волоконно-оптический датчик магнитного поля

Формула изобретения

Волоконно-оптический датчик магнитного поля, состоящий из источника света, устройства для ввода света в оптическое волокно в первом плече разветвленной части Y-образного оптического волокна, магнитооптического материала в торце неразветвленной части оптического волокна, фотоприемника во втором плече разветвленной части оптического волокна, отличающийся тем, что содержит модовый фильтр между оптическим волокном и магнитооптическим материалом, магнитооптический материал состоит из двух пленок с различающимися намагниченностями насыщения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике магнитных измерений.

Известно устройство для измерения напряженности магнитных полей (Залысин С.П., Кубраков Н.Ф., Червоненкис А.Я. Магнитооптический датчик токов и полей //Тр. МЭИ. 1981. Вып.557, с.67-72). Устройство содержит входное оптическое волокно, поляризатор, магнитную пленку, анализатор, выходное оптическое волокно, фотоприемник. Напряженность магнитного поля определяют по известной зависимости между величиной светового потока и напряженностью магнитного поля.

Недостатком устройства является низкая пространственная разрешающая спосбность.

Известен также волоконно-оптический датчик 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), выбранный в качестве прототипа. Устройство содержит источник света, устройства для ввода света в оптическое волокно в первом плече разветвленной части Y-образного оптического волокна, магнитооптический материал в торце неразветвленной части оптического волокна, период доменной структуры в котором связан с числовой апертурой волокна соотношением - ( - длина волны света, d - период доменной d структуры, NA - числовая апертура оптического волокна), фотоприемник во втором плече разветвленной части оптического волокна. Свет дифрагирует на доменной структуре в магнитооптическом материале. Излучение нулевого порядка дифракции на доменной структуре распространяется в обратном направлении по оптическому волокну, излучение высших порядков дифракции рассеивается в оболочке оптического волокна.

Недостатком датчика магнитного поля является низкая точность измерения напряженности магнитного поля, обусловленная малым динамическим диапазоном.

В основу изобретения поставлена задача - усовершенствовать волоконно-оптический датчик магнитного поля путем повышения точности измерения за счет расширения динамического диапазона.

Поставленная задача решается тем, что в волоконно-оптическом датчике магнитного поля, состоящем из источника света, устройства для ввода света в оптическое волокно в первом плече разветвленной части Y-образного оптического волокна, магнитооптического материала в торце неразветвленной части оптического волокна, фотоприемника во втором плече разветвленной части оптического волокна, согласно изобретению содержится модовый фильтр между оптическим волокном и магнитооптическим материалом, магнитооптический материал состоит из двух пленок с различающимися намагниченностями насыщения.

Модовый фильтр уменьшает угловую расходимость излучения, дифрагирующего на магнитооптическом материале и попадающего на фотоприемник. Поэтому снимается необходимость соблюдения соотношения между апертурой оптического волокна и периодом доменной структуры в магнитооптическом материале . Одна из пленок магнитооптического материала может быть выполнена с меньшей намагниченностью насыщения, большим периодом доменной структуры и более высокой чувствительностью к полю. Использование двух пленок магнитооптического материала с различающейся намагниченность насыщения повышает динамический диапазон устройства и точность измерения.

На чертеже представлена оптическая схема датчика магнитного поля. 1 - Y-образное оптическое волокно, 2 - источник света, 3 - устройство для ввода света в оптическое волокно 1, расположенные в первом разветвленном плече оптического волокна, 4 - подложка с двумя пленками магнитооптического материала, расположена в торце неразветвленной части оптического волокна 1, 5 - модовый фильтр, расположенный в неразветвленной части оптического волокна 1, 6 - фотоприемник, расположенный во втором разветвленном плече оптического волокна 1.

Устройство работает следующим образом. Излучение источника света 2 возбуждает оптическое волокно 1 устройством для ввода излучения 3. Модовый фильтр 5 пропускает в магнитооптический материал узкий угловой спектр приосевых мод. Угловая расходимость светового пучка, дифрагирующего на магнитооптическом материале, меньше апертурного угла оптического волокна. Излучение нулевого порядка дифракции на магнитооптическом материале пройдет через модовый фильтр 5 и через торец второго ответления Y-образного оптического волокна попадет на фотоприемник 6. Излучение высших порядков дифракции поглотится модовым фильтром 5. Малый диапазон углов, под которыми модовый фильтр пропускает излучение от магнитооптического материала к фотоприемнику, позволяет использовать более толстые магнитооптические материалы с большим периодом доменной структуры и более высокой дифракционной эффективностью.

При помещении пленок магнитооптического материала 4 в исследуемое магнитное поле произойдет перераспределение энергии между порядками дифракции. Интенсивность высших порядков уменьшится, нулевого - возрастет. В результате изменится интенсивность светового потока, регистрируемого фотоприемником 6. Производят градуировку датчика в магнитном поле с известной напряженностью, и по полученной зависимости между величиной фотосигнала и напряженностью магнитного поля определяют напряженность исследуемого поля. При малых напряженностях магнитного поля производится перестройка доменной структуры в пленке магнитооптического материала с малой намагниченностью. В процессе возрастания поля перестройка доменной структуры в первой пленке завершается и начинается перестройка в другой. В итоге возрастает динамический диапазон и точность измерения.

Пленки магнитооптического материала в процессе эпитаксиального выращивания получаются, как правило, с двух сторон подложки. Для уменьшения намагниченности насыщения и поля насыщения на поверхность одной из пленок напыляется слой SiO₂. После чего производят отжиг магнитооптического материала.

Пример. В качестве модового фильтра может быть использован утоньченный участок оптического волокна с поглощающим свет слоем на оболочке. Участок волокна нагревают до размягчения и растягивают. При этом диаметр световедущей жилы в наиболее тонком месте уменьшается с 50 мкм до 5 мкм. Вместо однородного по толщине оптического волокна получают участок, который условно можно назвать концентрирующим свет фоконом, однородный участок, и расширяющего фокона. Уменьшение диаметра светового пучка в сужающейся части сердцевины волокна увеличивает его расходимость и моды, распространяющиеся под большими углами к оси волокна, выходят в оболочку, попадают в поглощающий слой и прекращают свое распространение по волокну. Осевая и приосевые моды после расширения попадают на магнитооптический материал и дифрагируют. Апертура светового пучка, освещающего магнитооптический материал, уменьшается в 10 раз по сравнению с прототипом. Соответственно толщина пленки магнитооптического материала и период доменной структуры могут быть увеличены. В заявляемом датчике могут быть использованы магнитооптические материалы, дифракционная эффективность которых значительно выше, чем в прототипе. Следовательно, за счет этого также повышается динамический диапазон и точность измерения.

В заявляемом устройстве повышается точность измерения, повышается динамический диапазон. Одновременно снижаются требования к параметрам магнитооптического материала, что позволяет использовать более дешевые магнитные материалы. Магнитооптические датчики магнитного поля обладают более высокой разрешающей способностью по сравнению, например, с датчиками Холла. Кроме того, магнитооптические датчики магнитного поля не содержат токоведущих частей и могут быть использованы для измерения полей в агрессивных средах.