結(jié)構(gòu)改進(jìn)的厘米尺寸諧振腔的磁場傳感特性*

2021-09-03 08:26:28于長秋馬世昌陳志遠(yuǎn)項(xiàng)晨晨李海周鐵軍

物理學(xué)報 2021年16期

關(guān)鍵詞：磁場信號

于長秋馬世昌陳志遠(yuǎn) 項(xiàng)晨晨李海周鐵軍

(杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院, 杭州 310018)

基于光力諧振腔的磁力儀在應(yīng)用時主要受限于靈敏度和檢測帶寬兩個指標(biāo).本文設(shè)計(jì)了一種厘米尺寸的回音壁模式諧振腔結(jié)構(gòu), 可探測6 Hz至1 MHz頻率范圍內(nèi)的交變磁場, 在無磁屏蔽、室溫環(huán)境下、無直流偏置磁場時, 其最佳靈敏度在123.8 kHz可達(dá)530 pT·Hz-1/2, 探測帶寬和最佳靈敏度分別為同尺寸諧振腔的11倍和1.67倍.該磁場傳感器僅需100 μW的光功率, 功耗很低.后續(xù)通過優(yōu)化系統(tǒng)噪聲、提升器件磁場響應(yīng)能力等手段可進(jìn)一步提升其傳感性能, 有望在電力系統(tǒng)故障監(jiān)測和醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域發(fā)揮其應(yīng)用潛力.

1 引言

回音壁模式光學(xué)諧振腔可用于檢測轉(zhuǎn)速[1]、溫度[2-5]、濕度[6]、折射率[7]、壓強(qiáng)[8-10]、力[11,12]、位移[13,14]、加速度[15]、電場[16,17]和磁場[18-23]等物理量.其中, 磁場傳感器因其在醫(yī)學(xué)、軍事、地理勘測和物理等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值[24-28], 吸引了研究人員的廣泛關(guān)注.在磁力儀的諸多實(shí)現(xiàn)方式中[28], 結(jié)構(gòu)簡單的搜索線圈磁力儀具有較寬的探測頻帶, 可探測fT量級的變化磁場, 但是無法探測直流磁場; 磁阻式磁場傳感器的靈敏度高、加工時工藝比較復(fù)雜, 對加工設(shè)備和環(huán)境要求較高; 無自旋交換弛豫磁力儀和原子磁力儀一樣, 較難集成且工作時需要磁屏蔽系統(tǒng); 超導(dǎo)量子干涉磁力儀具有fT量級的高靈敏度, 應(yīng)用范圍覆蓋生物磁場探測、材料性質(zhì)表征、地磁測量和軍事反潛等諸多領(lǐng)域, 但是低溫的工作條件增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度、成本、尺寸和功耗; 而光學(xué)系統(tǒng)與磁致伸縮介質(zhì)相結(jié)合構(gòu)建的磁場傳感器可探測直流磁場和pT量級的交流磁場, 同時還具有室溫工作、低成本、易加工、低功耗、不受電磁干擾、易集成等優(yōu)勢, 是一種極具發(fā)展前景的磁場探測系統(tǒng), 其中基于回音壁模式光學(xué)諧振腔的光力磁力儀利用腔的力學(xué)模式去增強(qiáng)其交變磁場探測性能[18-21], 可以實(shí)現(xiàn)室溫下的低功耗弱磁探測.通過優(yōu)化腔的結(jié)構(gòu), 該類磁力儀在幾十兆赫茲頻率附近的靈敏度得到了顯著的提高[18-20], 而能夠探測低頻帶磁場的厘米尺寸光力磁力儀的傳感性能仍不理想[21], 由于低頻帶磁場探測在醫(yī)療、軍事等應(yīng)用領(lǐng)域的重要應(yīng)用, 因此,本文通過改變厘米尺寸諧振腔內(nèi)光學(xué)介質(zhì)(CaF2)和磁致伸縮介質(zhì)(Terfenol-D)的分布, 獲得在低頻帶內(nèi)磁場傳感性能改進(jìn)的光力諧振腔磁力儀.改進(jìn)后光力磁力儀的探測頻帶覆蓋6 Hz到1 MHz,為改進(jìn)前厘米尺寸諧振腔的1.67倍.在不引入直流偏置磁場時, 其最佳靈敏度在123.8 kHz達(dá)530 pT·Hz-1/2, 是改進(jìn)前厘米尺寸諧振腔的最佳靈敏度的11倍.

2 諧振腔加工

改進(jìn)型厘米尺寸光學(xué)諧振腔結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示.腔由陶瓷、磁致伸縮材料和CaF2晶體三部分構(gòu)成, 三者之間通過環(huán)氧樹脂膠(EPO TEX 353 ND)粘結(jié)在一起.熱穩(wěn)定良好的陶瓷是諧振腔的底座.這里選用CaF2晶體是因其具有高的光學(xué)品質(zhì)因數(shù), 有助于提升磁場傳感的性能[29].CaF2晶體內(nèi)部挖空形成空心圓柱, 在其內(nèi)嵌入Terfenol-D圓柱(直徑和高度分別約為12.3 mm和3 mm), 可用于感知外部磁場.而后, 利用納米尺度金剛石加工機(jī)床(Moore Nanotech 250 UPL)研磨CaF2晶體表面, 得到表面光滑、直徑為16 mm、邊緣曲率半徑為1.616 mm的光學(xué)諧振腔, 通過腔與棱鏡的耦合可在其內(nèi)表面?zhèn)鬏敾匾舯诠鈱W(xué)模式.最終加工得到的腔的實(shí)物圖和邊緣局部放大圖如圖1(b)所示.當(dāng)待測交變磁場信號存在時, 腔內(nèi)磁致伸縮介質(zhì)會驅(qū)動腔發(fā)生周期性振蕩, 當(dāng)入射光波長被鎖定在腔的諧振波長上時, 腔的透射光場會被磁場信號所調(diào)制, 因此可通過觀測腔的透射特性解調(diào)待測磁場信息.當(dāng)腔的力學(xué)模式與交變磁場信號頻率一致時,二者發(fā)生諧振增強(qiáng), 使得該系統(tǒng)能夠探測到微弱的交變磁場信號.

圖1 (a) 改進(jìn)型諧振腔三維結(jié)構(gòu)示意圖, 亮黃色區(qū)域:CaF2, 黑色區(qū)域: Terfenol-D, 姜黃色區(qū)域: 陶瓷; (b)諧振腔的局部放大圖和實(shí)物圖Fig.1.(a) Schematic diagram of the optimized resonator structure; Bright yellow area: CaF2; Black area: Terfenol-D;Ginger area: ceramic; (b) local enlarged image and actual structure image of the resonator.

在進(jìn)行腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時, 依據(jù)現(xiàn)有磁場傳感理論進(jìn)行了定性的預(yù)測[30]: 為提升磁場傳感的性能, 盡量保證磁場產(chǎn)生的力對光場傳輸區(qū)域處介質(zhì)的作用最強(qiáng), 同時也盡量保證腔力學(xué)模式的最大位移場位于光學(xué)模式傳輸?shù)膮^(qū)域.改進(jìn)前(圖2(a))和改進(jìn)型(圖2(b))諧振腔的截面圖如圖2所示.圖2中的紅色箭頭代表磁致伸縮介質(zhì)對光學(xué)介質(zhì)作用力的分布, 是利用有限元分析軟件計(jì)算得到的.結(jié)果顯示對于改進(jìn)型諧振腔, 磁場作用下磁致伸縮介質(zhì)對光場傳輸區(qū)域的水平分量的作用力更大, 有利于提升器件的磁場響應(yīng)能力.此外, 利用有限元軟件分析可知, 磁致伸縮介質(zhì)和光學(xué)介質(zhì)相對分布發(fā)生變化后的改進(jìn)型諧振腔的力學(xué)模式分布如圖3(b)所示, 與圖3(a)所示的改進(jìn)前諧振腔的幾個相近頻率處的力學(xué)模式相比, 改進(jìn)型諧振腔結(jié)構(gòu)的力學(xué)模式的最大位移場(紅色區(qū)域)多數(shù)位于光場傳輸?shù)膮^(qū)域, 因此也有望提升諧振腔磁場傳感性能.

圖2 (a) 改進(jìn)前諧振腔結(jié)構(gòu)的截面圖; (b) 改進(jìn)型諧振腔結(jié)構(gòu)的截面圖Fig.2.(a) Cross section of unoptimized resonator structure;(b) cross section of optimized resonator structure.

圖3 (a) 改進(jìn)前諧振腔力學(xué)模式的有限元模擬結(jié)果, 從左至右, 頻率依次為69.2 kHz, 121.3 kHz, 和138.4 kHz; (b)改進(jìn)型諧振腔力學(xué)模式的有限元模擬結(jié)果, 從左至右, 頻率依次為72.5 kHz, 123.8 kHz, 和137.5 kHzFig.3.(a) Finite element modelling (FEM) of mechanical eigenfrequency modes for unoptimized resonator; From left to right, the frequencies are 69.2 kHz, 121.3 kHz and 138.4 kHz, respectively; (b) FEM of mechanical eigenfrequency modes for optimized resonator.From left to right, the frequencies are 72.5 kHz, 123.8 kHz and 137.5 kHz, respectively.

3 光學(xué)特性測試

為標(biāo)定光學(xué)諧振腔的光學(xué)品質(zhì)因數(shù)并進(jìn)行波長鎖定, 首先利用圖4所示實(shí)驗(yàn)裝置測試改進(jìn)型諧振腔的光學(xué)透射特性[31].可調(diào)諧激光器輸出1550 nm波長附近的光經(jīng)隔離器、衰減器、偏振控制器、透鏡、反射鏡后, 通過棱鏡耦合進(jìn)出諧振腔,虛線部分表示光在自由空間中傳播.棱鏡與腔的耦合狀態(tài)可以通過三維納米位移臺進(jìn)行調(diào)節(jié), 棱鏡耦合角度可通過調(diào)節(jié)透鏡的角度實(shí)現(xiàn), 實(shí)驗(yàn)中仔細(xì)調(diào)節(jié)了棱鏡耦合角度和耦合狀態(tài)以使更多的光耦合進(jìn)入諧振腔(耦合效率約為40%)、獲得更高的光學(xué)品質(zhì)因數(shù).經(jīng)棱鏡耦合出來的光被光電探測器檢測并顯示在示波器上.信號發(fā)生器輸出的三角波電壓信號一路用于線性掃描激光器波長, 另一路送入示波器用于透射譜線測量.實(shí)驗(yàn)測得腔的歸一化透射譜如圖5所示, 其光學(xué)模式半高全寬(full width at half maximum, FWHM)約為1.72 MHz, 對應(yīng)的光學(xué) 品質(zhì) 因數(shù) Q =c/λ/FWHM=1.6×108, 其中c是真空中光速, λ 為入射光波長.改進(jìn)前諧振腔的光學(xué)品質(zhì)因數(shù)為 2.8×108, 二者光學(xué)品質(zhì)因數(shù)接近[21], 在同一個數(shù)量級上.

圖4 光學(xué)品質(zhì)因數(shù)測量實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.4.Schematic of the experimental setup for the optical quality factor measurement.

圖5 歸一化的腔透射譜Fig.5.Normalized transmission spectrum of the resonator.

4 磁場傳感特性測試

為對比改進(jìn)型厘米尺寸諧振腔和改進(jìn)前厘米尺寸諧振腔的磁傳感性能, 采用圖6所示實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行測試, 測試過程中均沒有引入直流偏置磁場.實(shí)驗(yàn)中使用Pound-Drever-Hall頻率鎖定的方法,通過引入電光調(diào)制器(covega phase modulator)、偏置三通、混頻器、分束器、伺服控制器(New Focus LB1005)、電壓放大器等器件將激光器(Koheras Adjustik C15)輸出的入射光波長鎖定到腔的諧振波長.鎖定后系統(tǒng)輸出的直流信號通過示波器觀測, 交流信號通過譜儀(Agilent N9010A)和網(wǎng)絡(luò)分析儀(Keysight E5061B-3L5)觀測.

圖6 磁場傳感實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.6.Schematic of the experimental setup for magnetic field sensing.

首先測試參考頻率處系統(tǒng)對磁場信號的響應(yīng).對改進(jìn)型厘米尺寸諧振腔, 選取15 MHz的電光調(diào)制頻率、保證大于腔光學(xué)模式的FWHM.參考頻率( ωref=280kHz )處交變磁場( Bref=14.6μT )由線圈(直徑6.5 cm, 60匝)產(chǎn)生, 譜儀(分辨率帶寬BW=36 Hz)上測得參考磁場信號的信噪比(signal noise ratio, SNR)為49.58 dB(如圖7(a)中綠色峰所示).由(1)式計(jì)算可知參考頻率處最小可探測磁場為 Bmin(ωref)=8.07nT·Hz-1/2.

隨后, 利用網(wǎng)絡(luò)分析儀和線圈對腔施加一個頻段的磁場信號, 并由譜儀和網(wǎng)絡(luò)分析儀分別接收功率譜密度 S (ω) 和系統(tǒng)響應(yīng) N (ω) .圖7(a)和圖7(b)所示的是改進(jìn)型厘米尺寸諧振腔的功率譜密度和系統(tǒng)響應(yīng), 圖7(a)中插圖為SNR隨參考磁場強(qiáng)度變化的關(guān)系.

圖7 (a) 電光調(diào)制頻率為15 MHz時的功率譜密度 S (ω) ;綠色峰為280 kHz處的參考磁場信號; 插圖: BW =330 Hz時SNR開方值隨信號場強(qiáng)度變化關(guān)系; (b) 系統(tǒng)響應(yīng) N(ω)Fig.7.(a) Power spectral density S (ω) with a 15 MHz electro optic modulation frequency, and the highest green peak shows the response to the applied reference field at 280 kHz; Inset: response to the magnetic field as a function of signal field strength, with 330 Hz spectrum analyzer resolution bandwidth; (b) system response N (ω) .

由7(a)中插圖可知, 在280 kHz處, 參考磁場強(qiáng)度在50 μT范圍內(nèi), 其SNR開方值隨參考磁場強(qiáng)度是線性變化的.需要指出, 在其它頻率處也可以測到相同的線性響應(yīng), 后續(xù)計(jì)算中認(rèn)為探測頻段內(nèi)SNR開方值均隨對應(yīng)頻率交流磁場強(qiáng)度發(fā)生線性變化.相應(yīng)靈敏度由(2)式計(jì)算, 其中 N (ωref) 表示參考頻率處的系統(tǒng)響應(yīng), S (ωref) 表示參考頻率處的功率譜密度.

采用同樣的實(shí)驗(yàn)方案測量改進(jìn)前厘米尺寸諧振腔的磁場傳感性能, 所得功率譜密度、系統(tǒng)響應(yīng)及SNR的線性響應(yīng)結(jié)果如圖8所示.同一線圈在280 kHz處產(chǎn)生 Bref=7.8 μT的參考磁場, BW=330 Hz時相應(yīng)的SNR為19.4 dB.因此, 由(1)式可知相應(yīng)的 Bmin(ωref)=46.2nT·Hz-1/2.

圖8 (a) 電光調(diào)制頻率為13.6 MHz時的功率譜密度S(ω) , 280 kHz參考磁場頻率處有峰值響應(yīng); 插圖: BW =10 Hz條件下, SNR開方值隨信號場強(qiáng)度變化關(guān)系; (b) 系統(tǒng)響應(yīng) N(ω)Fig.8.(a) Power spectral density S (ω) with a 13.6 MHz electro optic modulation frequency, and the highest peak shows the response to the applied reference field at 280 kHz; Inset: response to the magnetic field as a function of signal field strength, with 10 Hz spectrum analyzer resolution bandwidth; (b) system response N (ω) .

改進(jìn)型和改進(jìn)前厘米尺寸諧振腔在無直流偏置磁場時的靈敏度曲線如圖9所示.改進(jìn)型諧振腔在123.8 kHz處的最佳靈敏度約為530 pT·Hz-1/2,探測頻帶覆蓋6 Hz到1 MHz的范圍.改進(jìn)前諧振腔在118.5 kHz處的靈敏度為最佳靈敏度, 其值為5.93 nT·Hz-1/2, 可探測10 Hz到600 kHz的頻率范圍.通過比較可知, 改進(jìn)型諧振腔的最佳靈敏度為改進(jìn)前諧振腔最佳靈敏度的11倍, 探測頻帶擴(kuò)大到了1.67倍.在光學(xué)品質(zhì)因數(shù)略低的情況下, 仍可以獲得更好的磁場傳感性能, 因此可以認(rèn)為優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)能夠改進(jìn)厘米尺寸光力磁力儀的磁場傳感性能.通過調(diào)整CaF2的總質(zhì)量、Terfenol-D高度等結(jié)構(gòu)參數(shù), 使得改進(jìn)型諧振腔的力學(xué)模式最大位移場更多位于光學(xué)模式傳輸?shù)膮^(qū)域、增強(qiáng)磁場產(chǎn)生的力對光場傳輸區(qū)域處介質(zhì)的作用力, 因而可以提升其磁場傳感性能.不考慮計(jì)算誤差的情況下,圖3(b)中改進(jìn)型諧振腔的三個力學(xué)模式的頻率分別為72.5 kHz, 123.8 kHz 和137.5 kHz, 對應(yīng)于圖9黃色靈敏度曲線中的靈敏度分別為2.528 nT·Hz-1/2, 530.1 nT·Hz-1/2, 和2.534 nT·Hz-1/2.72.5 kHz和137.5 kHz處力學(xué)模式位移場分布相近, 所以這兩個頻率處對應(yīng)的靈敏度值也很接近.123.8 kHz處力學(xué)模式的最大位移場更多的分布于光學(xué)模式傳輸?shù)膮^(qū)域, 因此在該頻率處有最佳探測靈敏度.需要說明的是, 不同頻率位置處靈敏度不同是因?yàn)椴煌l率的力學(xué)模式的分布不同, 導(dǎo)致力學(xué)模式諧振增強(qiáng)磁場傳感性能的效果不同.

圖9 改進(jìn)型諧振腔(黃色曲線)和改進(jìn)前諧振腔(藍(lán)色曲線)的磁場傳感靈敏度Fig.9.Magnetic field sensitivities of optimized resonator and unoptimized resonator.

諧振腔磁場傳感器的探測頻帶和靈敏度取決于系統(tǒng)噪聲和諧振腔對磁場信號的響應(yīng)能力.通過使用相位壓縮光抑制熱噪聲[20]或利用平衡零差法減小激光器噪聲[32], 可以提升諧振腔的傳感性能.此外, 利用熱退火工藝[33]或引入直流偏置磁場[18-21]改善Terfenol-D性能、或優(yōu)化諧振腔結(jié)構(gòu)亦可增強(qiáng)諧振腔的磁場響應(yīng)能力.腔結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法之一是將磁致伸縮材料置于諧振腔的外部、消除腔尺寸對磁致伸縮材料尺寸的限制[23]; 腔結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法之二是使用更大內(nèi)徑的諧振腔, 腔內(nèi)粘結(jié)相應(yīng)尺寸的Terfenol-D圓柱[21].考慮到腔在實(shí)際應(yīng)用時的穩(wěn)定性, 可引入封裝過程以解決腔的污染、耦合穩(wěn)定性等問題[34], 進(jìn)而獲得能夠自由移動、穩(wěn)定的傳感系統(tǒng).封裝時可以選用低折射率紫外膠將棱鏡和諧振腔粘結(jié)在一起, 再調(diào)節(jié)其耦合狀態(tài)至最佳, 而后利用紫外燈固化.最后, 需要指出的是, 該諧振腔磁場傳感單元不僅能夠探測交流磁場, 亦可用于直流磁場探測, 這里雖然沒有定量的測量, 但在測試腔的透射特性時, 在腔上方掃過了一個直流磁鐵, 譜線發(fā)生了移動, 側(cè)面確認(rèn)了該器件具有探測直流磁場的能力.只是, 利用譜線中特定波長的移動去標(biāo)定直流磁場的傳感方式很可能受到環(huán)境溫度的影響, 需要排除溫度的影響以便準(zhǔn)確的測量直流磁場信號.

在諧振腔磁場傳感系統(tǒng)的探測頻帶內(nèi), 它既可以探測單一頻率交變磁場信號, 又可以探測覆蓋一定頻率范圍的交變磁場信號.該系統(tǒng)可以探測50 Hz或60 Hz的工頻電流產(chǎn)生的單一頻率的交變磁場信號, 用于電力系統(tǒng)工作狀態(tài)監(jiān)測.若進(jìn)一步提升該系統(tǒng)的靈敏度、拓展其探測頻帶, 則有它有可能用于探測瞬時放電電流產(chǎn)生的1 kHz-10 MHz磁場信號[35]和10 mHz-1 kHz的極低頻人體磁場信號[36], 進(jìn)而用于電力系統(tǒng)故障檢測和生物醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域.

5 結(jié) 論