一种稀土玻璃费尔德常数测量系统的制作方法

本发明涉及磁光材料费尔德常数测量领域，特别涉及到一种稀土玻璃费尔德常数测量系统。

背景技术：

稀土掺杂玻璃以其独特的磁光特性在激光陀螺，光纤电流互感器等方面有重要的应用。而在这些应用中，稀土掺杂玻璃材料的费尔德常数是影响其性能的重要参数，该参数直接决定了传感器的测量灵敏度。

目前，现有的测量磁光材料的费尔德常数的方法有检偏法，双光路差分法和光干涉等方法。本发明提出一种稀土玻璃费尔德常数测量系统及测量方法。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是现有技术中存在的测量灵敏度低、准确度低的问题。提供一种稀土玻璃费尔德常数测量系统及测量方法，该稀土玻璃费尔德常数测量系统及测量方法具有测量灵敏度高、测量方便、准确度高的特点。

为解决上述技术问题，采用的技术方案如下：

一种稀土玻璃费尔德常数测量系统，所述系统包括线偏振光产生器，位于线偏振光产生器平行位置对应设置的待测稀土玻璃104，位于待测稀土玻璃104平行位置对应设置的双折射晶体105，位于双折射晶体105平行位置对应设置的检偏器106，位于检偏器106对应平行位置对应设置的迈克尔逊干涉仪，与迈克尔逊干涉仪连接的会聚透镜201，与会聚透镜201连接的光电探测器202，与光电探测器连接的数据采集卡204，与数据采集卡204连接的上位机，所述迈克尔逊干涉仪还通过数据采集卡204受控于上位机；所述待测稀土玻璃104两侧分别设有可变间距电磁铁206的两端极，所述可变间距电磁铁206受控于直流电源207，所述可变间距电磁铁206两端极间还设有磁场强度测量装置；所述迈克尔逊干涉仪由分束器107，于分束器107垂直两轴设置的第一反射镜108及第二反射镜109组成，所述第二反射镜109下设有电动平移台203，所述电动平移台203与数据采集卡204连接；所述上位机设有存储介质，所述存储介质存储有干涉仪控制程序及稀土玻璃费尔德系数计算程序；

所述干涉仪控制程序配置为：控制电动平移台203使第二反射镜109作来回扫描，所述稀土博尔德系数计算程序配置为：对所述数据采集卡204数据进行多次平均和小波滤波，通过对数运算计算得出稀土玻璃的费尔德常数v。

本发明的工作原理：通过数据采集卡204驱动电动平移台203实现迈克尔逊干涉仪的扫描，同时采集干涉仪的输出信号，传送给上位机，上位机对数据进行多次平均和小波滤波，再通过对数运算得到稀土玻璃的费尔德常数。

上述技术方案中，为优化，进一步地，所述磁场强度测量装置包括位于可变间距电磁铁206两端极间的磁场测量探头208，所述磁场测量探头208连接有高斯计209。

进一步地，所述线偏振光产生器包括光源，与光源对应设置的扩束准直透镜102，与扩束准直透镜102对应设置的起偏器103。

进一步地，所述光源为宽谱光源101。

进一步地，所述直流电源207为受控于上位机，大小连续自动可调的直流电源。

进一步地，所述可变间距电磁铁206的两端极分别包括至少一个铜线圈。

本发明还提供一种基于稀土玻璃费尔德常数测量系统的测量方法，所述测量方法包括：

(1)将待测稀土玻璃104置于可变间距电磁铁206中，通过直流电源207为电磁铁供电，用高斯计209测量磁场强度b；

(2)打开线偏振光产生器，线偏振光经过稀土玻璃后的光偏振方向发生改变，通过迈克尔逊干涉仪第二反射镜109的扫描得到干涉条纹，通过干涉条纹的强度及θ＝arcsin((1+(if/imain)²)/2)得到磁场强度b的法拉第转角，并通过θ＝vbl得到待测稀土玻璃104的费尔德常数v；

(3)改变直流电源207的电压值大小使稀土玻璃所处磁场大小改变，重复步骤(1)及步骤(2)，通过至少两次测量，求平均值得到费尔德常数测量值。

进一步地，所述步骤(2)中通过迈克尔逊干涉仪第二反射镜109的扫描得到干涉条纹包括：调整双折射晶体105的快轴或慢轴成与线偏振光产生器的偏振方向重合；检偏器106与双折射晶体105的快轴或慢轴成45度夹角，分束器107输出光经第一反射镜108及第二反射后合束形成干涉条纹。

本发明提出的稀土玻璃费尔德常数测量原理如下所示：当稀土玻璃放置在磁场中，线偏振光经过稀土玻璃时，出射光的偏振方向相对于入射光的偏振方向会发生一个旋转，该旋转角称为法拉第转角。通过测量该旋转角和稀土玻璃所处磁场的大小和稀土玻璃通光方向上的长度就可以得到稀土玻璃的费尔德常数。这就要求能精确测量法拉第转角。光经过起偏器103后光场ψ(z,t)可表示为：

ψ(z,t)＝∫a(ω)exp[i(k(ω)z-ωt)]dω

当测量系统中双折射晶体105的快轴与起偏器103的偏振方向重合时，稀土玻璃输出的相对于起偏器103有一定夹角θ的偏振光入射进双折射晶体105后就分解为偏振方向相互垂直的两路光，可表示为：

ψe＝ψ(z,t)cosθ

ψc＝ψ(z,t)sinθ

两路光分别在晶体的快轴和慢轴上传输，由于晶体两个偏振传输轴的折射率不同，导致两路光经过双折射晶体105后，它们之间有一定的时延差，则经过双折射后两路光可表示为：

ψe＝cosθexp[i(ω/c)(z-l)]exp[iβx(ω)l]，

ψc＝sinθexp[i(ω/c)(z-l)]exp[iβx(ω)z]exp[iβy(ω)l]，

其中，l为双折射晶体105通光方向上的长度，βx(ω)和βy(ω)分别为双折射晶体105两偏振本征轴的传播常数。两路光经过检偏器10645o检偏后，偏振方向在同一个方向。两路光入射进迈克尔逊干涉仪，通过迈克尔逊干涉仪补偿这两路光之间的时延差就可以发生干涉，干涉仪输出的干涉条纹可表示为：

其中，d为迈克尓逊干涉仪两臂光程差，io为干涉直流分量，lco为光源相干长度。imain＝ioexp[-(d/lco)²]cos(kod)为干涉仪两臂光程差相等时的干涉包络光强分布，为双折射晶体105中两偏振模之间的干涉形成干涉包络，反应了法拉第转角值。测量时，移动干涉仪中平移台使得第二反射镜109实现来回扫描，当满足δβl＝kod时就出现两偏振模形成的干涉条纹，根据计算出法拉第转角θ为：

θ＝arcsin((1+(if/imain)²)/2)

根据干涉条纹的强度就可以得到法拉第转角的大小，再通过磁场强度b和稀土玻璃通光方向上的长度l并根据θ＝vbl，便可得到待测稀土玻璃104的费尔德常数v。

本发明的有益效果：

效果一，通过多次测量，提高了测量准确度；

效果二，通过采用偏振干涉的测量系统及测量方法提高了测量灵敏度；

效果三，通过使用电动平移台及上位机等自动化设备提高了测量方便性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1，测量系统示意图。

图2，测量方法流程示意图。

附图中，101-宽谱光源，102-扩束准直透镜，103-起偏器，104-待测稀土玻璃，105-双折射晶体，106-检偏器，107-分束器，108-第一反射镜，109-第二反射镜，201-会聚透镜，202-光电探测器，203-电动平移台，204-数据采集卡，205-电脑，206-可变间距电磁铁，207-直流电源，208-磁场测量探头，209-高斯计。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本实施例提供一种基于偏振干涉的费尔德常数测量系统，如图1，所述系统包括线偏振光产生器，位于线偏振光产生器平行位置对应设置的待测稀土玻璃104，位于待测稀土玻璃104平行位置对应设置的双折射晶体105，位于双折射晶体105平行位置对应设置的检偏器106，位于检偏器106对应平行位置对应设置的迈克尔逊干涉仪，与迈克尔逊干涉仪连接的会聚透镜201，与会聚透镜201连接的光电探测器202，与光电探测器202连接的数据采集卡204，与数据采集卡204连接的上位机，所述迈克尔逊干涉仪还通过数据采集卡204受控于上位机；所述待测稀土玻璃104两侧分别设有可变间距电磁铁206的两端极，所述可变间距电磁铁206受控于直流电源207，所述可变间距电磁铁206两端极间还设有磁场强度测量装置；所述迈克尔逊干涉仪由分束器107，于分束器107垂直两轴设置的第一反射镜108及第二反射镜109组成，所述第二反射镜109下设有电动平移台203，所述电动平移台203与数据采集卡204连接；所述上位机设有存储介质，所述存储介质存储有干涉仪控制程序及稀土玻璃费尔德系数计算程序；

所述干涉仪控制程序配置为：控制电动平移台203使第二反射镜109作来回扫描，所述稀土博尔德系数计算程序配置为：对所述数据采集卡204数据进行多次平均和小波滤波，通过对数运算计算得出稀土玻璃的费尔德常数v。

本实施例中上位机选用电脑205。

本发明的工作流程：通过数据采集卡204驱动电动平移台203实现迈克尔逊干涉仪的扫描，同时采集干涉仪的输出信号，传送给电脑205，电脑205对数据进行多次平均和小波滤波，再通过对数运算得到稀土玻璃的费尔德常数。

具体地，所述磁场强度测量装置包括位于可变间距电磁铁206两端极间的磁场测量探头208，所述磁场测量探头208连接有高斯计209。

具体地，所述线偏振光产生器包括光源，与光源对应设置的扩束准直透镜102，与扩束准直透镜102对应设置的起偏器103。

为提高线偏振光的频谱宽度，优选地，所述光源为宽谱光源101。

为提高直流电源207变换大小的方便快捷性。优选地，所述直流电源207为通过数据采集卡204受控于电脑205，大小连续自动可调的直流电源。

具体地，所述可变间距电磁铁206的两端极分别包括2个铜线圈。

本实施例中，宽谱光源101输出的激光经过扩束准直透镜102后变为平行光输出，该输出光经起偏器103起偏后变为线偏振光，线偏振光经过待测稀土玻璃104后入射到双折射晶体105中，双折射晶体105将入射线偏振光分解为偏振方向相互垂直的两路光，两路光经检偏器106后入射到分束器107中。双折射晶体105的快轴或慢轴必须调节成与起偏器103的偏振方向重合，检偏器106与双折射晶体105的任一偏振轴成45度夹角。分束器107输出的光经第一反射镜108和第二反射镜109反射后合束形成干涉条纹，该干涉条纹经会聚透镜201会聚后入射到光电探测器202表面，该光电探测器202将干涉条纹强度转化为电压信号并通过数据采集卡204进行采集。稀土玻璃放置在可变间距电磁铁206中，通过改变电磁铁输入电流的大小和磁铁之间的间距来实现施加在稀土玻璃两端的磁场强度的改变。可变间距电磁铁206两端极包括不少于一个铜线圈，当铜线圈通电时，在两个磁极之间产生均匀的磁场。电磁铁的电源通过直流电源207提供，直流电源207可采用受控于上位机的连续可调直流电源207。电磁铁之间的磁场强度通过磁场测量探头208测量并通过高斯计209显示磁场强度的大小。

本发明提出的稀土玻璃费尔德常数测量原理如下所示：当稀土玻璃放置在磁场中，线偏振光经过稀土玻璃时，出射光的偏振方向相对于入射光的偏振方向会发生一个旋转，该旋转角称为法拉第转角。通过测量该旋转角和稀土玻璃所处磁场的大小和稀土玻璃通光方向上的长度就可以得到稀土玻璃的费尔德常数。这就要求能精确测量法拉第转角。光经过起偏器103后光场ψ(z,t)可表示为：

ψ(z,t)＝∫a(ω)exp[i(k(ω)z-ωt)]dω

当测量系统中双折射晶体105的快轴与起偏器103的偏振方向重合时，稀土玻璃输出的相对于起偏器103有一定夹角θ的偏振光入射进双折射晶体105后就分解为偏振方向相互垂直的两路光，可表示为：

ψe＝ψ(z,t)cosθ

ψc＝ψ(z,t)sinθ

两路光分别在晶体的快轴和慢轴上传输，由于晶体两个偏振传输轴的折射率不同，导致两路光经过双折射晶体105后，它们之间有一定的时延差，则经过双折射后两路光可表示为：

ψe＝cosθexp[i(ω/c)(z-l)]exp[iβx(ω)l]，

ψc＝sinθexp[i(ω/c)(z-l)]exp[iβx(ω)z]exp[iβy(ω)l]，

其中，l为双折射晶体105通光方向上的长度，βx(ω)和βy(ω)分别为双折射晶体105两偏振本征轴的传播常数。两路光经过检偏器10645o检偏后，偏振方向在同一个方向。两路光入射进迈克尔逊干涉仪，通过迈克尔逊干涉仪补偿这两路光之间的时延差就可以发生干涉，干涉仪输出的干涉条纹可表示为：

其中，d为迈克尓逊干涉仪两臂光程差，io为干涉直流分量，lco为光源相干长度。imain＝ioexp[-(d/lco)²]cos(kod)为干涉仪两臂光程差相等时的干涉包络光强分布，为双折射晶体105中两偏振模之间的干涉形成干涉包络，反应了法拉第转角值。测量时，移动干涉仪中平移台使得第二反射镜109实现来回扫描，当满足δβl＝kod时就出现两偏振模形成的干涉条纹，根据计算出法拉第转角θ为：

θ＝arcsin((1+(if/imain)²)/2)

根据干涉条纹的强度就可以得到法拉第转角的大小，再通过磁场强度b和稀土玻璃通光方向上的长度l并根据θ＝vbl，便可得到待测稀土玻璃104的费尔德常数v。

本实施例还提供一种基于稀土玻璃费尔德常数测量系统的测量方法，如图2，所述测量方法包括：

(1)将待测稀土玻璃104置于可变间距电磁铁206中，通过直流电源207为电磁铁供电，用高斯计209测量磁场强度b；

(2)打开线偏振光产生器，线偏振光经过稀土玻璃后的光偏振方向发生改变，通过迈克尔逊干涉仪第二反射镜109的扫描得到干涉条纹，通过干涉条纹的强度及θ＝arcsin((1+(if/imain)²)/2)得到磁场强度b的法拉第转角，并通过θ＝vbl得到待测稀土玻璃104的费尔德常数v；

(3)改变直流电源207的电压值大小使稀土玻璃所处磁场大小改变，重复步骤(1)及步骤(2)，通过至少两次测量，求平均值得到费尔德常数测量值。

具体地，所述步骤(2)中通过迈克尔逊干涉仪第二反射镜109的扫描得到干涉条纹包括：调整双折射晶体105的快轴或慢轴成与线偏振光产生器的偏振方向重合；检偏器106与双折射晶体105的快轴或慢轴成45度夹角，分束器107输出光经第一反射镜108及第二反射后合束形成干涉条纹。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员能够理解本发明，但是本发明不仅限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员而言，只要各种变化只要在所附的权利要求限定和确定的本发明精神和范围内，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。