магнитооптическое устройство для измерения напряженности магнитного поля

Формула изобретения

Магнитооптическое устройство для измерения напряженности магнитного поля, состоящее из источника света, пленки магнитооптического материала, фотоприемного устройства, расположенных последовательно по ходу светового пучка, отличающееся тем, что источником света является лазер, магнитооптический материал выполнен с периодической доменной структурой с дисклинацией, дисклинация доменной структуры расположена в центре освещенного участка магнитооптического материала, фотоприемник выполнен со светочувствительной площадкой, равной размеру области оптического вихря с минимальной интенсивностью света, и расположен в центре оптического вихря, пленка магнитооптического материала выполнена с градиентом толщины.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике магнитных измерений.

Известно магнитооптическое устройство возбуждения оптических вихрей (Н.А.Грошенко, О.С.Макалиш, А.В.Воляр. Оптические вихри в поле рассеяния магнитных доменных голограмм.//Журнал технической физики, 1998, т. 68, №12. С. 54-58.) состоящее из источника лазерного излучения и магнитооптического материала с периодической доменной структурой с дисклинациями. При дифракции света на доменной решетке с дисклинациями в высших порядках дифракции индуцируются оптические вихри. Расположение оптических вихрей в плоскости волнового фронта продифрагировавшего светового пучка определяется расположением дисклинаций доменной структуры на освещаемом участке магнитооптического материала.

Однако устройство не содержит приборов для определения расположения оптических вихрей в продифрагировавшем излучении, что снижает его функциональные возможности, в частности, не позволяет измерять напряженность магнитного поля.

Известно также магнитооптическое устройство для измерения напряженности магнитного поля (Вилесов Ю.Ф., Дубинко С.В., Карпенко Н.И., Крупский А.А. Панченко В.Б. "Датчик магнитного поля". Авторское свидетельство СССР №1455332, МКИ⁴ G 02 F 1/09), выбранное в качестве прототипа. Устройство содержит источник света, входное оптическое волокно, магнитооптический материал, период доменной структуры в котором связан с числовой апертурой волокна соотношением ( - длина волны света, d - период доменной структуры, NA - числовая апертура оптического волокна), выходного оптического волокна, фотоприемника. Свет дифрагирует на доменной структуре в магнитооптическом материале. Излучение нулевого порядка дифракции на доменной структуре распространяется по выходному оптическому волокну, излучение высших порядков дифракции рассеивается в оболочке оптического волокна. В устройстве измеряют интенсивность нулевого порядка дифракции и определяют напряженность магнитного поля по известной зависимости между интенсивностью света и напряженностью поля.

Недостатком устройства является низкая точность измерения напряженности магнитного поля, обусловленная малым изменением интенсивности нулевого порядка дифракции (менее 10%) и низкой чувствительностью к магнитному полю ширины доменов.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствовать магнитооптическое устройство для измерения напряженности магнитного поля путем повышения его точности за счет повышения величины изменения интенсивности оптического сигнала и повышения чувствительности к магнитному полю.

Поставленная задача решается тем, что в магнитооптическом устройстве для измерения напряженности магнитного поля, состоящем из лазерного источника света, пленки магнитооптического материала, фотоприемного устройства, расположенными последовательно по ходу светового пучка, согласно изобретению магнитооптический материал выполнен с периодической доменной структурой с дисклинацией, дисклинация доменной структуры расположена в центре освещенного участка магнитооптического материала, фотоприемник выполнен со светочувствительной площадкой, равной размеру области оптического вихря с минимальной интенсивностью света, и расположен в центре оптического вихря, пленка магнитооптического материала выполнена с градиентом толщины.

Дисклинации доменной структуры в магнитной пленке возникают вследствие градиента толщины. При дифракции света на доменной решетке с дисклинациями в высших порядках дифракции индуцируются оптические вихри. Под воздействием магнитного поля начинается движение доменных границ. Однако в полосовых доменах это движение тормозится магнитостатическим взаимодействием соседних полосовых доменов и доменные стенки переходят из одного стабильного положения в другое (Барьяхтар В.Г., Горобец Ю.И. Цилиндрические магнитные домены и их решетки./Киев, Наукова думка, 1988, 166 с.). Однако на торце полосового домена, в месте дисклинации, такое стабилизирующее воздействие отсутствует.

Период доменной структуры определяется балансом энергий доменных стенок и полей рассеяния доменов. На участке магнитной пленки с меньшей толщиной энергетически выгоден малый период доменной структуры. Поэтому на участке магнитооптического материала с меньшей толщиной полосовых доменов больше, чем на остальном участке. А это означает, что часть полосовых доменов разорвана, или имеют место дисклинации доменной структуры. Положение торца разорванного полосового домена определяется балансом сил натяжения со стороны доменной стенки, стремящихся сократить длину полосового домена и переместить его торец в область с меньшей толщиной, и сил со стороны полей рассеяния доменов, стремящихся увеличить длину полосового домена.

Измеряемые магнитные поля нарушают сложившийся баланс сил и перемещают торец разорванного полосового домена.

Под воздействием магнитного поля полосовой домен уменьшает свою длину и происходит перемещение области дисклинации относительно освещенной области магнитооптического материала, и, соответственно, смещение оптического вихря относительно плоскости волнового фронта продифрагировавшего излучения. Чем больше величина приложенного магнитного поля, тем больше сместится область дисклинации и оптический вихрь. При этом интенсивность света, попадающего на фотоприемник, возрастает от минимального значения в центре вихря до некоторого максимального за его пределами. Зависимость фототока от магнитного поля позволяет произвести градуировку устройства.

Изменение интенсивности светового сигнала порядка интенсивности дифракционного порядка, что значительно выше чем в прототипе. Это позволяет повысить отношение сигнал/шум и точность измерения. Поскольку смещение и коллапс дисклинаций доменной структуры происходит при значительно более малой напряженности исследуемого магнитного поля, чем коллапс самой доменной структуры, заявляемое устройство для измерения напряженности магнитного поля обладает более высокой чувствительностью к полю, что дополнительно повышает точность измерения.

На чертеже представлена оптическая схема устройства для измерения напряженности магнитного поля. 1 - лазерный источник света, 2 - пленка магнитооптического материала с дисклинацией доменной структуры, 3 - фотоприемник, расположены последовательно по ходу светового пучка, дисклинация совмещена с центром светового пучка, фотоприемник расположен в области оптического вихря.

Устройство работает следующим образом. Освещают магнитооптический материал с периодической доменной структурой с дисклинацией (2) пучком лазерного излучения источника (1). Свет дифрагирует на доменной структуре. В области локализации дисклинации доменной структуры в продифрагировавшем излучении возбуждается оптический вихрь. На магнитооптический материал (2) воздействуют исследуемым магнитным полем, в результате чего начинается движение доменной границы на торце разорванного полосового домена. Как показывают результаты экспериментальных исследований, разорванные полосовые домены (дисклинации) изменяют свою длину под воздействием магнитного поля. Изменение положения торца разорванного полосового домена относительно освещенной области изменяет пространственную локализацию оптического вихря в продифрагировавшем пучке и интенсивность света на фотоприемнике (3). Величина фототока на фотоприемнике (3) пропорциональна напряженности магнитного поля. В магнитном поле с известной напряженностью производят калибровку устройства для измерения напряженности магнитного поля. Измерив ток фотоприемника (3) по известной калибровочной зависимости измеряют напряженность исследуемого магнитного поля.

Пример. Пленка магнитооптического материала выполнена из висмутсодержащего граната состава (Bi, Lu)₃(Fe, Ga)₅O₁₂. Фактор качества магнитооптического материала порядка единицы. Период доменной структуры порядка 20 мкм. Для создания дисклинаций магнитооптического материала выполнен с разницей толщины вдоль поверхности пленки порядка 1%. Период доменной структуры в областях магнитной пленки отличается примерно на ту же величину и 1-2% всех полосовых доменов разорваны и формируют дисклинации доменной структуры.

Освещают участок пленки магнитооптического материала с дисклинацией доменной структуры лазерным пучком диаметром порядка 0,2 мм. Как показывают результаты экспериментальных исследований, 100% изменение интенсивности светового сигнала достигается при воздействии магнитных полей, напряженность которых в среднем на порядок меньше напряженности полей насыщения магнитооптического материала, что позволяет примерно на порядок повысить чувствительность к магнитному полю и точность измерения.

В заявляемом техническом решении в формировании оптического сигнала участвует продифрагировавший световой пучок с оптическим вихрем. Изменение интенсивности полезного сигнала намного выше чем в прототипе, так как интенсивность светового потока изменяется от нуля в области оптического вихря до максимума за его пределами, и соответственно выше отношение сигнал/шум, что позволяет повысить точность измерения. Кроме того, значительно выше чувствительность к полю, так как для изменения снимаемого сигнала от нуля до максимума нет необходимости полностью перемагничивать пленку магнитооптического материала. Более высокая чувствительность к полю также позволяет повысить точность измерения.