Волоконно-оптический датчик магнитного поля
Изобретение относится к технике магнитных измерений, в частности дефектоскопии ферромагнитных изделий. Датчик содержит источник излучения, устройство ввода излучения в многомодовое оптическое волокно, фотоприемное устройство, расположенные последовательно по ходу пучка излучения две или более пленок магнитооптического материала с периодической доменной структурой, расположенные на различных участках волокна. Плоскость каждой пленки магнитооптического материала перпендикулярна оси волокна. Между устройством ввода излучения в оптическое волокно и первой в цепи пленкой магнитооптического материала расположен модовый фильтр для селекции в волокне осевой моды, на выходе излучения из волокна расположен модовый демультиплексор. Фотоприемное устройство выполнено с числом фоточувствительных участков, равным числу пленок магнитооптического материала, период доменной структуры соседних пленок изменяется в раз, где N - общее число пленок в устройстве, минимальный период доменной структуры в пленках магнитооптического материала связан с числовой апертурой волокна соотношением , где λ - длина волны излучения, d - период доменной структуры, NA - числовая апертура оптического волокна. Обеспечено повышение точности измерения. 1 ил.
Изобретение относится к технике магнитных измерений, в частности дефектоскопии ферромагнитных изделий.
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, устройство ввода излучения в оптическое волокно, оптическое волокно, в промежуточной части которого расположены поляризатор, магнитная пленка, анализатор, на выходе волокна фотоприемник.
Недостатком датчика является низкая пространственная разрашающая спосбность.
Известен также волоконно-оптический датчик магнитного поля (Авторское свидетельство СССР №1455332, МКИ4 G 02 F 1/09), содержащий источник света, устройство ввода излучения в оптическое волокно, оптическое волокно, в промежуточной части которого расположен магнитооптический материал, на выходе волокна фотоприемник. Излучение из оптического волокна дифрагирует на магнитооптическом материале, период доменной структуры в котором связан с числовой апертурой волокна соотношением 
(λ - длина волны света, d - период доменной структуры, NA - числовая апертура оптического волокна). Излучение нулевого порядка дифракции распространяется по оптическому волокну, излучение высших порядков дифракции рассеивается в оболочке оптического волокна. Магнитное поле уменьшает интенсивность высших порядков дифракции на магнитооптическом материале и увеличивает интенсивность нулевого порядка дифракции. Световой поток, регистрируемый фотоприемником, обратно пропорционален напряженности магнитного поля, и по величине светового потока можно определить напряженность поля.
Недостатком прототипа является низкая точность измерения напряженности магнитного поля, обусловленная низким динамическим диапазоном. В прототипе измеряется интенсивность нулевого порядка дифракции, прошедшего через выходное оптическое волокно, поэтому интенсивность излучения, попадающего на фотоприемник, изменяется в малых пределах (˜1%). Малый диапазон изменения интенсивности регистрируемого фотосигнала уменьшает точность измерения. Кроме того, датчик измеряет напряженность магнитного поля только в одной области пространства.
В основу изобретения поставлена задача усовершенствовать датчик магнитного поля путем повышения динамического диапазона и точности измерения напряженности магнитного поля, расширения функциональных возможностей путем увеличения количества чувствительных элементов.
Поставленная задача решается тем, что в волоконно-оптическом датчике магнитного поля, содержащем источник излучения, устройство ввода излучения в оптическое волокно, многомодовое оптическое волокно, пленку магнитооптического материала с периодической доменной структурой, фотоприемное устройство, расположенные последовательно по ходу пучка излучения, пленку магнитооптического материала с периодической доменной структурой в промежуточной части оптического волокна, плоскость пленки магнитооптического материала перпендикулярна оси оптического волокна, устройство содержит дополнительно одну или несколько пленок магнитооптического материала с периодической доменной структурой, расположенных на различных участках оптического волокна, период доменной структуры соседних пленок отличается в 
раз, где N - общее число пленок в устройстве. Минимальный период доменной структуры в пленках магнитооптического материала связан с числовой апертурой волокна соотношением 
где λ - длина волны излучения, d - период доменной структуры, NA - числовая апертура оптического волокна, между устройством ввода излучения в оптическое волокно и первой в цепи пленкой магнитооптического материала расположен модовый фильтр для селекции в оптическом волокне осевой моды, на выходе излучения из оптического волокна расположен модовый демультиплексор, фотоприемное устройство выполнено с числом фоточувсвтвительных участков, равным числу пленок магнитооптического материала. Излучение осевой моды дифрагирует на доменной структуре в пленках магнитооптического материала, в результате чего возбуждаются моды более высокого порядка. Каждая из пленок магнитооптического материала имеет свой спектр углов дифракции и, соответственно, возбуждает свой спектр мод высшего порядка. На выходе из оптического волокна каждой пленке магнитооптического материала будет соответствовать свой диапазон углов распространения излучения. Модовый демультиплексор разделит излучение, продифрагировавшее на различных пленках магнитооптического материала. Фотоприемное устройство произведет независимое измерение интенсивностей совокупностей мод. Раздельное измерение интенсивности совокупностей мод позволяет измерять напряженность магнитного поля в местах расположения пленок магнитооптического материала. При этом для передачи оптической информации используется одно оптическое волокно. За счет того, что измеряется интенсивность первых порядков дифракции, интенсивность которых меняется в значительно больших пределах, чем интенсивность нулевого, возрастает динамический диапазон устройства и, как следствие, точность измерения.
На чертеже представлена оптическая схема устройства. 1 - источник излучения, 2 - устройство введения излучения в оптическое волокно, 3 - модовый фильтр, 4 - оптическое волокно, 5 - пленки магнитооптического материала, расположенные в промежуточной части оптического волокна, 6 - модовый демультиплексор, 7 - фотоприемное устройство.
Устройство работает следующим образом. Излучение источника 1 устройством введения излучения в оптическое волокно 2 возбуждает оптическое волокно 4. Модовый фильтр 3 оставит в оптическом волокне только осевую моду и погасит остальные. Излучение осевой моды оптического волокна 4 дифрагирует на доменной структуре в пленках магнитооптического материала 5, в результате чего возбуждаются моды более высокого порядка. Каждая из пленок магнитооптического материала имеет свой спектр углов дифракции и, соответственно, возбуждает свой спектр мод высшего порядка. На выходе из оптического волокна каждой пленке магнитооптического материала будет соответствовать свой диапазон углов распространения излучения. Модовый демультиплексор 6 разделит совокупности мод (излучение, продифрагировавшее на различных пленках магнитооптического материала 5) и направит их на соответствующие участки фотоприемного устройства 7. Фотоприемное устройство 7 произведет независимое измерение интенсивностей совокупностей мод.
При воздействии магнитного поля на одну из пленок магнитооптического материала в последней начнется движение доменных границ, произойдет нарушение симметрии доменной структуры и уменьшение интенсивности продифрагировавшего излучения. Это в свою очередь приведет к уменьшению интенсивности соответствующей совокупности мод и снижению фотосигнала, снимаемого фотоприемным устройством. Величина смещения доменных границ пропорциональна напряженности магнитного поля и, соответственно, фотосигнал также пропорционален напряженности магнитного поля. После градуировки устройством можно измерять напряженность магнитного поля в области расположения пленки магнитооптического материала. Аналогичным образом измеряется напряженность магнитного поля в местах расположения других пленок магнитооптического материала. Раздельное измерение интенсивности совокупностей мод позволяет измерять напряженность магнитного поля в местах расположения пленок магнитооптического материала.
Минимальный период доменной структуры в пленках магнитооптического материала связан с числовой апертурой волокна соотношением 
. Если период доменной структуры не удовлетворяет этому соотношению, продифрагировавшее излучение начнет проникать в оболочку оптического волокна. Период доменной структуры при переходе от одной пленки к другой последовательно изменяется в раз, начиная с минимального.
Максимальное количество используемых в устройстве пленок магнитооптического материала и, соответственно, точек, в которых может производиться независимое измерение напряженности магнитного поля, ограничивается разрешающей способностью. Продифрагировавшее на разных пленках магнитооптического материала излучение не должно накладываться друг на друга, перекрываться. Угловая ширина продифрагировавшего пучка должна быть меньше разницы углов дифракции соседних пленок магнитооптического материала. Разрешающая способность дифракционной решетки на основе пленки магнитооптического материала зависит от стабильности периода доменной структуры в области апертуры и количества полосовых доменов, освещаемых излучением в области апертуры.
Число разрешимых положений луча дифракционной решетки на основе пленки магнитооптического материала порядка 4-10. Минимальный период доменной структуры при числовой апертуре оптического волокна NA=0,17 при длине волны излучения λ=0,6 мкм составляет d=3,5 мкм. Максимальный период доменной структуры - 7 мкм. При диаметре световедущей жилы 50 мкм в область апертуры попадает порядка 7 периодов доменной структуры, что соответствует 7 разрешимым положениям светового пучка. Поэтому оптимальное количество независимых участков измерения напряженности магнитного поля 4-5. Демультиплексирование может быть произведено линзой и фотоприемником с раздельными фоточувствительными участками, расположенным в фокальной плоскости линзы.
Для передачи оптической информации о напряженности магнитного поля в нескольких точках в заявляемом устройстве используется одно оптическое волокно. За счет того, что измеряется интенсивность первых порядков дифракции, интенсивность которых меняется в значительно больших пределах, чем интенсивность нулевого, возрастает динамический диапазон устройства и, как следствие, точность измерения.
Волоконно-оптический датчик магнитного поля, содержащий источник излучения, устройство ввода излучения в оптическое волокно, многомодовое оптическое волокно, пленку магнитооптического материала с периодической доменной структурой, фотоприемное устройство, расположенные последовательно по ходу пучка излучения, пленка магнитооптического материала с периодической доменной структурой в промежуточной части оптического волокна, плоскость пленки магнитооптического материала перпендикулярна оси оптического волокна, отличающийся тем, что содержит дополнительно одну или несколько пленок магнитооптического материала с периодической доменной структурой расположенные на различных участках оптического волокна, между устройством ввода излучения в оптическое волокно и первой в цепи пленкой магнитооптического материала расположен модовый фильтр для селекции в оптическом волокне осевой моды, на выходе излучения из оптического волокна расположен модовый демультиплексор, фотоприемное устройство выполнено с числом фоточувствительных участков, равным числу пленок магнитооптического материала, период доменной структуры соседних пленок изменяется в 
раз, где N - общее число пленок в устройстве, минимальный период доменной структуры в пленках магнитооптического материала связан с числовой апертурой волокна соотношением 
, где λ - длина волны излучения, d - период доменной структуры, NA - числовая апертура оптического волокна.
