一种基于光学微腔中磁光效应的磁场梯度探测方法

技术领域

本发明涉及磁光探测领域，具体是一种基于光学微腔中磁光效应的磁场梯度探测方法。

背景技术

光学微腔是一种具有光场高度局域化特征的微米尺度上的设备，在这种结构上光场与磁场产生强相互作用。在球状光学微腔中，回音壁模式是光场存在的一种重要模式，在射线光学的角度来说，回音壁微腔中光存在全反射。此外，光场的稳定性要求是：在回音壁光学微腔中，光子运行一周中产生的光程是光子波长的整数倍。这个波长对应的频率是回音壁模式的本征频率，也是对回音壁微腔扫谱时最大的吸收频率。

回音壁微腔中光子高度局域化的特点使得回音壁微腔中的光子较为稳定，但这也带来了一个难题：回音壁微腔中的光场难以被探测。

回音壁模式中只有满足光程是波长的整数倍的频率的光场才能稳定存在，外磁场激发的磁学波可以改变磁导率，进而改变腔的折射率。相邻腔的折射率变化差正比于两点间的磁场梯度。而其出射光的频率差，即拍频正比于这个折射率差。

传统的磁场梯度探测方案中承载探测信息的是射频信号或者电信号，抗电磁干扰能力比较差，并且信号不能远程处理；

发明内容

针对如何利用磁光腔实现磁场梯度测量的题，本发明提出了一种基于光学微腔中磁光效应的磁场梯度探测方法，利用光学微腔实现了磁场梯度传感；处理的信号都是光信号，具有环境鲁棒性；而且支持超远程探测，探测的距离仅受现代光纤中光传播距离的限制。

所述的基于光学微腔中磁光效应的磁场梯度探测方法，具体步骤如下：

步骤一、搭建磁场的光学微腔探测装置；

包括：激光器通过法兰耦合光纤一端，光纤另一端连接分束器，分束器将光纤分成ABCD四路，均分别通过核心组件后，各路输出光纤分别通过法兰连接滤波器，滤波后经光探测器最终输入到示波器；四路示波器对核心组件进行观察。

所述的核心组件是：基底为面包板，通过面包板上的通孔固定三个正交方向的微波发射仪，三个正交方向的交点处固定核心器件；

所述的核心器件中包括四个微球腔，分别位于正方形的四个顶点；

四路光纤中，两路光纤分别位于两排微球腔的上方，另两路光纤分别位于两列微球腔的侧方；三个微波发射仪通过信号线缆连接天线，将微波信号经天线传输到微球腔内，同时微球腔位于外加磁场的范围内；

所述的微球腔放置在位移器上，通过移动位移器，带动微球腔上下移动或左右移动。

在微球腔外侧安装有伸缩支架，支架上搭载光纤，通过调整伸缩支架的长度，进而调整光纤与微球腔之间的间距。

步骤二、选取AB两路光纤所在的方向为x方向，CD两路光纤所在的方向为y方向，构建平面x,y坐标系。

同理，也可以选择CD两路光纤所在的方向为x方向，AB两路光纤所在的方向为y方向。

步骤三、关闭y方向的激光激励，打开x方向的激光激励，并调制激光的偏振方向为横电场方向，当AB两个示波器显示透射光强度为0时，光吸收最大。

步骤四、在AB两个示波器显示为0时，打开三个微波发射仪，在微波信号和磁场的共同作用下，计算x方向的磁场梯度；

具体过程为：

首先，针对每路光纤，当激光频率为w的光依次经过两个微球腔时，由于两个微球腔所处的磁场强度不同，在两个微球腔处分别产生频率为w1和w2的光；

经过滤波器后将频率w的光过滤掉，剩余的光产生频率为w2-w1的拍频；

然后，利用拍频除以微球腔本身的固有频率与磁场强度对应的系数g，即得到两个微球腔间的磁场强度差：d＝(w2-w1)/g；

最后，利用磁场强度差除以两个微球腔球之间的距离l，即得到x方向的磁场梯度：

x＝d/l

步骤五、同理，关闭x方向的激光激励，打开y方向的激光激励，重复步骤三和步骤四，得到y方向的磁场梯度，并综合构建二维面上的磁场梯度矢量(x,y)。

本发明优点在于：

一种基于光学微腔中磁光效应的磁场梯度探测方法，采用拍频-折射率差-磁场梯度对应机制，通过拍频实现光学场的探测，拍频探测具有设备要求低的特点，使用光场做为探测信号的载体，具备极好的远程探测及复杂环境应对的能力。

附图说明

图1为本发明一种基于光学微腔中磁光效应的磁场梯度探测方法流程图；

图2为本发明搭建磁场的光学微腔探测装置线路图；

图3为本发明采用的微波发射仪的安装示意图；

图4为本发明采用的核心器件在单方向上的安装示意图；

图5为本发明采用的核心部件与光纤的耦合阵列安装示意图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图对本发明作进一步的详细和深入描述。

本发明公开了一种基于光学微腔中磁光效应的磁场梯度探测方法，利用磁场激励下磁导率会产生周期性振荡的磁光学材料，并将其制备成球形，以承载回音壁模式的光学场；从而利用光学场的频率来检测磁球所在点的磁场情况，通过将球形结构制备成二维阵列，并利用波导将球状结构进行空间上的耦合，不同位置的磁球光场频率不同，这些光之间叠加形成拍频，拍频对应于两个球光场的频率差，也即是磁场强度差，从而测量了单方向上的磁场差。通过制备的阵列，进一步实现二维面上的磁场梯度探测。

所述的基于光学微腔中磁光效应的磁场梯度探测方法，如图1所示，具体步骤如下：

步骤一、搭建磁场的光学微腔探测装置；

如图2所示，包括：激光器通过法兰耦合光纤一端，光纤另一端连接分束器，分束器将光纤分成ABCD四路，均分别通过核心组件后，各路输出光纤分别通过法兰连接滤波器，滤波后经光探测器最终输入到示波器，其中B，C，D部份与A部份完全相同；四路示波器对核心组件进行观察。

如图3所示，所述的核心组件是：基底为面包板，通过面包板上的通孔固定三个正交方向的微波发射仪，三个正交方向的交点处固定核心器件；

如图4和图5所示，所述的核心器件中包括四个微球腔，分别位于正方形的四个顶点；

四路光纤中，两路光纤分别位于两排微球腔的上方，另两路光纤分别位于两列微球腔的侧方；三个微波发射仪通过信号线缆连接天线，将微波信号经天线传输到微球腔内，同时微球腔位于外加磁场的范围内；

所述的微球腔放置在位移器上，通过移动位移器，带动微球腔上下移动或左右移动。

在微球腔外侧安装有伸缩支架，支架上搭载光纤，通过调整伸缩支架的长度，进而调整光纤与微球腔之间的间距。

进一步，所述微球腔材料采用钇铁石镏石，氟化铁，掺Bi稀土铁石榴石头中的一种。

进一步，所述光纤采用二氧化硅、硅、氮化硅、铌酸锂、氮化铝、氮化镓和锗中的一种。

步骤二、选取AB两路光纤所在的方向为x方向，CD两路光纤所在的方向为y方向，构建平面x,y坐标系。

同理，也可以选择CD两路光纤所在的方向为x方向，AB两路光纤所在的方向为y方向。

或者固定两个微波激励的方向，使其在探测平面上正交，从而构建x,y坐标系。

步骤三、关闭y方向的激光激励，打开x方向的激光激励，并调制激光的偏振方向为横电场方向，当AB两个示波器显示透射光强度为0时，调整激光频率使得光吸收最大。

步骤四、在AB两个示波器显示为0时，打开三个微波发射仪，在微波信号和磁场的共同作用下产生拍频，利用光电探测器探测拍频，从而计算x方向的磁场梯度；

具体过程为：

首先，针对每路光纤，当激光频率为w的光依次经过两个微球腔时，由于两个微球腔所处的磁场强度不同，在两个微球腔处分别产生频率为w1和w2的光；

经过滤波器后将频率w的光过滤掉，剩余的光产生频率为w2-w1的拍频；

然后，利用拍频除以微球腔本身的固有频率与磁场强度对应的系数g，即得到两个微球腔间的磁场强度差：d＝(w2-w1)/g；

最后，利用磁场强度差除以两个微球腔球之间的距离l，即得到x方向的磁场梯度：

x＝d/l

步骤五、同理，关闭x方向的激光激励，打开y方向的激光激励，重复步骤三和步骤四，得到y方向的磁场梯度，并综合构建二维面上的磁场梯度矢量(x,y)。

实施例

首先，搭建磁场的光学微腔探测装置中，激光光源为标准的通信光源即波长为1550nm的激光，功率为0.03mw；四个微球腔采用表面抛光的钇铁石镏石球阵列，光纤耦合于钇铁石镏石微球阵列的赤道位置，激光场激发磁导率的振动，同一个光纤上的两个微球在磁场作用下出射的光波长会存在一定的频率差，这两部分光会形成拍频；光探测器将光学信号的拍频转换为电学信号，通过示波器探测。

光纤以二氧化硅为材质光纤锥结构，外部微波激发结构的功率为320mw。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。