基於快光效應的超靈敏環形雷射磁力儀及使用方法與流程
2023-05-10 03:14:01
本發明涉及一種雷射磁力儀，具體是一種基於快光效應的超靈敏環形雷射磁力儀及使用方法，屬於弱磁場檢測技術領域。
背景技術：
高靈敏度磁力儀在航空磁探、地球磁場測量以及軍事反潛等領域具有廣泛的應用。目前主流的高精度磁力儀為各種量子磁力儀，包括Overhauzer質子磁力儀、原子光泵磁力儀、超導磁力儀和新型原子磁力儀，它們各有特點。Overhauzer質子磁力儀發展較早，靈敏度在的量級，不存在盲區(dead zone)和航向誤差(heading error)，缺點是梯度容忍度較小、採樣率較低；原子光泵磁力儀有光泵K、Rb、Cs和He磁力儀，其中K和He磁力儀靈敏度優於但盲區和航向誤差對它們的應用產生了一定限制，而且跟蹤速度較慢。超導磁力儀靈敏度高達最大的問題是需要龐大的低溫系統，不便於使用；新型原子磁力儀如SERF磁力儀理論靈敏度可達但只能在極弱的磁場環境下工作。
環形雷射器是一種對非互易效應非常敏感的器件，在環形雷射器的環形諧振腔中放入磁光器件如磁光玻璃，當磁場在磁光玻璃上存在分量時，可在環形雷射器的順時針和逆時針之間產生與之成正比的非互易頻差。通過拍頻的方法測出頻差，即可求出磁場分量大小[張書練,馮鐵蓀,田芊.環形雷射弱磁傳感器原理研究.地球物理學報,1986,29(4):363-368]。環形雷射磁力儀的優勢在於它是矢量磁力儀，且不怕磁場梯度的影響，不存在盲區，但在目前的磁光器件工藝水平下，通常環形雷射磁力儀的靈敏度在的範圍，與高精度光泵量子磁力儀相比靈敏度要低。
技術實現要素：
本發明的目的是利用快光效應來增強環形雷射磁力儀的靈敏度，實現高穩定性高靈敏度的矢量磁力儀。快光效應指的是通過調整快光介質的群折射率，使通過該介質的光脈衝速度大於光速的效應。在雷射腔中放入快光介質可使雷射頻率隨諧振腔等效光程的變化率大大增強，因而可用來增強環形雷射陀螺、引力波測量儀等裝置的靈敏度。
本發明基於以下原理：光的群折射率定義為ng＝n+νdn/dν，其中，n為光在真空中的折射率，ν為光在真空中的頻率。在具有反常色散特性的介質中，可使ng小於1，這時光的群速將大於真空光速，稱為超快光速，反常色散介質又稱為快光介質。對於環形雷射腔中頻率為ν1的順時針光波和頻率為ν2的逆時針光波，快光介質的群折射率
其中，ns(ν1)和ns(ν2)分別為為快光介質中頻率為ν1的順時針光波和頻率為ν2的逆時針光波的折射率。
因此，環形雷射腔出射的順時針光波頻率ν1和逆時針光波頻率ν2間的頻率差為，
式中，c為真空光速，V為磁光玻璃的沃爾德常量，B為磁場強度；n0為增益氣體的折射率，約為1；ng為快光介質的群折射率；l1、l2、l3分別為增益氣體、磁光玻璃和快光介質的長度。
快光介質的群折射率可以在很大的範圍內選擇，當選擇快光介質的群折射率使n0(l1+l2)+ngl3接近0時，就可以實現環形雷射磁力儀靈敏度的增強。
本發明採用的技術方案為：一種基於快光效應的超靈敏環形雷射磁力儀，包含由一號反射鏡101、二號反射鏡102、三號反射鏡103和一號半反半透鏡104組成的雷射諧振腔1、雷射增益管2、石英晶體3、磁光玻璃4、快光介質5、合光稜鏡6、二號半反半透鏡7、一號濾波器8、二號濾波器9、一號光電探測器10、二號光電探測器11、放大器12、處理系統13、穩流電源14、穩定分流電路15。其中，一號反射鏡101、二號反射鏡102、三號反射鏡103和半反半透鏡104置於矩形的四個角上，其反射面法線與矩形的對角線重合；雷射增益管2位於三號反射鏡103和半反半透鏡104之間的諧振光路上，用於對諧振腔中運行的雷射提供增益，實現光放大；石英晶體3和磁光玻璃4位於一號反射鏡101和二號反射鏡102之間的諧振光路上，石英晶體3的光軸沿諧振光傳播方向，用於使雷射諧振腔中運行的光形成左旋圓偏振光(LCP)和右旋圓偏振光(RCP)，磁光玻璃4用於使左旋圓偏振光(LCP)和右旋圓偏振光(RCP)在雷射諧振腔1中產生光程差；快光介質5位於一號反射鏡101和半反半透鏡104之間的諧振光路上。所述的處理系統13包含數據採集卡和計算機，用於實現信號採集和計算。
穩流電源14和穩定分流電路15為雷射增益管2提供電流，使雷射增益管2受激出光，雷射增益管2出射的順時針(CW)行進的光依次經過三號反射鏡103、二號反射鏡102、磁光玻璃4、石英晶體3、一號反射鏡101、快光介質5，最後在一號半反半透鏡104處出射；雷射增益管2出射的逆時針(AW)行進的光依次經過一號半反半透鏡104、快光介質5、一號反射鏡101、石英晶體3、磁光玻璃4、二號反射鏡102、三號反射鏡103、雷射增益管2、最後再從一號半反半透鏡104出射；一號半反半透鏡104將逆時針(AW)行進的光和順時針(CW)行進的光輸出給合光稜鏡6進行混合，混合後的雷射通過二號半反半透鏡7分為兩束：一束光經過一號濾波器8後由一號光電探測器10接收，另一束光經過二號濾波器9後由二號光電探測器11接收，一號光電探測器10和二號光電探測器11輸出的信號經過放大器12放大後送入處理系統13進行處理。
本發明對磁場的測量是通過以下步驟實現的：
步驟一，雷射諧振腔1中穩定輸出順時針(CW)和逆時針(AW)光波。穩流電源14和穩定分流電路15為雷射增益管2提供電流，使雷射增益管2受激出光，並在由一號反射鏡101、二號反射鏡102、三號反射鏡103和一號半反半透鏡104組成的雷射諧振腔1中形成順時針行進的光(CW)和逆時針行進的光(AW)；所述順時針(CW)行進的光和逆時針(AW)行進的光通過多次增益放大後，在一號半反半透鏡104處穩定出光。
步驟二，雷射諧振腔1輸出的正、負旋光(相對於磁光玻璃4定義)產生不同的光程差。石英晶體3使雷射諧振腔中運行的光形成左旋圓偏振光(LCP)和右旋圓偏振光(RCP)：此時，半反半透鏡104處輸出的雷射包含有四種成分：順時針左旋圓偏振雷射(CW-LCP)、順時針右旋圓偏振雷射(CW-RCP)、逆時針左旋圓偏振雷射(AW-LCP)、逆時針右旋圓偏振雷射(AW-RCP)。順時針左旋圓偏振雷射(CW-LCP)和順時針右旋圓偏振雷射(CW-RCP)相對於磁光玻璃4處的磁場來說定義為正旋光和負旋光；逆時針左旋圓偏振雷射(AW-LCP)和逆時針右旋圓偏振雷射(AW-RCP)相對於磁光玻璃4處的磁場來說則為負旋光和正旋光。在磁場作用下，磁光玻璃4使正、負旋光產生不同的光程差，正、負旋光光程差的變化引起兩束光頻率差的變化。因此，正、負旋光頻率差反映磁光玻璃4處的磁場強度。
步驟三，利用快光介質5提高環形雷射磁力儀的靈敏度。選擇快光介質5的群折射率使n0(l1+l2)+ngl3接近0，由下式中頻率差與磁場強度的對應關係：
可知磁場的微小變化會引起兩束光頻率差發生較大的變化，從而提高本發明所述環形雷射磁力儀的靈敏度。
步驟四，利用雷射諧振腔1輸出的「光拍」頻率得到待測量磁場的大小。一號半反半透鏡104將順時針左旋圓偏振雷射(CW-LCP)、順時針右旋圓偏振雷射(CW-RCP)、逆時針左旋圓偏振雷射(AW-LCP)、逆時針右旋圓偏振雷射(AW-RCP)輸出給合光稜鏡6進行混合，混合後的雷射經由二號半反半透鏡7分為左旋圓偏振光和右旋圓偏振光：其中左旋圓偏振光(包含一正旋光和一負旋光)經過一號濾波器8後輸出給一號光電探測器10；右旋圓偏振光(包含一正旋光和一負旋光)經過二號濾波器9輸出給二號光電探測器11。正、負旋光形成「光拍」，一號光電探測器10和二號光電探測器11測量得到的光拍信號經過放大器12放大後送入處理系統13進行處理，「光拍」的頻率即為正、負旋光的頻率差，通過測量該頻率差就可以由下式求得磁場的大小：
<![CDATA[ B = Δ v π n 0 ( l 1 + l 2 ) + n g l 3 2 cVl 2 . ]]>
本發明具有以下技術效果：首先，與其他磁力儀相比，本發明使用快光介質，具有較高的靈敏度；其次，本發明沒有其他磁力儀的電振動和電磁共振，不受廣播等空間電磁場的幹擾；最後，本發明結構簡單，無活動部件，抗機械振動能力強，能夠實現惡劣條件下的高精度磁場測量。附圖說明
圖1是基於快光效應的超靈敏環形雷射磁力儀主體結構示意圖。
圖2是一號半反半透鏡104處輸出的雷射成分示意圖。
具體實施方式
下面參考附圖對本發明的具體實施方式進行詳細說明。
參見圖1，本發明所述的基於快光響應的超靈敏環形雷射磁力儀由一號反射鏡101、二號反射鏡102、三號反射鏡103和一號半反半透鏡104組成的雷射諧振腔1、雷射增益管2、石英晶體3、磁光玻璃4、快光介質5、合光稜鏡6、二號半反半透鏡7、一號濾波器8、二號濾波器9、一號光電探測器10、二號光電探測器11、放大器12、處理器13、穩流電源14、穩定分流電路15組成。
穩流電源14和穩定分流電路15為雷射增益管2提供電流，使雷射增益管2受激出光，雷射增益管2出射的順時針(CW)行進的光依次經過三號反射鏡103、二號反射鏡102、磁光玻璃4、石英晶體3、一號反射鏡101、快光介質5，最後在一號半反半透鏡104處出射；雷射增益管2出射的逆時針(AW)行進的光依次經過一號半反半透鏡104、快光介質5、一號反射鏡101、石英晶體3、磁光玻璃4、二號反射鏡102、三號反射鏡103、雷射增益管2、最後再從一號半反半透鏡104出射；一號半反半透鏡104將逆時針(AW)行進的光和順時針(CW)行進的光輸出給合光稜鏡6進行混合，混合後的雷射通過二號半反半透鏡7分為兩束：一束光經過一號濾波器8後由一號光電探測器10接收，另一束光經過二號濾波器9後由二號光電探測器11接收，一號光電探測器10和二號光電探測器11輸出的信號經過放大器12放大後送入處理系統13進行處理。
本實施方式中，所述的石英晶體3的光軸沿諧振光傳播方向，用於使雷射諧振腔中運行的光形成左旋圓偏振光(LCP)和右旋圓偏振光(RCP)。
所述的磁光玻璃4使左旋圓偏振光(LCP)和右旋圓偏振光(RCP)在雷射諧振腔1中產生光程差；
所述的快光介質5的群折射率其中，n0為增益氣體的折射率，l1、l2、l3分別為增益氣體、磁光玻璃和快光介質的長度。
本發明對磁場的測量的具體實施方法：
步驟一，雷射諧振腔1中穩定輸出順時針(CW)和逆時針(AW)光波。穩流電源14和穩定分流電路15為雷射增益管2提供電流，使雷射增益管2受激出光，並在由一號反射鏡101、二號反射鏡102、三號反射鏡103和一號半反半透鏡104組成的雷射諧振腔1形成順時針行進的光(CW)和逆時針行進的光(AW)；所述順時針(CW)行進的光和逆時針(AW)行進的光通過多次增益放大後，在一號半反半透鏡104處穩定出光。步驟二，雷射諧振腔1輸出的正、負旋光(相對於磁光玻璃4定義)產生不同的光程差。石英晶體3使雷射諧振腔中運行的光形成左旋圓偏振光(LCP)和右旋圓偏振光(RCP)：此時，半反半透鏡104處輸出的雷射包含有四種成分：順時針左旋圓偏振雷射(CW-LCP)、順時針右旋圓偏振雷射(CW-RCP)、逆時針左旋圓偏振雷射(AW-LCP)、逆時針右旋圓偏振雷射(AW-RCP)。順時針左旋圓偏振雷射(CW-LCP)和順時針右旋圓偏振雷射(CW-RCP)相對於磁場玻璃4處的磁場來說定義為正旋光和負旋光；逆時針左旋圓偏振雷射(AW-LCP)和逆時針右旋圓偏振雷射(AW-RCP)相對於磁場玻璃4處的磁場來說則為負旋光和正旋光。在磁場作用下，磁光玻璃4使正、負旋光產生不同的光程差，正、負旋光光程差的變化引起兩束光頻率差的變化，參見圖2。因此，正、負旋光頻率差反映磁光玻璃4處的磁場強度。
步驟三，利用快光介質5提高磁力儀的靈敏度。選擇快光介質5的群折射率使n0(l1+l2)+ngl3接近0，由式(2)中頻率差與磁場強度的對應關係，磁場的微小變化會引起兩束光頻率差發生較大的變化。
步驟四，利用雷射諧振腔1輸出的「光拍」頻率得到測量的磁場大小。一號半反半透鏡104將順時針左旋圓偏振雷射(CW-LCP)、順時針右旋圓偏振雷射(CW-RCP)、逆時針左旋圓偏振雷射(AW-LCP)、逆時針右旋圓偏振雷射(AW-RCP)輸出給合光稜鏡6進行混合，混合後的雷射由半反半透鏡7分為為左旋圓偏振光和右旋圓偏振光：其中左旋圓偏振光(包含一正旋光和一負旋光)經過一號濾波器8輸出給一號光電探測器10；右旋圓偏振光(包含一正旋光和一負旋光)經過二號濾波器9輸出給二號光電探測器11。正、負旋光形成「光拍」，一號光電探測器10和二號光電探測器11測量得到的光拍信號經過放大器12放大後送入處理系統13進行處理，「光拍」的頻率即為正、負旋光的頻率差，通過測量該頻率差就可以計算得到測量磁場的大小。