуляционного сенсора магнитного поля / Письма в ЖТФ, 2015, том 41, вып. 9, стр. 103-110; а также П.М. Ветошко, Н.А. Гусев, Д.А. Чепурнова, Е.В. Самойлова, И.И. Сыворотка, И.М. Сыворотка, А.К. Звездин, А.А. Коротаева, В.И. Белотелов. Измерения магнитокардиограмм крыс с помощью магнитомодуляционного сенсора магнитного поля на базе пленок феррита-граната / Письма в ЖТФ, 2016, том 42, вып. 16, стр. 64-71.The invention is based on its own experimental studies, described, in particular, in the publications of P.M. Vetoshko, A.K. Zvezdin, V.A. Skidanov, I.I. Serum, I.M. Serum, V.I. Belotelov. Influence of the profile of a disk magnetic element on the saturation field and the noise of a magnetomodulating magnetic field sensor / Letters in ZhTF, 2015, Volume 41, no. 9, pp. 103-110; as well as P.M. Vetoshko, N.A. Gusev, D.A. Chepurnova, E.V. Samoilova, I.I. Serum, I.M. Serum, A.K. Zvezdin, A.A. Korotaeva, V.I. Belotelov. Measurements of rat magnetocardiograms using a magnetomodulating magnetic field sensor based on ferrite garnet films / Letters in ZhTF, 2016, Volume 42, no. 16, pp. 64-71.
Как правило, в конструкциях магнитометров с оптическим считыванием используется балансный метод регистрации малых изменений интенсивности света. Измеряется разность интенсивностей на двух фотоприемниках. В один фотоприемник попадает промодулированный магнитным полем сигнал, а во второй - опорный без модуляции либо (например, в случае поляризационных измерений) промодулированный в противофазе по отношению к первому. Если обозначить A интенсивность света, вышедшего из лазера, а n - интенсивность шума в оптическом пучке, то для разности сигналов на фотоприемнике будет справедливо соотношение:As a rule, the design of magnetometers with optical reading uses a balanced method for recording small changes in light intensity. The intensity difference is measured at two photodetectors. A signal modulated by a magnetic field enters one photodetector, and a reference signal without modulation or (for example, in the case of polarization measurements) modulated in antiphase with respect to the first one enters a signal modulated by a magnetic field. If A is the intensity of the light emerging from the laser, and n is the noise intensity in the optical beam, then for the difference of the signals at the photodetector, the relation
Δ=mA+n(m+1),Δ = mA + n (m + 1),
где m - коэффициент модуляции света магнитным полем.where m is the modulation coefficient of light by a magnetic field.
Из данной формулы видно, что при m<<1 соотношение сигнал-шум может оказаться существенно ниже по сравнению с входным сигналом. Размещение магнитооптической ячейки внутри резонатора Фабри-Перо, как это описано в рассмотренных выше патентах, приводит лишь к увеличению эффективного параметра m. Однако увеличение соотношения сигнал-шум при этом происходит не столь эффективно, как в патентуемом случае.It can be seen from this formula that for m << 1, the signal-to-noise ratio can be significantly lower compared to the input signal. Placing a magneto-optical cell inside a Fabry-Perot resonator, as described in the patents discussed above, only leads to an increase in the effective parameter m. However, an increase in the signal-to-noise ratio in this case is not as effective as in the patented case.
Благодаря использованию частотной и пространственной фильтрации сигнала резонаторами Фабри-Перо до и после магнитооптического взаимодействия, рассматриваемого как рассеяние Мандельштама-Бриллюэна на магнонах, величина сигнала на фотоприемнике будет описываться следующей формулой:Due to the use of frequency and spatial filtering of the signal by Fabry-Perot resonators before and after magneto-optical interaction, considered as Mandelstam-Brillouin scattering by magnons, the magnitude of the signal at the photodetector will be described by the following formula:
Δ=mA+n(m/Q1+1)/Q2,Δ = mA + n (m / Q 1 +1) / Q 2 ,
где Q1,2 - добротность резонаторов Фабри-Перо. Отсюда следует указанная возможность резкого повышения отношения сигнал/шум и соответственно чувствительности сенсора магнитного поля.where Q 1,2 is the quality factor of the Fabry-Perot resonators. From this follows the indicated possibility of a sharp increase in the signal-to-noise ratio and, accordingly, the sensitivity of the magnetic field sensor.
Существо изобретения поясняется на фигурах, где:The invention is illustrated in the figures, where:
фиг. 1 - блок-схема сенсора;FIG. 1 is a block diagram of a sensor;
фиг. 2 - топология магнитооптической ячейки, вид сбоку;FIG. 2 - topology of a magneto-optical cell, side view;
фиг. 3 - топология магнитооптической ячейки, вид в плане;FIG. 3 - topology of a magneto-optical cell, plan view;
фиг. 4 - форма сечения пленки на подложке;FIG. 4 is a sectional view of a film on a substrate;
фиг. 5 - схема магнитооптического модулятора на экваториальном эффекте Керра;FIG. 5 is a diagram of a magneto-optical modulator based on the equatorial Kerr effect;
на фиг. 6 - схема магнитооптического модулятора на меридиональном эффекте Керра;in FIG. 6 is a diagram of a magneto-optical modulator based on the meridional Kerr effect;
на фиг. 7-10 - частотные зависимости интенсивности выходного сигнала от внешнего магнитного поля.in FIG. 7-10 - frequency dependence of the intensity of the output signal from an external magnetic field.
Устройство (фиг. 1) содержит магнитооптическую ячейку 10, включающую тонкую магнитную пленку 12 из монокристаллического феррита-граната с ориентацией (111), которая образована методом жидкофазной эпитаксии на монокристаллической подложке 14 из гадолиний-галлиевого граната и имеет толщину 0,5-2,0 мкм и диаметр 1-5 мм.The device (Fig. 1) contains a magneto-
Подложка с пленкой 12 окружена системой 16 катушек индуктивности, подключенной к генератору 18 гармонического сигнала высокой частоты (ВЧ). Генератор 18 функционирует в диапазоне частот 107-109 Гц. Система 16 катушек и генератор 18 обеспечивают создание вращающегося магнитного поля, которое обеспечивает модуляцию намагниченности пленки 12.The substrate with the
Оптический тракт системы регистрации содержит узкополосный одномодовый лазер 20, первый 22 и второй 24 интерферометры Фабри-Перо, фотоприемник 26 и компьютерную систему 30 регистрации и управления. Магнитооптическая ячейка 10 размещена между интерферометрами 22 и 24.The optical path of the registration system contains a narrow-band single-
Принцип работы магнитоплазмонного сенсора магнитного поля основан на схеме бриллюэновской спектроскопии. На фиг. 1 позициями а, б, в и г показано последовательное преобразование спектра лазерного излучения в процессе прохождения по оптическому тракту.The principle of operation of the magnetoplasmonic magnetic field sensor is based on the Brillouin spectroscopy scheme. In FIG. 1, positions a , b, c, and d show the sequential conversion of the spectrum of laser radiation during passage through the optical path.
Оптический пучок 40, генерируемый узкополосным одномодовым лазером 20 (поз. а), направляется на Фабри-Перо интерферометр 22, который настроен таким образом, чтобы его линия пропускания совпадала с максимумом в спектре лазерного излучения. После прохождения через интерферометр 22 происходит существенное сужение спектра оптического излучения на величину, определяемую добротностью интерферометра, которая может достигать 106 (поз. б). Далее оптический пучок 40 падает на пленку 12 феррита-граната, намагниченность которой модулируется с частотой порядка 108 Гц. Модуляция намагниченности осуществляется системой 16 катушек, на обмотки 17 которых с высокочастотного генератора 18 подается гармонический сигнал.The
В результате магнитооптического эффекта происходит модуляция лазерного пучка 40, поэтому в его спектре появляются две боковые компоненты, отстоящие от центрального максимума на величину, равную частоте сигнала, поступающего с генератора 18 (поз. в). Ввиду малой эффективности магнитооптического взаимодействия данные спектральные компоненты оказываются существенно слабее основной частоты и не могут быть зарегистрированы непосредственно фотоприемником 26. Поэтому для их выделения используется второй интерферометр 24 Фабри-Перо. Интерферометр 24 настраивается таким образом, чтобы максимум пропускания соответствовал боковой спектральной компоненте, а межмодовое расстояние было равным удвоенному значению частоты сигнала ВЧ генератора 18. Благодаря такой настройке происходит существенное подавление центральной спектральной компоненты. Так как ее частота попадает на минимум пропускания, подавление оказывается равным добротности интерферометра 24 и может достигать 106. В спектре прошедшего через интерферометр 24 оптического излучения центральная компонента оказывается меньшей или близкой по величине боковым компонентам (поз. г). Данное излучение детектируется фотоприемником 26. В процессе детектирования используется принцип оптического гетеродинирования, поэтому сигнал фотоприемника 26 представляет собой гармоническую функцию с основной частотой, равной частоте ВЧ генератора 18, и амплитудой, равной величине боковых компонент оптического сигнала (поз. г).As a result of the magneto-optical effect, the
При наличии детектируемого постоянного магнитного поля в спектре оптического сигнала и, следовательно, в сигнале фотоприемника 26 присутствуют гармоники, кратные частоте генератора 18 и пропорциональные величине постоянного магнитного поля. Таким образом, измерение слабых магнитных полей достигается путем обнаружения и измерения величины этих гармоник в спектре сигнала фотоприемника 26.In the presence of a detectable constant magnetic field in the spectrum of the optical signal and, therefore, in the signal of the
Волновое число магнонов существенным образом зависит от параметров пленки. Параметры пленки 12 и модулирующих обмоток 17 системы 16, а также частота тока в обмотках 17 определяют волновое число возбуждаемых магнонов и, следовательно, определяют углы, под которыми происходит рассеяние Мандельштама-Бриллюэна. Гармоники оптического излучения, возникающие после прохождения пучком 40 магнитооптической ячейки 10, в общем случае будут отделены в пространстве друг от друга и от прошедшего пучка на основной частоте оптического излучения. Для упрощения схемы целесообразно использовать такую конфигурацию модулирующих обмоток 17, которая обеспечивает волновые числа магнонов, равные или близкие к нулю. В таком случае рассеяние становится эквивалентным модуляции света.The wave number of magnons substantially depends on the parameters of the film. The parameters of the
На фиг. 2, 3 показана структура модулирующих обмоток 17. Используются две ортогональные друг другу пары 171, 172 обмоток. Обмотки 17 имеют форму в сечении, близкую к прямоугольной. Для достижения однородной намагниченности пленки 12 расстояние h между обмотками в каждой паре выбрано таким образом, чтобы быть меньшим, либо равным половине меньшего внутреннего размера s обмотки, т.е. h≤0,5s. Таким образом, между обмотками 171 и 172 образован зазор 121 для прохождения излучения. Размер g зазора 121 не превышает 0,5 мм.In FIG. 2, 3 shows the structure of modulating
Для снижения магнитных шумов края 122 магнитной пленки 12 скруглены от центра к периферии. Края обработаны таким образом, чтобы сечение 123 пленки 12 было близко к половине эллипса (см. фиг. 3). Достижение подобной формы на практике возможно за счет ее аппроксимации ступеньками 124, как показано штриховой линией, путем послойной литографии краев пленки.To reduce magnetic noise, the
Модуляция света в магнитооптической ячейке может осуществляться за счет модуляции поляризации света - эффекта Фарадея или меридионального эффекта Керра, а также за счет модуляции интенсивности света - экваториального эффекта Керра и меридионального интенсивностного магнитооптического эффекта. На фиг. 5 приведена схема магнитооптического модулятора на поляризационных эффектах, а на фиг. 6 - на интенсивностном меридиональном магнитооптическом эффекте.Light can be modulated in a magneto-optical cell by modulating the polarization of light — the Faraday effect or the meridional Kerr effect, and also by modulating the light intensity — the equatorial Kerr effect and the meridional intensity magneto-optical effect. In FIG. 5 is a diagram of a magneto-optical modulator based on polarization effects, and FIG. 6 - on the intensity meridional magneto-optical effect.
В случае использования эффекта Фарадея (равно как и меридионального эффекта Керра) феррит-гранатовая пленка 12 расположена под углом α к оптическому пучку 40 (фиг. 5). Перед ячейкой 10 расположен поляризатор 51, а после ячейки - анализатор 52. Для экваториального эффекта Керра также требуется наклонное падение, однако поляризатор 51 и анализатор 52 не используются. В случае меридионального интенсивностного эффекта феррит-гранатовая пленка 12 расположена ортогонально оптическому пучку 40. На поверхность пленки 12 нанесен слой 60, представляющий собой периодически структурированную металлическую или диэлектрическую пленку (фиг. 6), в этом случае поляризатор и анализатор не используются.In the case of using the Faraday effect (as well as the meridional Kerr effect), the garnet-
Слой 60 представляет собой периодическую систему щелей, ширина которых составляет от 0,1 до 0,4 от величины периода. Так, при длине волны лазера 780 нм и толщине магнитной пленки 1,9 мкм толщина металлического слоя 60 составляет 80 нм, период решетки - 335 нм, ширина щелей - 120 нм. Такое выполнение слоя 60 позволяет обеспечить существенное усиление меридионального интенсивностного магнитооптического эффекта (см. V.I. Belotelov и др. Plasmon-mediated magneto-optical transparency / Nature Communications, 2013, V. 4, 2128) и соответственно повысить чувствительность сенсора.
Сенсор работает следующим образом.The sensor works as follows.
При отсутствии внешнего (измеряемого) магнитного поля происходит модуляция света частотой f, равной частоте тока в модулирующих обмотках 17, подключенных к ВЧ генератору 18. При наличии измеряемого магнитного поля в спектре оптического сигнала появляются гармоники, соответствующие удвоенной, учетверенной и т.д. частоте (2f, 4f, 6f, …) модулирующего сигнала генератора 18. Амплитуда гармоники на удвоенной частоте 2f пропорциональна величине измеряемого поля.In the absence of an external (measured) magnetic field, light is modulated with a frequency f equal to the current frequency in the modulating
На фиг. 7 показан спектр пропускания первого Фабри-Перо резонатора 22 (поз. 71), спектр излучения лазера (поз. 72) и спектр излучения прошедшего через первый резонатор 22 (поз. 73). Резонатор 22 должен быть настроен таким образом, чтобы один из его максимумов пропускания оказался на длине волны излучения лазера 20, а ближайший минимум соответствовал линии 2f.In FIG. 7 shows the transmission spectrum of the first Fabry-Perot resonator 22 (pos. 71), the laser radiation spectrum (pos. 72), and the radiation spectrum of the radiation transmitted through the first resonator 22 (pos. 73). The
На фиг. 8 показан спектр пропускания второго Фабри-Перо резонатора 24 (поз. 74), спектр излучения, прошедшего магнитооптическую ячейку (поз. 75), и спектр излучения, прошедшего через второй резонатор (поз. 76). В результате прохождения через второй резонатор амплитуда полезного сигнала (пик 2f на фиг. 8) становится преобладающей.In FIG. Figure 8 shows the transmission spectrum of the second Fabry-Perot resonator 24 (key 74), the spectrum of the radiation transmitted through the magneto-optical cell (key 75), and the spectrum of the radiation transmitted through the second resonator (key 76). As a result of passing through the second resonator, the amplitude of the useful signal (
Графики на фиг. 9, 10 относятся к варианту выполнения ячейки 10 с использованием меридионального интенсивностного эффекта. На поверхности феррит-гранатовой пленки 12 образован слой 60 из периодически структурированной металлической или диэлектрической пленки. В случае отсутствия внешнего (измеряемого) поля происходит модуляция света частотой 2f, где f - частота тока в модуляционной обмотке. При наличии измеряемого поля в спектре оптического сигнала появляются гармоники, соответствующие частотам f, 3f, 5f и т.д. Амплитуды гармоник на частотах f и 3f равны друг другу и пропорциональны величине измеряемого поля. На фиг. 9 показан спектр пропускания первого Фабри-Перо резонатора 22 (штриховая линия 81), спектр излучения лазера 20 (пунктирная линия 82) и спектр излучения, прошедшего через первый резонатор (сплошная линия 83). Первый резонатор Фабри-Перо должен быть настроен таким образом, чтобы один из его максимумов пропускания оказался на длине волны лазерного излучения, а ближайший минимум соответствовал линии f.The graphs in FIG. 9, 10 relate to an embodiment of
На фиг. 10 показан спектр пропускания второго Фабри-Перо резонатора (штриховая линия 84), спектр излучения, прошедшего магнитооптическую ячейку (пунктирная линия 85), и спектр излучения, прошедшего через второй резонатор (сплошная линия 86). В результате прохождения через второй резонатор амплитуда полезного сигнала (пики f и 3f на фиг. 10) становится преобладающей. Наиболее предпочтительно использовать пик 3f, так как после детектирования в электрическом сигнале на частоте 3f будет отсутствовать помеха, создаваемая полем подмагничивания, осциллирующим с частотой f.In FIG. 10 shows the transmission spectrum of the second Fabry-Perot resonator (dashed line 84), the spectrum of the radiation transmitted through the magneto-optical cell (dashed line 85), and the spectrum of the radiation transmitted through the second resonator (solid line 86). As a result of passing through the second resonator, the amplitude of the useful signal (peaks f and 3f in Fig. 10) becomes dominant. It is most preferable to use peak 3f, since after detection in the electrical signal at a frequency of 3f there will be no interference created by the magnetization field oscillating with frequency f.
Таким образом, экспериментальные данные показывают, что повышение чувствительности сенсора за счет избирательного подавления оптических шумов в интерферометре при использовании частотной фильтрации полезного сигнала позволяет резко повысить отношение сигнал/шум вплоть до уровня тепловых колебаний намагниченности. Оценки показывают, что поскольку амплитуда тепловых магнонов соответствует флуктуациям магнитного поля на уровне 1 фТ, то чувствительность сенсора следует ожидать на уровне 100 фТ и ниже, в полосе частот 1 Гц.Thus, the experimental data show that increasing the sensitivity of the sensor due to the selective suppression of optical noise in the interferometer using frequency filtering of the useful signal can sharply increase the signal-to-noise ratio up to the level of thermal magnetization fluctuations. Estimates show that since the amplitude of thermal magnons corresponds to fluctuations of the magnetic field at a level of 1 fT, the sensitivity of the sensor should be expected at a level of 100 fT and lower, in the frequency band of 1 Hz.
Claims (13)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016145332A RU2638918C1 (en) | 2016-11-18 | 2016-11-18 | Sensor of magnetic field based on brillouin scattering |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016145332A RU2638918C1 (en) | 2016-11-18 | 2016-11-18 | Sensor of magnetic field based on brillouin scattering |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2638918C1 true RU2638918C1 (en) | 2017-12-18 |
Family
ID=60718636
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016145332A RU2638918C1 (en) | 2016-11-18 | 2016-11-18 | Sensor of magnetic field based on brillouin scattering |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2638918C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2757305C1 (en) * | 2020-11-05 | 2021-10-13 | Публичное Акционерное Общество "Сбербанк России" (Пао Сбербанк) | Method for registering magnetic field and device for implementing method |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1589796A1 (en) * | 1988-10-14 | 1992-07-15 | Институт Радиотехники И Электроники Ан Ссср | Magnetic field transducer |
RU2118834C1 (en) * | 1997-07-10 | 1998-09-10 | Научно-исследовательский центр прикладных проблем электродинамики Объединенного института высоких температур РАН | Device measuring weak magnetic fields ( versions ) |
US8000767B2 (en) * | 2004-01-20 | 2011-08-16 | Board Of Trustees Of The University Of Illinois | Magneto-optical apparatus and method for the spatially-resolved detection of weak magnetic fields |
EP2860540A1 (en) * | 2013-10-14 | 2015-04-15 | Siemens Aktiengesellschaft | Magnetic sensor arrangement |
-
2016
- 2016-11-18 RU RU2016145332A patent/RU2638918C1/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1589796A1 (en) * | 1988-10-14 | 1992-07-15 | Институт Радиотехники И Электроники Ан Ссср | Magnetic field transducer |
RU2118834C1 (en) * | 1997-07-10 | 1998-09-10 | Научно-исследовательский центр прикладных проблем электродинамики Объединенного института высоких температур РАН | Device measuring weak magnetic fields ( versions ) |
US8000767B2 (en) * | 2004-01-20 | 2011-08-16 | Board Of Trustees Of The University Of Illinois | Magneto-optical apparatus and method for the spatially-resolved detection of weak magnetic fields |
EP2860540A1 (en) * | 2013-10-14 | 2015-04-15 | Siemens Aktiengesellschaft | Magnetic sensor arrangement |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2757305C1 (en) * | 2020-11-05 | 2021-10-13 | Публичное Акционерное Общество "Сбербанк России" (Пао Сбербанк) | Method for registering magnetic field and device for implementing method |
WO2022098256A1 (en) * | 2020-11-05 | 2022-05-12 | Публичное Акционерное Общество "Сбербанк России" | Method for recording a magnetic field and device for carrying out same |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11340320B2 (en) | Magnetometer for measuring an unknown external magnetic field | |
US20170023654A1 (en) | Optically pumped magnetometer and magnetic sensing method | |
US10288701B2 (en) | Optically pumped atomic magnetometer and magnetic sensing method | |
US7106919B2 (en) | Magneto-optical sensing employing phase-shifted transmission bragg gratings | |
US7254286B2 (en) | Magneto-optical resonant waveguide sensors | |
US20150022200A1 (en) | Optically pumped magnetometer and optical pumping magnetic force measuring method | |
US10338156B2 (en) | Apparatus and system for an ultra sensitivity magneto-optic sensor for high sensitivity magnetic field detection and measurements | |
US20130038324A1 (en) | Apparatus method and system of an ultra sensitivity optical fiber magneto optic field sensor | |
US11313925B2 (en) | Quantum sensor based on rare-earth-ion doped optical crystal and use thereof | |
RU2638918C1 (en) | Sensor of magnetic field based on brillouin scattering | |
Sun et al. | High-precision magnetic field sensor based on fiber Bragg grating and dual-loop optoelectronic oscillator | |
CN116888485A (en) | Controller for electromagnetic field detector | |
CN108254616A (en) | A kind of solenoid type optics small electric current sensor with temperature-compensating | |
Gu et al. | Highly precise magnetic field measurement based RF-assisted Sagnac interferometer with tapered fiber | |
CN114552342B (en) | Photoelectric oscillator magnetic field sensing device based on corrosion type polarization maintaining fiber bragg grating | |
Fofanov et al. | Laser polarization-optical detection of the magnetization process of a magnetically ordered crystal | |
Shumitskaya et al. | The Faraday Effect and Phase Transition in the CH3NH3PbI3 Halide Perovskite Single Crystal | |
Heinrich | Radio frequency techniques | |
Liu et al. | Dzyaloshinskii‐Moriya Torque‐Driven Resonance in Antiferromagnetic α‐Fe2O3 | |
Davis et al. | Magnetoacoustic Spectroscopy in Superfluid He 3-B | |
Zhang et al. | Sagnac Magnetic Field Sensor Based on Sinusoidal Modulation and Empirical Mode Decomposition | |
Lee et al. | Optimization of a radio-frequency atomic magnetometer toward very low frequency signal reception | |
US4063158A (en) | Gaussmeter | |
Ascorbe et al. | Magnetic field sensors based on optical fiber | |
Shui et al. | Current measurement method based on integral reconstruction of magnetic rotation angle |