[发明专利]力学模式共振频带增强低频带磁场探测性能的系统

说明书

本发明提出了一种力学模式共振频带增强低频带磁场探测性能的系统，本发明通过腔结构设计和通过压电材料产生应力的调控方式对其力学模式的位置和品质因数调控，令谐振腔形成力学模式共振频带；并令低频带磁场信号与高频信号通过磁致伸缩材料的非线性特性耦合后的信号频率要处于腔的共振频带内，使得谐振腔的谐振效果增强，进而降低实际应用中在特定低频带内由于频率变化所引起的灵敏度起伏较大的情况，提升了该类传感器的传感性能本发明具有体积小、低成本、高灵敏度等优点。

技术领域

本发明涉及的是一种力学模式共振频带增强低频带磁场探测性能的系统，具体涉及的是由磁致伸缩材料和中空玻璃管制作的回音壁模式(Whispering Gallery Mode,WGM)光学谐振腔构建的外驱动式磁场传感结构，属于光学领域。

背景技术

磁场传感器在当今信息社会中已成为信息技术和信息产业必不可少的基础元件，并且已经在科研，生产和社会生活各个方面都有广泛应用。其中在数字经济，交通运输，生命健康，办公自动化、国防等领域更是发挥重要作用。目前在脑磁，心磁探测的医疗领域和涉及高精度磁场探测的国防领域对低探测频率、高灵敏度的磁场传感器有着强烈的需求。已有的光力谐振腔磁场传感系统属于谐振式传感系统，在力学模式对应的谐振频率处灵敏度最高，但当频率略有偏差时则灵敏度起伏很大。在实际应用中，待测的信号往往都是占据特定的高频带或低频带，与谐振腔的最佳工作频率存在偏差，所以想要对特定频带的磁场信号进行高精度的探测，现有的磁场传感系统技术仍然无法满足需求，在不同频率位置探测性能差别较大，探测效果不尽理想。此外，尺寸在微米量级的谐振腔其共振频率一般位于兆赫兹范围，基于微米腔的光力磁场传感器在低频带范围内磁致伸缩的响应也比较弱。因此，我们提出一种力学模式共振频带增强低频带磁场探测性能的系统，该系统通过腔结构设计和模式调控实现力学模式共振频带，结合信号调制技术，能够获得共振频带增强低频带磁场信号探测性能的效果，进而降低实际应用中在特定低频带内由于频率变化所引起的灵敏度起伏较大的情况，提升了该类传感器的传感性能，未来可能在生物医疗、国防、数字经济等应用领域发挥重要作用。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了力学模式共振频带增强低频带磁场探测性能的系统，获得了在特定低频带内的探测灵敏度起伏较小的高精度磁场探测系统。

本发明一种力学模式共振频带增强低频带磁场探测性能的系统，光纤激光器输出的光通过光隔离器、光衰减器、偏振控制器，经光纤锥耦合进谐振腔内，腔内光场经光纤锥耦合输出后到达光电探测器，光电探测器输出的电信号通过偏置三通将交直流分量分离，直流分量送到示波器，交流分量经过滤波器滤波后送入谱仪、伺服控制器和网络分析仪中，伺服控制器输出的两路信号分别送入示波器和光纤激光器，网络分析仪输出的交流分量与第一信号发生器产生的高频信号经混频器混频得到低频带磁场信号送入第一线圈，第二信号发生器输出的高频信号送入第二线圈，二者经磁致伸缩材料的非线性特性耦合，耦合产生的测量信号频率范围要位于谐振腔共振频带内；所述的谐振腔两端分别粘贴了磁致伸缩介质和压电材料，通过压电材料产生应力的调控方式对其力学模式的位置和品质因数调控，令谐振腔形成力学模式共振频带；所述的低频带磁场信号与高频信号通过磁致伸缩材料的非线性特性耦合后的信号频率要处于腔的共振频带内，谐振腔对低频带磁场的探测能力增强；

利用热锁模的方法将光纤激光器输出的中心频率锁定在谐振腔透射谱1/2处，而外加磁场信号引发的磁致伸缩介质伸缩会导致谐振腔腔长的变化，最终体现在透射光强的变化。这种变化通过谱仪和网络分析仪进行探测，再通过软件进行数据处理获得外界磁场信息。此外，磁畴结构使磁致伸缩材料具有高度非线性特性，低频带磁场引起的磁畴变化会改变对施加的高频磁场响应，通过将低频带磁场信号和高频信号经过磁致伸缩材料的非线性特性耦合，当耦合产生的测量信号频率处于谐振腔的共振频带内，则谐振腔的谐振效果会增强，在谱仪中就可以观测到较强响应的交流磁场信号，再通过谱仪和网络分析仪可以解调出低频带磁场信号，从而实现了利用共振频带来增强低频带磁场的探测性能。

作为优选，该系统选用外驱动式WGM光学谐振腔磁场传感结构，去除了腔尺寸对磁致伸缩材料尺寸的限制，可以在谐振频率处获得更高灵敏度。