[發(fā)明專利]一種非線性干涉型磁場傳感器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010909758.2
• 申請(qǐng)日: 2020-09-02
• 公開（公告）號(hào): CN112068045B
• 公開（公告）日: 2023-07-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王海龍;倪智豪;付忠星;趙春柳
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國計(jì)量大學(xué)
• 主分類號(hào): G01R33/032
• 分類號(hào): G01R33/032
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 萬尾甜;韓介梅

本發(fā)明提供了一種基于非線性干涉儀的磁場傳感器，包括第一泵浦光、種子光、第一光纖參量放大器、第二光纖參量放大器、磁致伸縮元件、第二泵浦光；第一光纖參量放大器起分束作用，第二光線參量放大器起合束作用，均由兩個(gè)粗波分復(fù)用器和位于中間的一個(gè)色散位移光纖構(gòu)成，泵浦光波長1550nm位于色散位移光纖的反常色散區(qū)，滿足光纖內(nèi)四波混頻過程發(fā)生的相位匹配條件。其中起分束作用的光纖參量放大器的輸出端閑頻光單模光纖受到磁場作用產(chǎn)生應(yīng)變導(dǎo)致相位變化，進(jìn)而改變了起合束作用的光纖參量放大器輸出端閑頻光的相位不確定度的大小，通過對(duì)閑頻光相位不確定度的測量即可以實(shí)現(xiàn)更高靈敏度的磁場傳感。本發(fā)明的傳感器具有高靈敏度的特點(diǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明提供了一種非線性干涉型磁場傳感器，屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

由于線性光纖干涉儀中沒有非線性光學(xué)器件的參與，所以基于線性光纖干涉儀工作的磁場傳感器的磁場測量精度受限于標(biāo)準(zhǔn)量子極限，也就是說磁場的最小測量精度受到了限制，對(duì)于磁場的微小變化往往難以感知。為了突破這個(gè)限制，本發(fā)明將非線性光學(xué)器件替代線性光纖干涉儀中的線性分束器，僅通過輸入相干態(tài)就可實(shí)現(xiàn)測量靈敏度的大幅度提高。

構(gòu)成非線性干涉儀的分束合束器件利用的是光纖內(nèi)的四波混頻效應(yīng)，它是由三階非線性光學(xué)效應(yīng)引起的參量放大過程。它可以描述如下：如果兩個(gè)帶有不同頻率分量的光束在光纖中同向傳播，假設(shè)這兩個(gè)光束的頻率分別為v₁和v₂，那么在相位匹配的情況下就會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)新的頻率分量v₃、v₄，且它們之間滿足能量守恒關(guān)系:v₃+v₄＝v₁+v₂。因此這兩個(gè)新的頻率分量的光束之間存在量子關(guān)聯(lián)，便可以用來實(shí)現(xiàn)高靈敏度的磁場傳感。本發(fā)明具體原理為：在待測磁場作用下，涂覆在光纖上的被覆材料會(huì)產(chǎn)生磁致伸縮現(xiàn)象，相應(yīng)的，光纖的應(yīng)變引起傳輸光束的相位變化，通過對(duì)輸出光相位不確定度的測量，根據(jù)相位不確定度與磁場強(qiáng)度的依賴關(guān)系從而實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場的高靈敏度傳感。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有線性干涉儀測量靈敏度受限于散粒噪聲的局限，提供了一種可突破此局限的非線性干涉型磁場傳感器的方案。

一種非線性干涉型磁場傳感器，包括第一泵浦光、種子光、第一光纖參量放大器、第二光纖參量放大器、磁致伸縮元件、第二泵浦光；其連接方式為：由第一泵浦光和種子光一起注入到第一個(gè)光纖參量放大器中，第一光纖參量放大器起分束作用，其輸出端的閑頻光接入磁致伸縮元件后和第一光纖參量放大器輸出的信號(hào)光以及第二泵浦光一起注入到第二光纖參量放大器中，第二光纖參量放大器起合束作用，其輸出端的信號(hào)光和閑頻光均通過光電探測器連接到示波器中，通過示波器檢測出相位不確定度從而實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場強(qiáng)度變化的測量。

上述技術(shù)方案中，所述的第一、第二光纖參量放大器均由兩個(gè)粗波分復(fù)用器和位于中間的一個(gè)色散位移光纖構(gòu)成；所述的第一、第二泵浦光的波長為1550nm；滿足光纖內(nèi)四波混頻的相位匹配條件。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是：

1.相比線性干涉型磁場傳感器而言，非線性干涉型磁場傳感器的最小可分辨磁場強(qiáng)度提升了3.4dB。

2.與線性干涉型磁場傳感器相比，非線性干涉型磁場傳感器的相位不確定度與待測磁場強(qiáng)度的依賴關(guān)系具有更高的變化率，也就可以實(shí)現(xiàn)更高靈敏度的磁場強(qiáng)度檢測。

附圖說明

圖1是基于非線性干涉效應(yīng)的磁場傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是非線性干涉型磁場強(qiáng)度傳感器的原理示意圖。其中：OPA：光纖參量放大器，ME：磁致伸縮元件。

圖3是線性干涉型磁場傳感器原理示意圖。其中：BS：50:50分束器，ME：磁致伸縮元件。