СЕНСОР МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ОСНОВЕ РАССЕЯНИЯ МАНДЕЛЬШТАМА-БРИЛЛЮЭНА
SENSOR OF MAGNETIC FIELD BASED ON BRILLOUIN SCATTERING

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к оптическим магнитометрам, и может быть использовано для измерения слабых магнитных полей в науке и технике, включая, например, биологию, медицину, неразрушающий микроконтроль, низкочастотную связь и т.д.
Описано большое число магнитооптических сенсоров магнитного поля на основе тонких пленок ферромагнитных материалов. Так, в патенте US 8519323 (B2) -ELECTRIC FIELD/MAGNETIC FIELD SENSORS AND METHODS OF FABRICATING THE SAME, NAKADA MASAFUMI и др., 27.08.2013, описан оптоволоконный сенсор, в котором слой магниточувствительной среды железо-иттриевого граната (ЖИГ) образован непосредственно на конце световода. Отмечается необходимость выполнения соотношения между параметрами магнитооптической среды и параметрами волокна. Однако такой сенсор, использующий классический метод поляризационных измерений, недостаточно чувствителен при измерении слабых магнитных полей. Из-за малости возмущения поляризации отраженного лазерного излучения интенсивность света, прошедшего анализатор и падающего на фотоприемник, изменяется весьма слабо под воздействием измеряемого магнитного поля. В результате этого возникает задача измерения малых изменений интенсивности света на фоне оптического шума, неизбежно присутствующего в лазерном излучении. Еще одним недостатком данной схемы является отсутствие в схеме системы калибровки фотодетектора или балансной схемы измерения, что приводит к дополнительному снижению чувствительности фотодетектора при измерении низкочастотных магнитных полей.
В патенте US 4563646 (А) - Optical magnetometer using a laser coupled to a magneto-optical medium, THOMSON CSF, 07.01.1986, описан оптический магнитометр для измерения компоненты магнитного поля с помощью эффекта Фарадея. Полупроводниковый лазер испускает два лазерных луча, которые направлены от противоположных граней лазера в противоположных направлениях вдоль двух волоконно-оптических кабелей. В этом оптическом магнитометре реализуется метод, основанный на интерференции оптического излучения в резонаторе лазера, однако оптические шумы лазера в данной системе не фильтруются и не подавляются, что явится существенным ограничением чувствительности сенсора. Использование внешнего волоконного резонатора, связанного с резонатором лазера, может привести к дополнительным шумам, возникающим из-за воздействия на волокно внешних факторов.
В патенте ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО (RU 2429498 C2, ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ", 20.09.2011) описано устройство для измерения импульсного тока и напряженности магнитного поля. Устройство содержит источник (одномодовый полупроводниковый лазер), подводящее оптоволокно, магнитооптический датчик, выводящее оптоволокно и регистратор. Магнитооптический датчик содержит последовательно соединенные коннектор, один виток, охватывающий токопровод, и адаптер. Виток магнитооптического датчика выполнен из одномодового оптоволокна с одной постоянной Верде. Технический результат - расширение функциональных возможностей, диапазона измеряемых токов и напряженности магнитного поля, уменьшение погрешности измерений тока. Данное устройство отличается простотой и универсальностью, однако оно рассчитано на дистанционное измерение магнитных полей чрезвычайно высокой напряженности (до 1 кТл) и не может применяться для измерения полей менее 1 мТл.
В изобретении «MAGNETIC FIELD SENSOR WITH OPTICALLY SENSITIVE DEVICE AND METHOD FOR MEASURING A MAGNETIC FIELD» (US 8125644 (B2), CROWE; RAYTHEON COMPANY, 28.02.2012) описано оптически чувствительное устройство с материалом, который изменяет размеры в ответ на изменение магнитного поля. Магниточувствительный элемент помещен в оптический резонатор с высокой добротностью. Резонанс приводит к усилению магнитооптического эффекта и, следовательно, чувствительности пропорционально добротности резонатора. Недостаток данной схемы состоит в том, что магниточувствительный элемент вносит потери в резонатор, снижая при этом добротность, ухудшая соотношение сигнал/шум.
Известен оптоволоконный сенсор магнитометра на эффекте Фарадея (US 7106919 (B2) - Magneto-optical sensing employing phase-shifted transmission bragg gratings, Kochergin V., и др., 12.09.2006). В конструкции используется волоконный магнитооптический модулятор фазы и планарные брэгговские решетки, которые образуют резонатор Фабри-Перо вокруг области фазовой модуляции. Если длина волны падающего света совпадает с модой резонатора Фабри-Перро, то эффект поворота поляризации в волокне под действием магнитного поля будет существенно усилен.
В этом устройстве интерферометр Фабри-Перо использован для усиления магнитооптического эффекта за счет многократного прохождения света через пленку, однако при этом оптические шумы лазера не подавляются, а остаются на прежнем уровне. Поглощение в магниточувствительном слое будет ограничивающим фактором данного усиления. Аналогичный эффект можно было бы получить, если использовать вместо интерферометра магниточувствительный элемент большей толщины.
Наиболее близким по назначению является сенсор, описанный в патенте US 8000767 (B2) - Magneto-optical apparatus and method for the spatially-resolved detection of weak magnetic fields, EDEN JG; GAO JU; BOARD OF TRUSTEES OF THE UNIVERSITY OF ILLINOIS, 16.08.2011. Магнитоплазмонный сенсор магнитного поля содержит магнитооптическую ячейку с пленкой ЖИГ и модуляционной обмоткой, подключенной к генератору электрического сигнала, оптический тракт системы регистрации, включающий узкополосный одномодовый лазер, фотоприемник, подключенный к компьютерной системе регистрации. Магнитное поле субъекта определяется путем измерения угла поворота плоскости поляризации света, отраженного от пленки ЖИГ, легированного висмутом, толщиной несколько микрон. Сенсор на основе магнитооптического эффекта Керра использует область перехода между двумя состояниями намагниченности магнитооптической пленки для обнаружения магнитных полей менее 100 пТл.
Недостаток устройства состоит в том, что измерение проводится поляризационным методом, поэтому к полезному сигналу добавляется оптический шум лазерного излучения без ослабления. Более того, используемый в данном устройстве метод модуляции намагниченности приводит к ограничениям рабочего диапазона частот сверху величиной около 1 кГц.
Настоящее изобретение направлено на решение проблемы повышения чувствительности магнитооптического сенсора магнитного поля.
Патентуемый сенсор магнитного поля содержит магнитооптическую ячейку с монокристаллической пленкой феррита-граната на немагнитной подложке и модуляционной катушкой, подключенной к генератору сигнала, оптический тракт системы регистрации, включающий узкополосный одномодовый лазер, фотоприемник, связанный с компьютерной системой регистрации.
Отличие состоит в следующем.
В устройство дополнительно введены первый и второй интерферометры Фабри-Перо, размещенные вдоль общей оптической оси, магнитооптическая ячейка с пленкой феррита-граната размещена между упомянутыми интерферометрами Фабри-Перо.
Модуляционная катушка содержит четыре плоских обмотки с образованием двух ортогональных пар, причем подложка с пленкой феррита-граната расположена внутри упомянутой катушки с обеспечением модуляции намагниченности вращающимся магнитным полем в плоскости пленки, а упомянутые плоские обмотки установлены так, что центральная часть пленки открыта общей оптической оси.
7
9
Использован генератор гармонического сигнала в диапазоне частот 10-10 Гц, а система регистрации выполнена с возможностью выделения на выходе фотоприемника гармоник, кратных частоте упомянутого генератора, амплитуда которых пропорциональна величине регистрируемого постоянного магнитного поля.
3-x
x
5-y
y
12
Сенсор может характеризоваться тем, что монокристаллическая пленка феррита-граната с ориентацией (111) образована методом жидкофазной эпитаксии на монокристаллической подложке гадолиний-галлиевого граната и имеет толщину 0,5-2,0 мкм и диаметр 1-5 мм, а также тем, что монокристаллическая пленка феррита-граната имеет состав ReBi Fe, MeO, где Re - редкоземельный элемент, Me - ион, замещающий железо; 0<x<2; 0.3<y<0.7.
3
5
12
Сенсор может характеризоваться и тем, что монокристаллическая пленка феррита-граната имеет состав (BiGd)(FeSc)O, а также тем, что расстояние между обмотками в каждой паре выбрано меньшим или равным половине ширины обмотки с образованием зазора для прохождения излучения, не превышающего 0,5 мм.
Сенсор может характеризоваться, кроме того, и тем, что края периферийной части пленки феррита-граната от центра к периферии скруглены так, что в сечении имеют форму, близкую к образующей половины эллипса.
Сенсор может характеризоваться и тем, что на поверхности монокристаллической пленки феррита-граната образована решетка из слоя металла и/или диэлектрика с шириной щелей, составляющей от 0,1 до 0,4 от периода решетки, а кроме того, тем, что диапазон частот модуляции намагниченности вращающимся магнитным полем в плоскости пленки составляет от 50 до 300 МГц.
Технический результат - повышение чувствительности сенсора за счет избирательного подавления оптических шумов в интерферометре и возможности использования пространственной фильтрации полезного сигнала, что позволяет резко повысить отношение сигнал/шум.
В основе изобретения лежат собственные экспериментальные исследования, описанные, в частности, в публикациях П.М. Ветошко, А.К. Звездин, В.А. Скиданов, И.И. Сыворотка, И.М. Сыворотка, В.И. Белотелов. Влияние профиля дискового магнитного элемента на поле насыщения и шум магнитомодуляционного сенсора магнитного поля / Письма в ЖТФ, 2015, том 41, вып. 9, стр. 103-110; а также П.М. Ветошко, Н.А. Гусев, Д.А. Чепурнова, Е.В. Самойлова, И.И. Сыворотка, И.М. Сыворотка, А.К. Звездин, А.А. Коротаева, В.И. Белотелов. Измерения магнитокардиограмм крыс с помощью магнитомодуляционного сенсора магнитного поля на базе пленок феррита-граната / Письма в ЖТФ, 2016, том 42, вып. 16, стр. 64-71.
Как правило, в конструкциях магнитометров с оптическим считыванием используется балансный метод регистрации малых изменений интенсивности света. Измеряется разность интенсивностей на двух фотоприемниках. В один фотоприемник попадает промодулированный магнитным полем сигнал, а во второй - опорный без модуляции либо (например, в случае поляризационных измерений) промодулированный в противофазе по отношению к первому. Если обозначить A интенсивность света, вышедшего из лазера, а n - интенсивность шума в оптическом пучке, то для разности сигналов на фотоприемнике будет справедливо соотношение:
Δ=mA+n(m+1),
где m - коэффициент модуляции света магнитным полем.
Из данной формулы видно, что при m<<1 соотношение сигнал-шум может оказаться существенно ниже по сравнению с входным сигналом. Размещение магнитооптической ячейки внутри резонатора Фабри-Перо, как это описано в рассмотренных выше патентах, приводит лишь к увеличению эффективного параметра m. Однако увеличение соотношения сигнал-шум при этом происходит не столь эффективно, как в патентуемом случае.
Благодаря использованию частотной и пространственной фильтрации сигнала резонаторами Фабри-Перо до и после магнитооптического взаимодействия, рассматриваемого как рассеяние Мандельштама-Бриллюэна на магнонах, величина сигнала на фотоприемнике будет описываться следующей формулой:
1
2
Δ=mA+n(m/Q+1)/Q,
1,2
где Q - добротность резонаторов Фабри-Перо. Отсюда следует указанная возможность резкого повышения отношения сигнал/шум и соответственно чувствительности сенсора магнитного поля.
Существо изобретения поясняется на фигурах, где:
фиг. 1 - блок-схема сенсора;
фиг. 2 - топология магнитооптической ячейки, вид сбоку;
фиг. 3 - топология магнитооптической ячейки, вид в плане;
фиг. 4 - форма сечения пленки на подложке;
фиг. 5 - схема магнитооптического модулятора на экваториальном эффекте Керра;
на фиг. 6 - схема магнитооптического модулятора на меридиональном эффекте Керра;
на фиг. 7-10 - частотные зависимости интенсивности выходного сигнала от внешнего магнитного поля.
Устройство (фиг. 1) содержит магнитооптическую ячейку 10, включающую тонкую магнитную пленку 12 из монокристаллического феррита-граната с ориентацией (111), которая образована методом жидкофазной эпитаксии на монокристаллической подложке 14 из гадолиний-галлиевого граната и имеет толщину 0,5-2,0 мкм и диаметр 1-5 мм.
7
9
Подложка с пленкой 12 окружена системой 16 катушек индуктивности, подключенной к генератору 18 гармонического сигнала высокой частоты (ВЧ). Генератор 18 функционирует в диапазоне частот 10-10 Гц. Система 16 катушек и генератор 18 обеспечивают создание вращающегося магнитного поля, которое обеспечивает модуляцию намагниченности пленки 12.
Оптический тракт системы регистрации содержит узкополосный одномодовый лазер 20, первый 22 и второй 24 интерферометры Фабри-Перо, фотоприемник 26 и компьютерную систему 30 регистрации и управления. Магнитооптическая ячейка 10 размещена между интерферометрами 22 и 24.
а
Принцип работы магнитоплазмонного сенсора магнитного поля основан на схеме бриллюэновской спектроскопии. На фиг. 1 позициями , б, в и г показано последовательное преобразование спектра лазерного излучения в процессе прохождения по оптическому тракту.
а
6
8
Оптический пучок 40, генерируемый узкополосным одномодовым лазером 20 (поз. ), направляется на Фабри-Перо интерферометр 22, который настроен таким образом, чтобы его линия пропускания совпадала с максимумом в спектре лазерного излучения. После прохождения через интерферометр 22 происходит существенное сужение спектра оптического излучения на величину, определяемую добротностью интерферометра, которая может достигать 10 (поз. б). Далее оптический пучок 40 падает на пленку 12 феррита-граната, намагниченность которой модулируется с частотой порядка 10 Гц. Модуляция намагниченности осуществляется системой 16 катушек, на обмотки 17 которых с высокочастотного генератора 18 подается гармонический сигнал.
6
В результате магнитооптического эффекта происходит модуляция лазерного пучка 40, поэтому в его спектре появляются две боковые компоненты, отстоящие от центрального максимума на величину, равную частоте сигнала, поступающего с генератора 18 (поз. в). Ввиду малой эффективности магнитооптического взаимодействия данные спектральные компоненты оказываются существенно слабее основной частоты и не могут быть зарегистрированы непосредственно фотоприемником 26. Поэтому для их выделения используется второй интерферометр 24 Фабри-Перо. Интерферометр 24 настраивается таким образом, чтобы максимум пропускания соответствовал боковой спектральной компоненте, а межмодовое расстояние было равным удвоенному значению частоты сигнала ВЧ генератора 18. Благодаря такой настройке происходит существенное подавление центральной спектральной компоненты. Так как ее частота попадает на минимум пропускания, подавление оказывается равным добротности интерферометра 24 и может достигать 10. В спектре прошедшего через интерферометр 24 оптического излучения центральная компонента оказывается меньшей или близкой по величине боковым компонентам (поз. г). Данное излучение детектируется фотоприемником 26. В процессе детектирования используется принцип оптического гетеродинирования, поэтому сигнал фотоприемника 26 представляет собой гармоническую функцию с основной частотой, равной частоте ВЧ генератора 18, и амплитудой, равной величине боковых компонент оптического сигнала (поз. г).
При наличии детектируемого постоянного магнитного поля в спектре оптического сигнала и, следовательно, в сигнале фотоприемника 26 присутствуют гармоники, кратные частоте генератора 18 и пропорциональные величине постоянного магнитного поля. Таким образом, измерение слабых магнитных полей достигается путем обнаружения и измерения величины этих гармоник в спектре сигнала фотоприемника 26.
Волновое число магнонов существенным образом зависит от параметров пленки. Параметры пленки 12 и модулирующих обмоток 17 системы 16, а также частота тока в обмотках 17 определяют волновое число возбуждаемых магнонов и, следовательно, определяют углы, под которыми происходит рассеяние Мандельштама-Бриллюэна. Гармоники оптического излучения, возникающие после прохождения пучком 40 магнитооптической ячейки 10, в общем случае будут отделены в пространстве друг от друга и от прошедшего пучка на основной частоте оптического излучения. Для упрощения схемы целесообразно использовать такую конфигурацию модулирующих обмоток 17, которая обеспечивает волновые числа магнонов, равные или близкие к нулю. В таком случае рассеяние становится эквивалентным модуляции света.
На фиг. 2, 3 показана структура модулирующих обмоток 17. Используются две ортогональные друг другу пары 171, 172 обмоток. Обмотки 17 имеют форму в сечении, близкую к прямоугольной. Для достижения однородной намагниченности пленки 12 расстояние h между обмотками в каждой паре выбрано таким образом, чтобы быть меньшим, либо равным половине меньшего внутреннего размера s обмотки, т.е. h≤0,5s. Таким образом, между обмотками 171 и 172 образован зазор 121 для прохождения излучения. Размер g зазора 121 не превышает 0,5 мм.
Для снижения магнитных шумов края 122 магнитной пленки 12 скруглены от центра к периферии. Края обработаны таким образом, чтобы сечение 123 пленки 12 было близко к половине эллипса (см. фиг. 3). Достижение подобной формы на практике возможно за счет ее аппроксимации ступеньками 124, как показано штриховой линией, путем послойной литографии краев пленки.
Модуляция света в магнитооптической ячейке может осуществляться за счет модуляции поляризации света - эффекта Фарадея или меридионального эффекта Керра, а также за счет модуляции интенсивности света - экваториального эффекта Керра и меридионального интенсивностного магнитооптического эффекта. На фиг. 5 приведена схема магнитооптического модулятора на поляризационных эффектах, а на фиг. 6 - на интенсивностном меридиональном магнитооптическом эффекте.
В случае использования эффекта Фарадея (равно как и меридионального эффекта Керра) феррит-гранатовая пленка 12 расположена под углом α к оптическому пучку 40 (фиг. 5). Перед ячейкой 10 расположен поляризатор 51, а после ячейки - анализатор 52. Для экваториального эффекта Керра также требуется наклонное падение, однако поляризатор 51 и анализатор 52 не используются. В случае меридионального интенсивностного эффекта феррит-гранатовая пленка 12 расположена ортогонально оптическому пучку 40. На поверхность пленки 12 нанесен слой 60, представляющий собой периодически структурированную металлическую или диэлектрическую пленку (фиг. 6), в этом случае поляризатор и анализатор не используются.
Слой 60 представляет собой периодическую систему щелей, ширина которых составляет от 0,1 до 0,4 от величины периода. Так, при длине волны лазера 780 нм и толщине магнитной пленки 1,9 мкм толщина металлического слоя 60 составляет 80 нм, период решетки - 335 нм, ширина щелей - 120 нм. Такое выполнение слоя 60 позволяет обеспечить существенное усиление меридионального интенсивностного магнитооптического эффекта (см. V.I. Belotelov и др. Plasmon-mediated magneto-optical transparency / Nature Communications, 2013, V. 4, 2128) и соответственно повысить чувствительность сенсора.
Сенсор работает следующим образом.
При отсутствии внешнего (измеряемого) магнитного поля происходит модуляция света частотой f, равной частоте тока в модулирующих обмотках 17, подключенных к ВЧ генератору 18. При наличии измеряемого магнитного поля в спектре оптического сигнала появляются гармоники, соответствующие удвоенной, учетверенной и т.д. частоте (2f, 4f, 6f, …) модулирующего сигнала генератора 18. Амплитуда гармоники на удвоенной частоте 2f пропорциональна величине измеряемого поля.
На фиг. 7 показан спектр пропускания первого Фабри-Перо резонатора 22 (поз. 71), спектр излучения лазера (поз. 72) и спектр излучения прошедшего через первый резонатор 22 (поз. 73). Резонатор 22 должен быть настроен таким образом, чтобы один из его максимумов пропускания оказался на длине волны излучения лазера 20, а ближайший минимум соответствовал линии 2f.
На фиг. 8 показан спектр пропускания второго Фабри-Перо резонатора 24 (поз. 74), спектр излучения, прошедшего магнитооптическую ячейку (поз. 75), и спектр излучения, прошедшего через второй резонатор (поз. 76). В результате прохождения через второй резонатор амплитуда полезного сигнала (пик 2f на фиг. 8) становится преобладающей.
Графики на фиг. 9, 10 относятся к варианту выполнения ячейки 10 с использованием меридионального интенсивностного эффекта. На поверхности феррит-гранатовой пленки 12 образован слой 60 из периодически структурированной металлической или диэлектрической пленки. В случае отсутствия внешнего (измеряемого) поля происходит модуляция света частотой 2f, где f - частота тока в модуляционной обмотке. При наличии измеряемого поля в спектре оптического сигнала появляются гармоники, соответствующие частотам f, 3f, 5f и т.д. Амплитуды гармоник на частотах f и 3f равны друг другу и пропорциональны величине измеряемого поля. На фиг. 9 показан спектр пропускания первого Фабри-Перо резонатора 22 (штриховая линия 81), спектр излучения лазера 20 (пунктирная линия 82) и спектр излучения, прошедшего через первый резонатор (сплошная линия 83). Первый резонатор Фабри-Перо должен быть настроен таким образом, чтобы один из его максимумов пропускания оказался на длине волны лазерного излучения, а ближайший минимум соответствовал линии f.
На фиг. 10 показан спектр пропускания второго Фабри-Перо резонатора (штриховая линия 84), спектр излучения, прошедшего магнитооптическую ячейку (пунктирная линия 85), и спектр излучения, прошедшего через второй резонатор (сплошная линия 86). В результате прохождения через второй резонатор амплитуда полезного сигнала (пики f и 3f на фиг. 10) становится преобладающей. Наиболее предпочтительно использовать пик 3f, так как после детектирования в электрическом сигнале на частоте 3f будет отсутствовать помеха, создаваемая полем подмагничивания, осциллирующим с частотой f.
Таким образом, экспериментальные данные показывают, что повышение чувствительности сенсора за счет избирательного подавления оптических шумов в интерферометре при использовании частотной фильтрации полезного сигнала позволяет резко повысить отношение сигнал/шум вплоть до уровня тепловых колебаний намагниченности. Оценки показывают, что поскольку амплитуда тепловых магнонов соответствует флуктуациям магнитного поля на уровне 1 фТ, то чувствительность сенсора следует ожидать на уровне 100 фТ и ниже, в полосе частот 1 Гц.