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環(huán)形激光磁力儀的特性分析
在早期，磁光玻璃對光的吸收是限制其靈敏度的主要因素，下面是小編搜集整理的一篇探究環(huán)形激光磁力儀特性的論文范文，歡迎閱讀查看。
摘 要：對環(huán)形激光磁力儀的特性進(jìn)行了分析。首先推導了靈敏度，發(fā)現當采用低吸收鋱玻璃時(shí)，理論靈敏度達1 pT/Hz1/2量級，基本滿(mǎn)足探潛的靈敏度要求。接著(zhù)與光泵量子磁力儀進(jìn)行了比較，表明環(huán)形激光磁力儀具有動(dòng)態(tài)范圍大、工程適應性好、響應速度快、信號處理簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。然后討論了激光陀螺技術(shù)的發(fā)展對環(huán)形激光磁力儀的支撐作用，如微晶玻璃加工工藝、鍍膜技術(shù)、異面腔設計、電子細分技術(shù)等。最后分析了磁光玻璃Verdet常量溫度系數的影響。上述分析表明，環(huán)形激光磁力儀具有其獨特的優(yōu)勢和特點(diǎn)，值得深入研究。
關(guān)鍵詞：磁力儀 環(huán)形激光器 靈敏度 溫度
高靈敏度磁力儀在航空磁探、地球磁場(chǎng)測量以及軍事反潛等領(lǐng)域具有廣泛的應用[1-2]。目前主流的高精度磁力儀為各種量子磁力儀，包括Overhauzer質(zhì)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(diǎn)。Overhauzer質(zhì)子磁力儀發(fā)展較早，靈敏度在0.01nT/Hz1/2的量級，不存在盲區(dead zone)和航向誤差(heading error)，缺點(diǎn)是梯度容忍度較小、采樣率較低。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(yōu)于1pT/Hz1/2，但盲區和航向誤差對它們的應用產(chǎn)生了一定限制，而且跟蹤速度較慢。超導磁力儀靈敏度高達1fT/Hz1/2，最大問(wèn)題是需要龐大的低溫系統，不便于使用。新型原子磁力儀如SERF磁力儀理論靈敏度可達1aT/Hz1/2，但只能在極弱的磁場(chǎng)環(huán)境下工作[1]。在20世紀80年代，張書(shū)練教授提出利用環(huán)形激光實(shí)現弱磁測量的方案[2-4]，并進(jìn)行了一系列的理論和實(shí)驗研究，但限于當時(shí)磁光玻璃吸收較大、玻璃管激光器穩定性和工程適用性較差等不利因素，環(huán)形激光磁力儀未能實(shí)用。隨著(zhù)激光技術(shù)和工藝的進(jìn)步，限制環(huán)形激光磁力儀靈敏度的很多因素已經(jīng)得到解決，再考慮到環(huán)形激光磁力儀不存在盲區和航向誤差、不受磁場(chǎng)梯度影響以及采樣率高等優(yōu)點(diǎn)，因此值得深入研究。該文對環(huán)形激光磁力儀的特性進(jìn)行了分析，重點(diǎn)是靈敏度和溫度穩定性，對環(huán)形激光磁力儀研制具有一定的參考作用。
1 環(huán)形激光磁力儀靈敏度分析
1.1 原理簡(jiǎn)介
環(huán)形激光磁力儀原理如圖1所示[5]。反射鏡M1-M4構成一個(gè)環(huán)形諧振腔，90度石英晶體旋光器使環(huán)路中運行圓偏振光并抑制線(xiàn)偏振光振蕩，這時(shí)在諧振腔中一個(gè)縱模將分裂為4個(gè)，分別為左旋順時(shí)針、左旋逆時(shí)針、右旋順時(shí)針和右旋逆時(shí)針模，其中左旋(LCP)模和右旋(RCP)模的頻率間隔為。在磁場(chǎng)作用下磁光玻璃使左旋和右旋的對模再次產(chǎn)生頻率分裂，
式中：為磁光玻璃的Verdet常量，B為沿光路方向的平均磁場(chǎng)強度，l為磁光玻璃長(cháng)度，c為真空光速，L為環(huán)形腔長(cháng)度。式(1)表明，磁光頻率分裂與磁場(chǎng)強度成正比，將左旋和右旋模的頻差求和可使靈敏度增大一倍，而且還可以抑制Sagnac效應的影響。
1.2 靈敏度分析
在早期，磁光玻璃對光的吸收是限制其靈敏度的主要因素，但目前磁光玻璃的吸收系數已經(jīng)較低。以西安奧法公司生產(chǎn)的MR3-2磁光玻璃為例，其Verdet常量為96 rad/(T.m)，吸收系數小于0.001/cm。設環(huán)形激光器腔長(cháng)為50 cm，磁光玻璃長(cháng)為20 cm，諧振腔單程損耗為，單程增益為0.05，輸出鏡透過(guò)率為，輸出功率0.1 mW，可求出磁力儀比例因子為：
即1 Hz相當于0.123nT。
環(huán)形激光磁力儀的極限精度由頻率不確定度決定。激光器空腔線(xiàn)寬為：
MHZ (3)
激光線(xiàn)寬為：
式中為普朗克常量，為激光波長(cháng)。
當取樣時(shí)間為時(shí)，由于激光頻率波動(dòng)導致的頻差測量不確定度為[7]：
將比例因子代入，可得激光磁力儀的靈敏度為1pT/Hz1/2，與AN/ASQ-208 型4He光泵磁探儀的靈敏度相當。
2 環(huán)形激光磁力儀特性分析
2.1 優(yōu)點(diǎn)
與量子磁力儀相比，環(huán)形激光磁力儀的優(yōu)點(diǎn)有：(1)動(dòng)態(tài)范圍大。根據環(huán)形激光陀螺的研制經(jīng)驗，環(huán)形激光器的頻差穩定性可達0.01 Hz，最小可測頻差達0.01 Hz，而最大磁光頻率分裂在10 MHz以上(主要由探測器帶寬決定)，因此環(huán)形激光磁力儀的測量范圍可從1 pT到1 mT以上，跨越9個(gè)數量級。(2)工程適應性好。環(huán)形激光磁力儀是基于經(jīng)典光學(xué)原理的傳感器，不存在盲區、航向誤差和磁場(chǎng)梯度容忍度問(wèn)題，具有良好的工程適應性。(3)響應速度快。激光磁力儀利用激光振蕩頻率隨磁場(chǎng)變化的原理，由于光場(chǎng)的建立在us量級，因此對磁場(chǎng)的變化響應迅速，可以實(shí)現對磁場(chǎng)的快速跟蹤。(4)信號處理簡(jiǎn)單。環(huán)形激光磁力儀所測磁場(chǎng)信號直接反映在左旋模式和右旋模式拍頻之和上，因此，利用光電探測器將激光信號放大后直接測量頻率即可測出磁場(chǎng)強度。
2.2 激光陀螺技術(shù)對環(huán)形激光磁力儀研制的支撐
環(huán)形激光磁力儀與四頻差動(dòng)激光陀螺[8]采用相同的結構，只是前者利用左旋模和右旋模拍頻之和與磁場(chǎng)成正比的原理，后者利用兩者之差與角速度成正比的原理。經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展，四頻差動(dòng)激光陀螺技術(shù)已經(jīng)比較成熟，因而可有力地支撐環(huán)形激光磁力儀的研制，表現在：(1)激光陀螺普遍采用微晶玻璃加工，而微晶玻璃的熱膨脹系數比石英玻璃小兩個(gè)量級，機械穩定性更好，因此采用微晶玻璃制作環(huán)形激光器非常便于環(huán)形激光磁力儀的工程化。(2)激光陀螺研制促進(jìn)了高反射和增透膜技術(shù)的發(fā)展，目前高反膜損耗小于20ppm，增透膜損耗小于200ppm，減小了反射損耗，而激光腔內損耗的降低有利于增強靈敏度。(3)利用異面腔可以代替石英旋光器來(lái)實(shí)現圓偏振光運轉，進(jìn)一步降低了腔損耗，提高了激光頻率穩定性。(4)得益于電子技術(shù)的進(jìn)步，激光陀螺的電子系統已經(jīng)實(shí)現了小型化和工程化，如用來(lái)激發(fā)He-Ne放電管的高壓電源電路、用來(lái)提高頻率穩定性的穩頻電路、用來(lái)提取傳感信息的光電探測電路等都非常成熟，稍作改動(dòng)或不用改動(dòng)就可用于環(huán)形激光磁力儀。最顯著(zhù)的進(jìn)步是高精度頻率測量方法的發(fā)展，能夠以?xún)?yōu)于0.01 Hz的測頻準確度測出磁光頻率差。(5)當磁光分裂較小時(shí)，環(huán)形激光器中兩個(gè)模式頻率將會(huì )鎖定在一起，因此無(wú)法測量極弱磁場(chǎng)(以1 kHz的閉鎖為例，低于1250 nT的磁場(chǎng)將無(wú)法測量)。激光陀螺采用頻率偏置技術(shù)人為施加一個(gè)較大的頻差使激光陀螺的工作點(diǎn)離開(kāi)鎖區，這種技術(shù)同樣可以用于環(huán)形激光磁力儀。
2.3 溫度敏感問(wèn)題
溫度敏感問(wèn)題是影響環(huán)形激光磁力儀精度的一大問(wèn)題。溫度主要通過(guò)諧振腔長(cháng)度和Verdet的溫度系數而影響磁力儀的精度，其中腔長(cháng)變化引起的磁光頻差變化為：
式中為腔長(cháng)變化引起的激光頻率變化。
對四頻環(huán)形激光器，短期穩頻精度優(yōu)于0.5 MHz，相對穩定度優(yōu)于10-10。在待測磁場(chǎng)強度小于0.1 mT時(shí)，由穩頻不穩定引入的誤差完全可以忽略。另一項為Verdet常量的溫度系數對傳感器的影響，在常溫下，鋱玻璃Verdet常量的相對溫度系數為[5]：
該系數嚴重影響了比例因子準確度，因此必須采取溫度控制措施。設溫度控制精度為0.001 K，這時(shí)Verdet常量溫度變化導致的測量相對誤差為，當待測磁場(chǎng)強度為0.1 mT時(shí)，測量精度為0.34nT。待測磁場(chǎng)越小，所導致的絕對測量誤差越小。減小溫度敏感性的另一方案是采用抗磁性磁光玻璃，如采用SF57，其Verdet常量是鋱玻璃的0.2倍，因此同等條件下靈敏度要降低到6pT/Hz1/2，但抗磁性玻璃的溫度系數非常小，采取溫度控制措施后，可基本消除Verdet溫度變化的影響。
3 結語(yǔ)
環(huán)形激光磁力儀靈敏度在1pT/Hz1/2的量級，基本滿(mǎn)足反潛磁探的靈敏度要求，而且與量子磁力儀相比，它具有動(dòng)態(tài)范圍大、工程適應性好、響應速度快等優(yōu)點(diǎn)。但環(huán)境溫度的變化對環(huán)形激光磁力儀的測量準確度有較大的影響，因此有必要對相應解決方案進(jìn)行研究。
參考文獻
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