專利名稱:環(huán)形激光磁力儀的制作方法
本發(fā)明屬于弱磁場及地球磁場分量測量儀器。
磁力儀廣泛應(yīng)用于地質(zhì)、地球物理、軍事等部門。目前的分量磁力儀主要有磁通門磁力儀和磁秤兩種。前者由套有兩個(gè)不對稱線圈的坡莫合金環(huán)(或棒)構(gòu)成，由感應(yīng)電動勢的諧波測量地磁場。磁秤由一根鐵磁材料組成，由該材料在地磁場中受力大小來探測地磁場大小。這兩種分量磁力儀精度和穩(wěn)定度不高，靈敏度的再提高也遇到困難。
本發(fā)明的目的旨在于制造一種高穩(wěn)定性或高靈敏度或兩者兼有的分量磁力儀，用于地磁場測量。
本發(fā)明的核心是把對角速度敏感的四頻環(huán)形激光的敏感性做根本改變，發(fā)展成為一個(gè)弱磁場傳感器。
環(huán)形激光磁力儀探頭結(jié)構(gòu)參閱附圖1。
四個(gè)角反射鏡〔M1〕、〔M2〕、〔M3〕、〔M4〕置于一個(gè)矩形的四個(gè)角上，其反射面法線和直角平分線重合。兩支He-Ne激光增益管〔A1〕、〔A2〕的毛細(xì)管軸線和矩形兩對邊重合，〔B〕是一塊長4.817毫米的石英晶體，〔C〕是一根長幾厘米至十幾個(gè)厘米的火石玻璃、鋱玻璃等磁光材料棒〔lll〕Gd3Ga5O12襯底上液相外延的(BiTm)3(FeGa)5O12等單晶薄膜，〔M5〕、〔M6〕是兩片全反射鏡，分別將逆時(shí)針行進(jìn)的光和順時(shí)針行進(jìn)的光反射到〔M7〕上?！睲7〕是半透半反鏡用來混合逆時(shí)針行進(jìn)的光和順時(shí)針行進(jìn)的光，并把混合后的光分為兩束?！睤1〕、〔D2〕是由一片四分之一波片和一塊偏振鏡組成的濾波器。〔E1〕、〔E2〕是光電接收器。〔G1〕、〔G2〕是放大器?！睭〕為微處理機(jī)系統(tǒng)。
其工作原理如下
上述四個(gè)角反射鏡構(gòu)成矩形激光諧振腔，激光增益管〔A1〕、〔A2〕提供對光的放大，石英晶體〔B〕使環(huán)路內(nèi)形成左旋園偏振光和右旋園偏振光，右旋園偏振光和左旋園偏振光分別又有兩束一束沿環(huán)路順時(shí)針運(yùn)行的光和一束沿環(huán)路逆時(shí)針運(yùn)行的光，它們對磁場來說定義為正旋光和負(fù)旋光，正、負(fù)旋光通過處于磁場中的大長度(l)磁光材料〔C〕時(shí)有不同的光程差，光程差的大小正比于地球磁場在材料C內(nèi)光路上的投影h。按環(huán)路光程一定是波長整數(shù)倍原理，正、負(fù)旋光將有不同的波長，也即有不同的頻率，此頻率差正比于地球磁場h。測得了頻率差也就知道了h的大小。它既包含在右旋順時(shí)針光，右旋逆時(shí)針光的頻率差中，也包含在左旋順時(shí)針光、左旋逆時(shí)針光的頻率差中。
頻率差的測量是由下述結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的逆時(shí)針行進(jìn)的光從〔M3〕出射后到達(dá)〔M5〕又到達(dá)〔M7〕，順時(shí)針行進(jìn)的光從〔M3〕出射后到達(dá)〔M6〕又到達(dá)〔M7〕，從〔M7〕出射的兩束光都含有四種成份的激光左旋順時(shí)針園偏振光，左旋逆時(shí)針園偏振光，右旋順時(shí)針園偏振光，右旋逆時(shí)針園偏振光。濾波器〔D1〕、〔D2〕分別允許右旋光(包括一正旋光和一負(fù)旋光)和左旋光(包括一正旋光和一負(fù)旋光)通過，兩出射光在其通過的路徑上形成“光拍”，“光拍”的頻率即正、負(fù)旋光的頻率差，表征地磁場分量h的大小。兩光拍分別由光電接收器〔E1〕、〔E2〕接收，經(jīng)過放大器〔G1〕、〔G2〕放大后送入微處理機(jī)記數(shù)，并把左旋光的記數(shù)和右旋光的記數(shù)求和，最后換算成磁場的大小。左旋光計(jì)數(shù)和右旋光計(jì)數(shù)求和不僅提高了靈敏度，而且消除了朗謬爾流的影響和地球自轉(zhuǎn)引入的零點(diǎn)偏移。
環(huán)形激光磁力儀靈敏度原理公式由下式給出Fh＝〔 2/(π) (C)/((L)) Vl〕h
式中Fh-環(huán)形激光磁力儀輸出的記數(shù);
C-光速;
L-環(huán)路的光程長度;
V-費(fèi)爾德常數(shù);
l-法拉弟磁光材料的長度;
h-被測場在法拉弟磁光材料內(nèi)光路上的投影量。
本發(fā)明為使環(huán)激光不敏感諸如角速度、溫度等因素，只敏感地磁場，還有以下實(shí)施措施1.為了穩(wěn)定激光諧振腔長，二角反射鏡固定在一塊微晶玻璃塊上，另外兩角反射鏡先貼在壓電陶瓷上，又把壓電陶瓷固定在上述微晶玻璃塊上，和上述兩角反射鏡組成矩形激光諧振腔。在壓電陶瓷上加一可變電壓，由此電壓控制壓電陶瓷的伸長縮短來穩(wěn)定諧振腔長因環(huán)境溫度變化而引起的改變。電壓的大小由閉路的左旋園偏振光和右旋園偏振光光強(qiáng)差穩(wěn)頻法給出。
2.各角反射鏡均為硬介質(zhì)膜。為了消除園偏振光S、P分量的反射率差造成園偏振光的橢園度，各角反射鏡為25層、27層或29層膜系，而不是目前各種激光器上采用的層數(shù)較少的膜系。
3.激光增益管長度為150毫米至300毫米，其工作波長可以根據(jù)所用磁光法拉弟材料定為0.6328μ和1.15μ。為了消除塞曼效應(yīng)，它們應(yīng)有相同的參數(shù)和制造工藝，并分別置于矩形環(huán)路的兩個(gè)對稱邊上，使在〔A1〕中的正旋光到達(dá)〔A2〕時(shí)為負(fù)旋光，塞曼效應(yīng)抵消。還可以在激光增益管上用線圈加以和該方向的磁場反向的磁場進(jìn)一步減小塞曼效應(yīng)的影響。
4.磁光法拉弟材料可以用火石玻璃、鈰玻璃、鋱玻璃、鋱鋁石榴石或〔lll〕Gd3Ga5O12襯底上液相外延的(BiTm)3(FeGa)5O12單晶薄膜?；鹗Ａв泻芎玫臏y磁溫度穩(wěn)定性;鋱玻璃和鋱鋁石榴石有有較高測磁靈敏度，但有較大溫度系數(shù)，使用一個(gè)小杜瓦瓶將其浸入冰水混合物或液氮中為其恒溫。浸于液氮中不僅可對其恒溫而且其測磁靈敏度比在室溫下大數(shù)倍。使用上述三種材料時(shí)，環(huán)形激光磁力儀的激光工作波長是0.6328μ，材料長度為幾厘米到十幾厘米。使用〔lll〕Gd3Ga5O12襯底上液相外延的(BiTm)3(FeGa)5O12單晶薄膜的環(huán)形激光磁力儀有相當(dāng)高的靈敏度，其工作波長應(yīng)是1.15μ，材料由幾片外延膜重迭組成，總外延層厚度為幾十微米至上百微米。
5.環(huán)形激光磁力儀激光諧振腔內(nèi)的光可以在一個(gè)角反射鏡上輸出，也可以在激光諧振腔內(nèi)的任一個(gè)元件端面上由其上的剩余反射提供。見圖2。
6.采用“光拍”細(xì)分或倍頻技術(shù)提高環(huán)形激光磁力儀的靈敏度。
7.激光增益管的窗口片、晶體石英，磁光法拉弟材料的所有端面均鍍以增透介質(zhì)膜。
本發(fā)明有以下優(yōu)點(diǎn)1.屬于天然分量磁力儀，法拉弟磁光材料內(nèi)的通光路徑即是所測磁場分量的方向。
2.和現(xiàn)有天然分量磁力儀相比，其溫度系數(shù)很小甚至可以忽略。這是因?yàn)榄h(huán)形激光磁力儀所用的法拉弟磁光材料，有的本身的磁光系數(shù)不隨溫度而變(如火石玻璃)，有的材料(如鋱玻璃等)其溫度系數(shù)是已知的，容易控制和補(bǔ)償。
3.有較高靈敏度。由使用的磁光法拉弟材料并考慮細(xì)分倍頻技術(shù)，環(huán)形激光磁力儀靈敏度可在lnT～0.001nT之間(lnT＝10-5奧斯特)。
4.環(huán)形激光磁力儀沒有其他磁力儀的電振動和電磁共振，不受廣播等空間電磁場干擾。
權(quán)利要求
1.一種天然分量磁力儀，其特征是四個(gè)反射鏡[M1][M2][M3][M4]構(gòu)成一個(gè)矩形激光諧振腔，諧振腔內(nèi)放置兩根激光增益管[A1][A2]，一片石英晶體[B]和一根法拉弟磁光材料[C]，由光的頻率差表征磁場大??；光頻率差的探測由兩片全反射鏡[M5][M6]，一片半透半反射[M7]，兩個(gè)濾波器[D1][D2]兩個(gè)光電接收器[E1][E2]，兩個(gè)放大器[G1][G2]和有記數(shù)功能的微處理機(jī)H(或單板機(jī))組成。
2.按權(quán)項(xiàng)1所述的磁力儀，其特征在于四個(gè)角反射鏡為25層、27層、29層的硬介質(zhì)膜系。
3.按權(quán)項(xiàng)1所述的磁力儀，其特征在于有兩支參數(shù)相同，分別置于矩形光路相對的兩條邊上的激光增益管〔A1〕〔A2〕，工作波長為0.6328μ或1.15μ。
4.按權(quán)項(xiàng)3所述的磁力儀，其特征在于激光增益管上套有可以抵消沿激光增益管軸線方向上的磁場。
5.按權(quán)項(xiàng)1所述的磁力儀，其特征在于法拉弟磁光材料〔C〕可以是火石玻璃、鈰玻璃、鋱玻璃、鋱鋁石榴石或〔lll〕Gd3Ga5O12襯底上液相外延的(BiTm)3(FeGa)5O12等單晶薄膜。
6.按權(quán)項(xiàng)5所述的磁力儀，其特征在于法拉弟磁光材料〔C〕可用冰水混合物或液氮為其恒溫。
7.按權(quán)項(xiàng)1所述的磁力儀，其特征為用微處理機(jī)〔H〕對左旋光的頻率差和右旋光的頻率差記數(shù)求和處理并倍頻。
專利摘要
本發(fā)明是一種環(huán)形激光磁力儀，屬于弱磁場測量儀器。其特征是把法拉弟磁光材料置于形狀為矩形，由兩支參數(shù)相同，對稱放置的增益管提供光放大并克服塞曼效應(yīng)，由晶體石英產(chǎn)生圓偏振光的激光器內(nèi)，其右旋光和左旋光的正、負(fù)旋光的頻率差的和表征磁場在法拉弟磁光材料內(nèi)光路上的分量。使用長幾厘米到十幾厘米的火石玻璃，鋱玻璃等做法拉弟磁光材料。
文檔編號G01R33/032GK85100124SQ85100124
公開日1986年7月30日 申請日期1985年4月1日
發(fā)明者張書練, 馮鐵蓀, 田千, 鄒大挺 申請人:清華大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan