[发明专利]基于三重谐振的光学谐振腔交变磁场传感系统及使用方法

说明书

本发明提出了一种基于三重谐振的光学谐振腔交变磁场传感系统及使用方法，包括信号发生器、可调谐激光器、衰减器、偏振控制器、光纤锥、磁场传感单元、光电探测器、偏置器、示波器、分束器、电学频谱分析仪、第一网络分析仪、第二网络分析仪、直流磁场、线圈和比例‑积分‑微分控制器；当YIG球的力学模式、铁磁共振模式和待测交变磁场频率接近、产生三重谐振时，该系统可以获得较高的磁场探测灵敏度。该系统同时兼具低功耗、抗电磁干扰等优点，可为磁场探测领域提供新的器件选择。

技术领域

本发明涉及的是一种基于三重谐振的光学谐振腔交变磁场传感系统及使用方法，具体涉及的是由钇铁石榴石钇铁石榴石球形腔和光纤锥构成的光学谐振系统和能够激发钇铁石榴石球形腔中铁磁共振的微波谐振腔构建的磁场传感系统，该传感系统中钇铁石榴石钇铁石榴石球的力学模式、铁磁共振模式与待测交变磁场信号的频率接近，产生三重谐振时，可以获得高的磁场探测灵敏度，属于光学领域。

背景技术

磁场传感器广泛应用于数字经济、交通运输、生命健康、国防等领域，实现的方式多种多样。与现有的磁场传感方法相比，基于光学系统的磁场传感技术有着速度快、抗电磁干扰能力强等优势。目前已经提出了基于磁力效应、法拉第效应、磁致伸缩效应等原理的磁场测量方案。但是现有光学传感器仍存在带宽受限、灵敏度不够高等问题。在外界磁场信号与腔的力学模式发生谐振时，基于光学谐振腔和磁致伸缩介质构成的光学磁场传感器的传感性能可以得到极大的增强，为进一步提升该类传感器的磁场探测性能，这里我们提出了一种基于三重谐振的光学谐振腔交变磁场传感系统，当外界待测磁场信号与钇铁石榴石钇铁石榴石球的力学模式和微波腔激发的钇铁石榴石钇铁石榴石球的铁磁共振的频率三者有重合时，会极大增强该频率附近的磁场探测性能，进而提升钇铁石榴石钇铁石榴石谐振腔对外界磁场的探测能力。该系统能够实现高精度的交变磁场测量，未来可以直接应用于高频磁场的探测，并且在传输信号的过程中有着不受电磁干扰、可远程探测等优点。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出一种基于三重谐振的光学谐振腔交变磁场传感系统及使用方法，可用于交变磁场探测相关领域。

基于三重谐振的光学谐振腔交变磁场传感系统中，包括信号发生器、可调谐激光器、衰减器、偏振控制器、光纤锥、磁场传感单元、光电探测器、偏置器、示波器、分束器、电学频谱分析仪、第一网络分析仪、第二网络分析仪、直流磁场、线圈和比例-积分-微分比例-积分-微分控制器控制器；其中，磁场传感单元包括了微波谐振腔、钇铁石榴石球形谐振腔、支架、紫外胶水。

所述的信号发生器输出的两路信号一路送入内含光隔离器的可调谐激光器的电压调谐端口，一路送入到示波器；可调谐激光器的光出射端与衰减器的输入端连接，衰减器的输出端与偏振控制器的输入端连接，偏振控制器的输出端与光纤锥输入端连接，光纤锥输出的光场通过倏逝波耦合的方式进入磁场传感单元中的钇铁石榴石钇铁石榴石球形谐振腔内，钇铁石榴石球形腔内光场经光纤锥耦合输出至对应光电探测器的接收端，光电探测器输出的信号经偏置器分离交/直流信号，直流信号送入示波器显示，交流信号送入电学频谱分析仪和第一网络分析仪显示。钇铁石榴石球通过紫外胶固定在石英光纤支架上，保证钇铁石榴石球和光纤锥始终处于耦合状态。钇铁石榴石球置于微波谐振腔内，且处于微波腔内的微波场聚集的位置，微波谐振腔的两壁需打孔以让光纤锥通过。同时，微波腔内钇铁石榴石球处于直流偏置磁场B₀中。利用第二网络分析仪产生的微波信号去激励微波谐振腔。直流磁场B₀的方向垂直于微波场中的磁场分量，激发钇铁石榴石球中的磁振子模式。当钇铁石榴石球的体积足够小，其磁振子模式为均匀模式(也称为铁磁共振模式)时，调控调整直流磁场B₀的强度，调整铁磁共振模式频率，满足和钇铁石榴石球的力学模式的频率相近。当外界待测交流磁场的频率与力学模式频率及铁磁共振频率接近时，会产生三重谐振，进而提升钇铁石榴石球形腔的交变磁场探测能力。传感系统中可调谐激光器、隔离器、衰减器、偏振控制器、光纤锥、光电探测器之间的连接均采用光纤连接；光电探测器与偏置器、偏置器与示波器、偏置器与分束器、分束器与电学频谱分析仪、分束器与第一网络分析仪、第二网络分析仪与微波谐振腔、及线圈与网络分析仪之间均使用电学线缆连接。