環(huán)形激光磁力儀的特性分析

雷雯 李佳佳

摘 要：對(duì)環(huán)形激光磁力儀的特性進(jìn)行了分析。首先推導(dǎo)了靈敏度，發(fā)現(xiàn)當(dāng)采用低吸收鋱玻璃時(shí)，理論靈敏度達(dá)1 pT/Hz1/2量級(jí)，基本滿足探潛的靈敏度要求。接著與光泵量子磁力儀進(jìn)行了比較，表明環(huán)形激光磁力儀具有動(dòng)態(tài)范圍大、工程適應(yīng)性好、響應(yīng)速度快、信號(hào)處理簡單等優(yōu)點(diǎn)。然后討論了激光陀螺技術(shù)的發(fā)展對(duì)環(huán)形激光磁力儀的支撐作用，如微晶玻璃加工工藝、鍍膜技術(shù)、異面腔設(shè)計(jì)、電子細(xì)分技術(shù)等。最后分析了磁光玻璃Verdet常量溫度系數(shù)的影響。上述分析表明，環(huán)形激光磁力儀具有其獨(dú)特的優(yōu)勢和特點(diǎn)，值得深入研究。

關(guān)鍵詞：磁力儀 環(huán)形激光器 靈敏度 溫度

中圖分類號(hào)：TB248 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）12（b）-0139-02

高靈敏度磁力儀在航空磁探、地球磁場測量以及軍事反潛等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[1-2]。目前主流的高精度磁力儀為各種量子磁力儀，包括Overhauzer質(zhì)子磁力儀、原子光泵磁力儀、超導(dǎo)磁力儀和新型原子磁力儀，它們各有特點(diǎn)。Overhauzer質(zhì)子磁力儀發(fā)展較早，靈敏度在0.01nT/Hz1/2的量級(jí)，不存在盲區(qū)（dead zone）和航向誤差（heading error），缺點(diǎn)是梯度容忍度較小、采樣率較低。原子光泵磁力儀有光泵K、Rb、Cs和He磁力儀，其中K和He磁力儀靈敏度優(yōu)于1pT/Hz1/2，但盲區(qū)和航向誤差對(duì)它們的應(yīng)用產(chǎn)生了一定限制，而且跟蹤速度較慢。超導(dǎo)磁力儀靈敏度高達(dá)1fT/Hz1/2，最大問題是需要龐大的低溫系統(tǒng)，不便于使用。新型原子磁力儀如SERF磁力儀理論靈敏度可達(dá)1aT/Hz1/2，但只能在極弱的磁場環(huán)境下工作[1]。在20世紀(jì)80年代，張書練教授提出利用環(huán)形激光實(shí)現(xiàn)弱磁測量的方案[2-4]，并進(jìn)行了一系列的理論和實(shí)驗(yàn)研究，但限于當(dāng)時(shí)磁光玻璃吸收較大、玻璃管激光器穩(wěn)定性和工程適用性較差等不利因素，環(huán)形激光磁力儀未能實(shí)用。隨著激光技術(shù)和工藝的進(jìn)步，限制環(huán)形激光磁力儀靈敏度的很多因素已經(jīng)得到解決，再考慮到環(huán)形激光磁力儀不存在盲區(qū)和航向誤差、不受磁場梯度影響以及采樣率高等優(yōu)點(diǎn)，因此值得深入研究。該文對(duì)環(huán)形激光磁力儀的特性進(jìn)行了分析，重點(diǎn)是靈敏度和溫度穩(wěn)定性，對(duì)環(huán)形激光磁力儀研制具有一定的參考作用。

1 環(huán)形激光磁力儀靈敏度分析

1.1 原理簡介

環(huán)形激光磁力儀原理如圖1所示[5]。反射鏡M1-M4構(gòu)成一個(gè)環(huán)形諧振腔，90度石英晶體旋光器使環(huán)路中運(yùn)行圓偏振光并抑制線偏振光振蕩，這時(shí)在諧振腔中一個(gè)縱模將分裂為4個(gè)，分別為左旋順時(shí)針、左旋逆時(shí)針、右旋順時(shí)針和右旋逆時(shí)針模，其中左旋（LCP）模和右旋（RCP）模的頻率間隔為。在磁場作用下磁光玻璃使左旋和右旋的對(duì)模再次產(chǎn)生頻率分裂，

（1）

式中：為磁光玻璃的Verdet常量，B為沿光路方向的平均磁場強(qiáng)度，l為磁光玻璃長度，c為真空光速，L為環(huán)形腔長度。式（1）表明，磁光頻率分裂與磁場強(qiáng)度成正比，將左旋和右旋模的頻差求和可使靈敏度增大一倍，而且還可以抑制Sagnac效應(yīng)的影響。

1.2 靈敏度分析

在早期，磁光玻璃對(duì)光的吸收是限制其靈敏度的主要因素，但目前磁光玻璃的吸收系數(shù)已經(jīng)較低。以西安奧法公司生產(chǎn)的MR3-2磁光玻璃為例，其Verdet常量為96 rad/（T.m），吸收系數(shù)小于0.001/cm。設(shè)環(huán)形激光器腔長為50 cm，磁光玻璃長為20 cm，諧振腔單程損耗為，單程增益為0.05，輸出鏡透過率為，輸出功率0.1 mW，可求出磁力儀比例因子為：

（2）

即1 Hz相當(dāng)于0.123nT。

環(huán)形激光磁力儀的極限精度由頻率不確定度決定。激光器空腔線寬為：

MHZ （3）

激光線寬為：

（4）

式中為普朗克常量，為激光波長。

當(dāng)取樣時(shí)間為時(shí)，由于激光頻率波動(dòng)導(dǎo)致的頻差測量不確定度為[7]：

（5）

將比例因子代入，可得激光磁力儀的靈敏度為1pT/Hz1/2，與AN/ASQ-208 型4He光泵磁探儀的靈敏度相當(dāng)。

2 環(huán)形激光磁力儀特性分析

2.1 優(yōu)點(diǎn)

與量子磁力儀相比，環(huán)形激光磁力儀的優(yōu)點(diǎn)有：（1）動(dòng)態(tài)范圍大。根據(jù)環(huán)形激光陀螺的研制經(jīng)驗(yàn)，環(huán)形激光器的頻差穩(wěn)定性可達(dá)0.01 Hz，最小可測頻差達(dá)0.01 Hz，而最大磁光頻率分裂在10 MHz以上（主要由探測器帶寬決定），因此環(huán)形激光磁力儀的測量范圍可從1 pT到1 mT以上，跨越9個(gè)數(shù)量級(jí)。（2）工程適應(yīng)性好。環(huán)形激光磁力儀是基于經(jīng)典光學(xué)原理的傳感器，不存在盲區(qū)、航向誤差和磁場梯度容忍度問題，具有良好的工程適應(yīng)性。（3）響應(yīng)速度快。激光磁力儀利用激光振蕩頻率隨磁場變化的原理，由于光場的建立在us量級(jí)，因此對(duì)磁場的變化響應(yīng)迅速，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場的快速跟蹤。（4）信號(hào)處理簡單。環(huán)形激光磁力儀所測磁場信號(hào)直接反映在左旋模式和右旋模式拍頻之和上，因此，利用光電探測器將激光信號(hào)放大后直接測量頻率即可測出磁場強(qiáng)度。

2.2 激光陀螺技術(shù)對(duì)環(huán)形激光磁力儀研制的支撐

環(huán)形激光磁力儀與四頻差動(dòng)激光陀螺[8]采用相同的結(jié)構(gòu)，只是前者利用左旋模和右旋模拍頻之和與磁場成正比的原理，后者利用兩者之差與角速度成正比的原理。經(jīng)過40多年的發(fā)展，四頻差動(dòng)激光陀螺技術(shù)已經(jīng)比較成熟，因而可有力地支撐環(huán)形激光磁力儀的研制，表現(xiàn)在：（1）激光陀螺普遍采用微晶玻璃加工，而微晶玻璃的熱膨脹系數(shù)比石英玻璃小兩個(gè)量級(jí)，機(jī)械穩(wěn)定性更好，因此采用微晶玻璃制作環(huán)形激光器非常便于環(huán)形激光磁力儀的工程化。（2）激光陀螺研制促進(jìn)了高反射和增透膜技術(shù)的發(fā)展，目前高反膜損耗小于20ppm，增透膜損耗小于200ppm，減小了反射損耗，而激光腔內(nèi)損耗的降低有利于增強(qiáng)靈敏度。（3）利用異面腔可以代替石英旋光器來實(shí)現(xiàn)圓偏振光運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)一步降低了腔損耗，提高了激光頻率穩(wěn)定性。（4）得益于電子技術(shù)的進(jìn)步，激光陀螺的電子系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了小型化和工程化，如用來激發(fā)He-Ne放電管的高壓電源電路、用來提高頻率穩(wěn)定性的穩(wěn)頻電路、用來提取傳感信息的光電探測電路等都非常成熟，稍作改動(dòng)或不用改動(dòng)就可用于環(huán)形激光磁力儀。最顯著的進(jìn)步是高精度頻率測量方法的發(fā)展，能夠以優(yōu)于0.01 Hz的測頻準(zhǔn)確度測出磁光頻率差。（5）當(dāng)磁光分裂較小時(shí)，環(huán)形激光器中兩個(gè)模式頻率將會(huì)鎖定在一起，因此無法測量極弱磁場（以1 kHz的閉鎖為例，低于1250 nT的磁場將無法測量）。激光陀螺采用頻率偏置技術(shù)人為施加一個(gè)較大的頻差使激光陀螺的工作點(diǎn)離開鎖區(qū)，這種技術(shù)同樣可以用于環(huán)形激光磁力儀。

2.3 溫度敏感問題

溫度敏感問題是影響環(huán)形激光磁力儀精度的一大問題。溫度主要通過諧振腔長度和Verdet的溫度系數(shù)而影響磁力儀的精度，其中腔長變化引起的磁光頻差變化為：

（6）

式中為腔長變化引起的激光頻率變化。

對(duì)四頻環(huán)形激光器，短期穩(wěn)頻精度優(yōu)于0.5 MHz，相對(duì)穩(wěn)定度優(yōu)于10-10。在待測磁場強(qiáng)度小于0.1 mT時(shí)，由穩(wěn)頻不穩(wěn)定引入的誤差完全可以忽略。另一項(xiàng)為Verdet常量的溫度系數(shù)對(duì)傳感器的影響，在常溫下，鋱玻璃Verdet常量的相對(duì)溫度系數(shù)為[5]：

（7）

該系數(shù)嚴(yán)重影響了比例因子準(zhǔn)確度，因此必須采取溫度控制措施。設(shè)溫度控制精度為0.001 K，這時(shí)Verdet常量溫度變化導(dǎo)致的測量相對(duì)誤差為，當(dāng)待測磁場強(qiáng)度為0.1 mT時(shí)，測量精度為0.34nT。待測磁場越小，所導(dǎo)致的絕對(duì)測量誤差越小。減小溫度敏感性的另一方案是采用抗磁性磁光玻璃，如采用SF57，其Verdet常量是鋱玻璃的0.2倍，因此同等條件下靈敏度要降低到6pT/Hz1/2，但抗磁性玻璃的溫度系數(shù)非常小，采取溫度控制措施后，可基本消除Verdet溫度變化的影響。

3 結(jié)語

環(huán)形激光磁力儀靈敏度在1pT/Hz1/2的量級(jí)，基本滿足反潛磁探的靈敏度要求，而且與量子磁力儀相比，它具有動(dòng)態(tài)范圍大、工程適應(yīng)性好、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。但環(huán)境溫度的變化對(duì)環(huán)形激光磁力儀的測量準(zhǔn)確度有較大的影響，因此有必要對(duì)相應(yīng)解決方案進(jìn)行研究。

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