[發明專利]一種利用信號頻譜測量交變法拉第磁偏角的裝置及方法

有效

• 申請號: 201210072950.6
• 申請日: 2012-03-20
• 公開（公告）號: CN102565725A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發明（設計）人: 賈宏志;王曉慶;楊振皓
• 申請（專利權）人: 上海理工大學
• 主分類號: G01R33/02
• 分類號: G01R33/02
• 代理公司: 上海申匯專利代理有限公司 31001
• 代理人: 吳寶根

技術領域

本發明涉及一種測量技術，特別涉及一種利用信號頻譜測量交變法拉第磁偏角的裝置及方法。

背景技術

法拉第效應提出近1個半世紀以來，得到了廣泛的應用，尤其是在電流傳感器、光隔離器和磁光調制器、化學成分分析等領域。在其應用中，法拉第磁偏角的測量一直是技術的核心和基礎。

當一束線偏振光經過一個磁場中的磁光物質時，其偏振方向會發生偏轉，其偏轉方向只與磁場方向有關而與光的傳播方向無關，偏轉角度的大小由法拉第效應計算得：???????????????????????????????????????????????，其中Φ為法拉第磁偏角，V為菲爾德常數，B為磁場強度，L為光在介質中沿磁場方向傳播的有效長度。

目前為止，測量法拉第磁偏角的方法主要有3種，分別為角度補償法、近似法和雙光束干涉法。角度補償法結構簡單，但測量精度低，受機械旋轉精度影響較大；近似法測量范圍小，只適用于小角度測量，局限性大，無法完全消除高次諧波的影響；雙光束干涉法結構復雜，成本高，對光路精度要求高。

發明內容

本發明是針對目前測量法拉第磁偏角的方法精度低，測量范圍小的問題，提出了一種利用信號頻譜測量交變法拉第磁偏角的裝置及方法，從一個新的角度實現對法拉第磁偏角的測量。對交變的法拉第磁偏角，通過分析信號的頻率譜，結合信號頻率譜與法拉第磁偏角之間的關系，達到測量法拉第磁偏角的目的。該方法結構簡單，測量精度高，測量范圍大，完全消除了高頻諧波對測量結果引起的誤差。

本發明的技術方案為：一種利用信號頻譜測量交變法拉第磁偏角的裝置，依次包括光源、起偏器、法拉第線圈、標準旋光管、檢偏器、光電探測器、放大器、信號采集和信號處理單元、顯示器，起偏器和檢偏器的光軸調至相互正交的位置，法拉第線圈由頻率為ω的交流電驅動。

所述光源為半導體激光光源。

所述利用信號頻譜測量交變法拉第磁偏角的方法，包括利用信號頻譜測量交變法拉第磁偏角的裝置，具體包括如下步驟：

1）理論計算出基頻和二倍頻處信號幅值之比與法拉第磁偏角的幅值一一對應的關系曲線，建立關系曲線圖；

2）利用信號頻譜測量交變法拉第磁偏角的裝置中，經過起偏器后得到的固定振動方向的線偏振光，在法拉第線圈的調制下，線偏振光的振動方向產生擺動，再經過一個標準旋光管，經過檢偏器后得到一個交變的光信號；

3）步驟2）的得到的交變的光信號經過光電探測器變成交變的電信號，交變的電信號再經過放大器將信號放大后，被信號采集和信號處理單元采集并進行傅立葉變換（FFT），得到信號的頻率譜，并計算基頻和二倍頻處的信號幅值之比；

4）根據步驟3）所得幅值之比，在步驟1）中所示基頻和二倍頻的信號幅值之比A和法拉第磁偏角Φ₀的關系圖中，找到與該幅值之比對應的法拉第磁偏角Φ₀，實現法拉第磁偏角的測量。

所述步驟2）中的標準旋光管可以使通過法拉第線圈出射的線偏振光的偏振方向旋轉固定角度α＝6.46度。

本發明的有益效果在于：本發明利用信號頻譜測量交變法拉第磁偏角的裝置及方法，通過數字信號處理的技術提高測量精度，完全消除了高頻諧波對測量結果引起的誤差，測量方法結構簡單，測量范圍大。

附圖說明

圖1為本發明利用信號頻譜測量交變法拉第磁偏角的裝置原理圖；

圖2為本發明基頻和二倍頻信號幅值比A與法拉第磁偏角φ₀的關系曲線圖；

圖3為本發明利用信號頻譜分析測量交變法拉第磁偏角的裝置中電信號仿真圖；

圖4為本發明利用信號頻譜分析測量交變法拉第磁偏角的裝置中仿真信號的頻譜圖。

具體實施方式

如圖1所示利用信號頻譜測量交變法拉第磁偏角的裝置原理圖，裝置依次包括光源1、起偏器2、法拉第線圈4、標準旋光管5、檢偏器6、光電探測器7、放大器8、信號采集和信號處理單元9、顯示器10。光源為半導體激光光源。起偏器2和檢偏器6的光軸調至相互正交的位置。法拉第線圈4由頻率為ω的交流電3驅動。標準旋光管5可以使波長為534nm的線偏振光的偏振方向旋轉α＝6.46度。

在此裝置中，法拉第線圈產生的磁偏角可以表示為：

，（1）

其中Φ₀為最大磁偏角。由馬呂斯定律可知，當起偏器與檢偏器偏離正交位置的偏轉角為θ時，出射光I光強為：

（2）

其中I₀為通過檢偏器之前的光強。