Датчик магнитного поля

 

Изобретение относится к технике магнитных измерений. Датчик магнитного поля состоит из Y-образного разветвленного оптического волокна, источника света с устройством ввода у одного торца разветвленной части волокна, пленки магнитооптического материала на торце неразветвленной части волокна, фотоприемника на втором торце разветвленной части волокна, устройство ввода излучения в оптическое волокно выполнено с возможностью возбуждения только осевой моды, период доменной структуры в магнитооптическом материале связан с числовой апертурой волокна соотношением Магнитооптический материал освещается излучением осевой моды. Излучение нулевого порядка дифракции на доменной структуре в магнитооптическом материале распространяется по оптическому волокну и попадает на фотоприемное устройство, излучение высших порядков дифракции рассеивается в оболочке оптического волокна. Технический результат заключается в повышении точности измерения напряженности магнитного поля. 1 ил.

Изобретение относится к технике магнитных измерений.

Известен датчик магнитного поля (Залысин С.П., Кубраков Н.Ф., Червоненкис А. Я. Магнитооптический датчик токов и полей //Тр. МЭИ, 1981, вып. 557, с. 67-72). Датчик содержит источник света, оптическое волокно, поляризатор, магнитную пленку, анализатор, фотоприемник.

Недостатком датчика является низкая пространственная разрешающая способность.

Известен также датчик магнитного поля (Авторское свидетельство СССР N 1455332, МКИ⁶ G 02 F 1/09), состоящий из Y-образного оптического волокна, пленки магнитооптического материала, расположенной в неразветвленном торце оптического волокна, период доменной структуры в магнитооптическом материале связан с числовой апертурой волокна соотношением (λ - длина волны света, d - период доменной структуры, NA - числовая апертура оптического волокна). В одном разветвленном торце оптического волокна расположены источник света с оптической системой ввода излучения в волокно, во втором торце - фотоприемник. Свет дифрагирует на доменной структуре в магнитооптическом материале, излучение нулевого порядка дифракции на доменной структуре распространяется по световоду, излучение высших порядков дифракции рассеивается в оболочке оптического волокна.

Недостатком датчика является низкая точность измерения напряженности магнитного поля, обусловленная низким динамическим диапазоном. В прототипе период доменной структуры не может превышать 3,5 мкм (при числовой апертуре оптического волокна 0,17), и, соответственно, толщина магнитооптического материала должна быть того же порядка величины. Малый диапазон изменения интенсивности регистрируемого фотосигнала уменьшает точность измерения.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствовать датчик магнитного поля путем повышения дифракционной эффективности используемых магнитооптических материалов, что обеспечивает повышение динамического диапазона и точности измерения.

Поставленная задача решается тем, что в датчике магнитного поля, содержащим Y-образное разветвленное оптическое волокно, источник света с устройством ввода излучения в оптическое волокно, расположенный у первого торца разветвленной части оптического волокна, магнитооптический материал в торце неразветвленной части волокна, фотоприемник у второго торца разветвленной части оптического волокна, согласно изобретению, устройство ввода излучения в оптическое волокно выполнено с возможностью возбуждения в оптическом волокне только осевой моды, период доменной структуры в магнитооптическом материале связан с числовой апертурой волокна соотношением где λ - длина волны света, d - период доменной структуры, NA - числовая апертура оптического волокна). Магнитооптический материал освещается излучением осевой моды с малой расходимостью, а не всеми модами оптического волокна, как в прототипе, которые распространяются в пределах апертурного угла. Излучение нулевого порядка дифракции на доменной структуре в магнитооптическом материале распространяется по оптическому волокну и попадает на фотоприемное устройство, излучение высших порядков дифракции рассеивается в оболочке оптического волокна. Рассеяние света в оболочке обеспечивает выделение полезного сигнала. Использование магнитооптических материалов с соотношением между числовой апертурой оптического волокна и периодом доменной структуры позволяет повысить их толщину по сравнению с прототипом примерно в два раза и дифракционную эффективность (без учета поглощения) в четыре раза. За счет более высокой дифракционной эффективности повышается полезный сигнал, динамический диапазон, точность измерения.

На чертеже представлена оптическая схема устройства. 1 - лазерный источник света, 2 - устройство для ввода излучения в оптическое волокно, 3 - Y-образное разветвленное оптическое волокно, 4 - магнитооптический материал, 5 - фотоприемник, источник света 1 расположен у первого торца разветвленной части оптического волокна, фотоприемник 5 у второго торца разветвленной части оптического волокна, магнитооптический материал 4 в неразветвленной части оптического волокна.

Устройство работает следующим образом.

Устройство для ввода излучения в оптическое волокно 2 направляет пучок излучения лазера с малой сходимостью на торец входного оптического волокна 3 и возбуждает осевую моду волокна. Излучение осевой моды оптического волокна дифрагирует на доменной структуре в магнитооптическом материале 4. Излучение нулевого порядка дифракции возбуждает в выходном оптическом волокне 3 осевую моду, которая попадает на фотоприемник 5. Излучение высших порядков дифракции на магнитооптическом материале рассеивается в оболочке оптического волокна. При помещении пленки магнитооптического материала 4 в исследуемое поле произойдет перераспределение энергии между порядками дифракции и изменение интенсивности светового потока, регистрируемого фотоприемником 5. По известной зависимости между величиной фотосигнала и напряженностью магнитного поля определяют напряженность исследуемого поля.

Пучок излучения с малой расходимостью возбуждает в оптическом волокне только осевую моду. В результате уменьшается минимальный угол дифракции, обеспечивающий вывод продифрагировавшего на магнитооптическом материале излучения из оптического волокна и появляется возможность использования магнитооптических материалов с большим периодом доменной структуры. Использование магнитооптического материала с соотношением между числовой апертурой оптического волокна и периодом доменной структуры позволяет повысить их толщину по сравнению с прототипом примерно в два раза и дифракционную эффективность (без учета поглощения) в четыре раза. За счет более высокой дифракционной эффективности повышается полезный сигнал, динамический диапазон, точность измерения.

Пример.

Пленка магнитооптического материала выполнена из висмутсодержащего граната состава (Bi, Lu)₃(Fe, Gа)₅O₁₂ с периодом доменной структуры 7 мкм и дифракционной эффективностью ≈2%, повышает динамический диапазон и точность измерения в два раза по сравнению с прототипом.

Использование для освещения магнитооптического материала только осевой моды оптического волокна с малой расходимостью, а не всего спектра мод, позволяет увеличить минимальный допустимый период доменной структуры и использовать более толстые магнитооптические материалы с более высокой дифракционной эффективностью и более высоким динамическим диапазоном. В заявляемом устройстве повышается точность измерения напряженности магнитного поля. Кроме того, расширяются возможности практического использования магнитооптических датчиков магнитного поля, обладающих более высокой разрешающей способностью по сравнению с датчиками, работающими на других физических принципах.

Формула изобретения

Датчик магнитного поля, содержащий Y-образное разветвленное оптическое волокно, источник света с устройством ввода излучения в оптическое волокно, расположенный у первого торца разветвленной части оптического волокна, магнитооптический материал в торце неразветвленной части оптического волокна, фотоприемник у второго торца разветвленной части оптического волокна, отличающийся тем, что устройство ввода излучения в оптическое волокно выполнено с возможностью возбуждения в оптическом волокне только осевой моды, период доменной структуры в магнитооптическом материале связан с числовой апертурой волокна соотношением (λ - длина волны света, d - период доменной структуры; NА - числовая апертура оптического волокна).

РИСУНКИ

Рисунок 1