[发明专利]基于铁磁薄膜与法布里珀罗腔的磁场传感系统

说明书

本发明提出了一种基于铁磁薄膜与法布里珀罗腔的磁场传感系统，其中铁磁薄膜为钇铁石榴石薄膜，放置在完全固定的法布里珀罗腔的内部，腔内的光场可以双向透过薄膜，当外界磁场信号存在时，薄膜对磁场产生的响应由腔的透射特性反映出来，获得利用光学谐振腔透射特性解调的磁场传感系统。通过选取腔和薄膜的结构参数，在铁磁薄膜与法布里珀罗腔构成的传感单元内同时获得高品质因数的光学模式和高频率的力学模式，利用直流磁场调谐铁磁共振频率与腔的力学模式频率接近，获得谐振增强，提升交流磁场传感灵敏度。实现了力学模式和光学模式的解耦使得同时获取高光学品质因数和高频率力学模式成为可能，为高频磁场探测提供了新的技术方案。

技术领域

本发明涉及的是一种基于铁磁薄膜与法布里珀罗腔的磁场传感系统，具体涉及的是由法布里珀罗(Fabry Perot,FP)腔和磁性绝缘体钇铁石榴石(Yttrium Iron Garnet，YIG)薄膜构成的磁场传感结构，属于光学领域。

背景技术

磁场传感器具有无损探测的优势，应用范围十分广泛，在数字经济、航天航空、工业控制、自动驾驶、生物医疗等领域都发挥重要作用。现有的基于光学谐振腔的磁场传感系统主要是由光学谐振腔和磁致伸缩介质构建而成，通过选取回音壁模式光学谐振腔结构参数使其力学模式最大位移场更多的位于光学模式传输的区域，以此增强磁场产生的力对光场传输区域处介质的作用力，并利用力学模式和外界待测磁场信号的谐振增强去提升磁场传感灵敏度。由于应用领域对高精度、宽频带磁场传感器的需求不断增加，研究人员在现有技术基础上进一步拓展，将YIG微球腔和光纤锥进行耦合，利用微波腔激发YIG微球腔的铁磁共振，通过铁磁共振、力学模式和待测磁场信号的三重谐振增强使得传感系统的灵敏度进一步提升。然而YIG微球腔是同时作为光学模式和力学模式的谐振腔，光学模式和力学模式是耦合在一起的。因此，很难保证在同一个YIG微球腔中既可以得到高品质因数，又可以得到高频率力学模式。研究人员为了得到更好的探测性能，选择将YIG微球腔的尺寸做大，保证谐振腔可获取高品质因数的光学模式，由于腔尺寸变大，导致其力学模式频率不高，一定程度上可以说是为了获得高光学品质因数而牺牲了高频率的力学模式，导致YIG微球腔磁场传感系统的最佳灵敏度对应的频率比较低，而铁磁共振频率又主要分布在百MHz至GHz频段。因此通过调谐YIG微球腔的铁磁共振频率来匹配力学模式频率,技术实现难度大，且铁磁共振频率至多可降至到力学模式最大频率附近，两者频率重合比较困难，通过三重谐振的方式提升磁场传感灵敏度受限于该系统中传感单元的设计上。为了解决现有技术不足，我们提出一种基于铁磁薄膜与法布里珀罗腔的磁场传感系统，用完全固定的FP腔来实现光学模式的传输，在FP腔中内插入可以透光的铁磁薄膜(YIG)用于获得与磁场耦合的力学模式以及铁磁共振。FP腔和YIG薄膜的传感单元可以将FP腔与YIG薄膜通过腔内传输的光场耦合在一起，实现传感单元的光学模式和力学模式的解耦，进而保证可以单独选取腔或薄膜的参数以便同时获得高品质因数的光学模式和高频率的力学模式。另外，YIG薄膜的力学模式频率可以很高，可达GHz，容易通过直流磁场调谐的方式使得YIG薄膜的铁磁共振频率与力学模式频率重合，进而使得铁磁共振、力学模式和待测磁场信号的三重谐振的光学磁场探测系统更容易实现，降低磁场传感系统的搭建难度，有望获得更高的磁场传感灵敏度。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了基于铁磁薄膜与法布里珀罗腔的磁场传感系统，能够同时获得高品质因数的光学模式和高频率的力学模式，且利用薄膜结构的力学模式频率可达GHz的特性，通过直流磁场调谐的方式使得力学模式频率和铁磁共振频率重合难度大大降低，谐振效果增强，进而提升磁场传感灵敏度。

本发明基于铁磁薄膜与法布里珀罗腔的磁场传感系统，包括可调谐激光器、光衰减器、偏振控制器、传感单元、光电探测器、偏置三通、分束器、频谱分析仪、网络分析仪、示波器、伺服控制器、信号发生器、电流源、线圈，其中传感单元包括法布里珀罗腔、钇铁石榴石薄膜、微带线；