Магнитооптический тесламетр (его варианты) Советский патент 1984 года по МПК G01R33/32 

Изобретение относится к магнитным измерениям и может быть использовано для измерений магнитной индукции постоянного магнитного поля. Известен магнитооптический тесламетр, содержащий последовательно сое диненные источник света, модулятор, поляризатор-анализатор в виде призмы Плана-Томпсона, ячейку Фарадея, отражатель, светоделитель, два фотоприемника, синхронный детектор и регистрирующий прибор И , Недостатками тесламетра являются узкий динамический диапазон измерений из-за низкой частоты модуляции, которую способен обеспечить механический модулятор, а также недостаточ ную точность, ограниченную низкочастотными колебаниями интенсивности излучения источника света, Наиболее близким техническим реше нием к предпагаемо.му является магнитооптический тесламетр, содержащий .источник света в виде двухчастотного лазера, светоделитель, два оптических (|ильтра, два фотоприемника, магнитооптический зонд, состоящий из ячейки Фарадея и двух четвертьволновых пластинок, два световода, соединенных с магнитооптическим зондом, и мостовая схема, входы которой подключены к выходам фотоприемников zj. Недостатками известного тесламетра являются высокая чувствительность к изменению козф||ициентов пере дачи фотоприемников, а также к изменению параметров ячейки Фарадея, что ограничивает его точность величиной порядка 0,3%. Цель изобретения - повышение точности измерений. Поставленная цель достигается тем что,в магнитооптический тесламетр, содержащий двухчастотный лазер, светоделитель, два оптических фильтра, два фотоприемника, магнитооптический зонд, состояпщй из ячейки Фарадея и двух четвертьволновых пластинок, два световода, соединенных с магнито оптическим зондом, введены второй светоделитель, два оптических смесителя, отражатель, третий и четвертый световоды и разностный фазометр причем первый выход лазера через первый оптический фильтр и первый светоделитель оптически связан чере два световода с противоположны входами магнитооптического зонда. первый выход которого 4ept;r i -третий световод и первый вход первого оптического смесителя связан с входом первого фотоприемника, второй выход зонда через четвертый световод и первый вход второго оптического смесителя связан Свходом второго фотоприемника, второй выход лазера через второй оптический фильтр оптически связан с входом второго светоделителя, первый выход которого через отражатель связан с вторь М входом первого смесителя, второй выход второго светоделителя связан с вторым входом второго смесителя, а выходы фотоприемников подключены к входам разностного фазометра. Поставленная цель достигается также тем, что в магнитооптический тес- ламетр, содержащий двухчастотный лазер с противоположными круговыми поляризациями компонент излучения, два оптических фильтра, два фотоприемника, магнитооптический зонд, состоящий из ячейки Фарадея, два световода, соединенных с магнитооптическим зондом, введены разностный фазометр и третий и четвертый световоды, причем выходы лазера через два световода связаны с входами магнитооптического зонда, первый и второй выходы которого через третий и четвертый световоды и оптические фильтры оптически связаны с входами первого и второго фотоприемников соответственно, выходы которых соединены с входами разностного фазометра. На фиг. 1 представлена схема магнитооптического тесламетра, первый вариант; на фиг. 2 - то же, второй вариант. Тесламетр содержит двухчастотный лазер I, первый выход которого через первый оптический фильтр 2 и пер аш светоделитель 3, где луч делится на два, оптически связан с двумя световодами 4 и 5, посредством которых два встречных луча подаются на магнитооптический зонд 6; Магните оптический зонд 6 состоит из двух четвертьволновых пластинок 7 и 8 и ячейки 9 Фарадея. Выходы магнитооптического зонда 6 через световоды 10 и П связаны с первыми входами оптических смесителей 12 и 13, с выхода которых лучи подаются на входы фотоприемников 14 и 15. Второй выход лазера I через второй оптический фильтр 16, второй светоделитель 17 и отражатель 18 оптически связан с вторыми входами оптических смесителей 12 и 13. Сложенные лучи поступают на фотоприемники 14 и 15, выходы которых соединены с входми разностного фазометра 19.

По второму варианту магнитооптический тесламетр содержит двухчастотный лазер 1 и оптический филь

2.Выходы лазера 1 через световоды 4 и 5 подаются на входы магнитооптического зонда 6, состоящего из ячейки Фарадея 9. Выходы магнитооптического зонда через световоды 10 и 11 и оптические фильтры оптически связагы с входами соответствующих фотоприемников 14 и 15, при этом

к входу фотоприемника 14 выходом подключен оптический фильтр 16. Выходы фотоприемников 14 и 15 соединены с входами разностного фазометра 19, выход которого является информационным выходом устройства.

Тесламетр (фиг. l) работает следующим образом.

Лазер 1 генерирует двухмодовое излучение, представляющее собой две линейно поляризованные взаимно ортогональные волны, разность частот которых может устанавливаться в йнтерСО

вале 10-10 Гц. Естественно, что приняты обычные меры для обеспечени стабильности характеристик излучени (стабилизация частот и мощности). . Луч из первого выхода лазера 1 проходит оптический фильтр 2, который также, как и фильтр 16 может представлять собой просто анализатор, пропускающий одну из двух ортогоналных мод, и попадает на светоделител

3,который представляет собой, например, полупрозрачное зеркало. На с етоделителе 3 первый луч лазера разщепляется на два луча, которые

с помощью световодов 4 и 5 подводятся к противоположным сторонам магнитооптического зонда 6 и образуют пару встречных лучей. Лучи, прошедшие магнитооптический зонд 6, через световоды 10 и 11 подаются на оптические смесители 12 и 13 соответственно, которые так же как светоделитель 17 могут быть выполнены в виде полупрозрачных зеркал. Луч из второго выхода лазера 1 проходит через второй оптический ({ильтр 16 и напр а08084

ляется на светоделитель 17, где луч делится на два. Один из разделенных лучей подается на оптический смеситель 12, а второй через .отражатель 18 - на оптический смеситель 13. Отражатель 18 может представлять собой, например, глухое зеркало или призму полного внутреннего отражения. Фильтр 16 выделяQ ет вторую моду, которая на оптических смесителях 12 и 13 смешивается с встречными лучами первой моды. Эти смешанные лучи попадают на фотоприемники 14 и 15 соответственно, где преобразуются в электрический сиг нал биений.

Фазометр 19 вьщеляет разность фаз двух электрических сигналов одной частоты. При включении прибора магнитооптический зонд 6 экранируют и выставляют начальное значение фазового, сдвига, например нулевое. При помещении магнитооптического зонда 6 в магнитное поле возникает опти. ческая разность хода встречных лучей, которая приводит к фазовому сдвигу

ср 2VdB. где V - постоянная Верде;

d - толщина активного слоя ячейки Фарадея;

В - магнитная индукция. При этом в магнитооптическом зонде происходит следующее. Линейно поляризованнъш луч, пройдя четвертьволновую пластинку, приобретает кру5 говую поляризацию. Вращение плоскости поляризации, обусловленное эффект .. Фарадея, .дпя встречных лучей имеет различные знаки, ускоряя один луч и тормозя второй. Пройдя вторую четвертьволновую пластинку, луч снова становится линейно поляризованным. Интенсивность луча на выходе световода 10 описывается выражением

5 ,Ь ) 4cf Д)4 q,oli) ipelt) q(B)l,

где - частота излучения;

Cf,(t)- случайная фаза, обусловленная нестабильностями лазе0ра 1{

(li HlHtp lt) - случайные фазы, обусловленные нестабильностями оптического щита в соответствующих световодах от влияющих факторов (температура, дав5 ление и др .) ;

CSj,(t) -случайная фаза, обусловленная влиянием внешних факторов на магнитооптический зонд 6; CP{B) -приращение фазы, обусловленное эффектом Фарадея. Интенсивность луча на выходе световода I1 описывается выражением I,,a,, 46ttVt 6Wvcp,,(t)-4(B), где суд, - начальное значение разности фаз встречных лучей, обусловленное различными оптическими путями; CpyCt) и Cf,,(t) - случайные фазы. Интенсивность луча на выходе светоделителя 17 равна/ , t+(i(t) (3) где Cp,,(t) - случайная фаза, соответ ствующая нестабильностям второй моды; 2 частота излучения второй моды. Интенсивность луча на выходе отражателя 18 равна 1,2, 0,2sinfrt+ fi b M ; ( где (рог начальное значение разности фаз разделенных лучей второй моды На выходе фотоприемника 15 будет сигнал V, a,6;n(,,lt)4cf(t)Cf,git)+%W+tf(Bl-tp2W,(5) на выходе фотоприемника 14 M2 ajSin(-3i- 2Vtvq,(,tCf5(t))+ %W-4 tebtp7W-4oOСб) на выходе фазометра 19 ,(t) + c,o(t)-46W 4 «(t)(8 ()2Ч(8), 4o%2-%oq c W-t),U)4Cf,(t)-q,5(t)). Магнитооптический тесламетр (фиг. 2) работает следующим образом Лазер I представляет собой изотропный зеемановский лазер, лучи с выходов которого поляризованы по кругу. При этом луч, совпадающий с направлением магнитного поля, сос тоит из двух компонент ,-6 , , где - частота лазера без магнитно поля; А- - смещение частоты лазера, вызванное эффектом Зеемана. Первая компонента имеет правую круговую поляризацию, а вторая ,левую. На втором выводе лазера 1 компонента излучения с частотой -0 имеет левую круговую поляризацию, а компонента с частотой правую . Проходя через ячейку Фарадея компоненты излучения с правой и левой круговыми поляризациями получают приращения фазы с противоположными знаками. Оптические фильтры 2 и 16, представляющие из себя, например, просто анализаторы, выделяют из. излучения, прошедшего ро световодам через ячейку Фарадея, интерферирующие составляющие излучения, которые на соответствующих фотоприемниках 14 и 15 преобразуются в электрические сигналы разностной частоты. Фазометр 19 измеряет разность фаз двух электрических сигналов одной частоты. Основные соотношения таковы. Интенсивность луча на выходе оптического фильтра состоит из двух компонент и 1,2 которые описываются следу ющими выражениями: I,,a,,5;n,l+t,U)4(,(tl4c 6aHty,,); , i,rci,,sin -32iitp2W4(iH4;Ubcp;jt)-cf{B),: где Ц, (t) и cp2(t) - случайные фазы, обусловленные нестабильностями параметров лазера 1; q4 W, tfi 1.4-6 W, 4-6 W a %(t} (t) - случайные фазы, обусловленные влиянием внешних факторов на световоды 4 и 11 и зонд 6 по отношению к первой компоненте; (|| (в) - приращение фазы, обусловленное эффектом Фарадея. Интенсивность луча ка входе оптического фильтра 16 состоит из компонент 12J и которые описываются выражениями I,,a2,,btf,lt ,), Porqle)) l22 a2.,,ltl4lf(t)4C| itlf4 i(tlt. ), где и cf(32 начальные фазы компонент второго выхсзда лазера по отношению к фазам соответствующих компонент первого 1а,1хода лазера 1 . Сигнал на выходе фотоприемника I5 имеет вид V,a,5;«(, 4cp,U)-7|,(ihq) (i)-cf (t) .../|Л )|Ъ/IIt,. I /i. . и ..I %W-(,,(t)-cf;,(i) 42(f Ol , (10) 7 13 СИГНШ1 на и,1ходе фотопрнемника 14 имеет вид M,j (V 2litc,li) + 4)(tl-cf5lt))-tt4feli)-4UtUtp,U)(i)fq,,,(.. ( Разность фаз, выделенная фазометром 19, описывается выражением i 4-tPo2- c,t4ltl4 - nW 4,,(t) + 45 - 5W 4loW-4,aUl44tf(B)(o4q,t)4cf(8l где фо - начальная разность фаз; (j,,(t)- случайная составляющая. обусловленная нендентичностью изменения оптических путей в световодах под влиянием внешних факторов. Динамический диапазон предпоженных устройств определяется несущей частотой (разностной частотой излучения . При этом верхняя частота изменения магнитного поля должна быть на один-два порядка ни7«;е несущей частоты. Предпагаемый магнитооптический тесламетр позволяет расширить диапазон измерений и повысить быстродействие. -По сравнению с серийным тес- , ламетром Ш1 -1 производительность возрастает более чем в 2 раза.

1. Магнитооптический тесламетр, содержащий двухчастотнЫй лазер, светоделитель, два оптических фильтра, два фотоприемника, магнитооптический зонд, состоящий из ячейки Фарадея и двух четвертьволновых ппастинок, два световода, соединенных с магнитооптичес1сим зондом, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, в него введены второй светоделитель два оптических смесителя,oтpaжaтeльJ третий и четвертый световоды и раз ностньщ фазометр, причем первьй выход лазера через первый оптический фильтр и первый светоделитель оптически связан через два световода с противоположными входами магнитооптического зонда, первый выход которого через третий световод и первый вход первого оптического смесителя связан с входом первого фотоприемни- ка, втopdй выход зонда через четвертый световод и первый вход второго, оптического смесителя связан с входом второго фотоприемника, второй выход лазера через второй оптический фильтр оптически связан с входом второго светоделителя,-первый выход которого через отражатель связан с вторым входом первого смесителя, второй выход второго светоделителя связан с вторым входом второго смесителя, а выходы фотоприемников подключены к входам разностного фазометра. 2. Магнитооптический тесламетр, содержащий двухчастотный лазер с противоположными круговыми поляризациями компонент излучения, два оптических фильтра, два фотоприемника, магнитооптический зонд, состо.ящий из ячейки Ф арадея, два световода, соединенных с магнитооптическим зондом, отличающи и- с я тем, что, с целью повышения точности измерений, в него введены разностньй фазометр и третий и четСлЭ вертый световоды, причем выходы лаО 90 зера через два световода связаны с входами магнитооптического зонДа, первый и второй выходы которого че00 рез третий и четвертый световоды и оптические фильтры оптически связаны с входами первого и второго фотоприемников соответственно, выходы которых соединены с входами разностного фазометра.

Ajnru

фиг 2