Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Общие сведения о преобразователях поляриметрического типа 14
1.1. Классификация оптоэлектронных преобразователей 14
1.2. Компоненты преобразователей поляриметрического типа 18
1.3. Основные физические явления и материалы, используемые в преобразователях поляриметрического типа 25
1.4. Практическое применение ОЭП поляриметрического типа 40
1.5.Выводы 70
Глава 2 Математическая модель преобразователя магнитного поля на основе монокристаллических пленок ферритов-гранатов 72
2.1. Обоснование выбора математического аппарата 72
2.2. Особенности процесса намагничивания магнитоодноосных монокристаллических пленок ферритов-гранатов 82
2.3. Вывод функции преобразования 86
2.4. Ограничение порога чувствительности преобразователя амплитудным шумом источника света 94
2.5. Ограничение порога чувствительности преобразователя дробовым шумом фотодиода 101
2.6. Влияние магнитного шума на порог чувствительности преобразователя магнитного поля 103
2.7. Магнитооптика многослойного чувствительного элемента 110
2.8. Выводы 122
Глава 3 Магнитооптический ротатор в оптической схеме преобразователей поляриметрического типа 124
3.1. Математические основы принципа построения 124
3.2. Реальный магнитооптический ротатор 136
3.3. Оценка дополнительной погрешности преобразователя 142
3.4. Выводы 152
Глава 4 Теоретические основы принципа построения оптоэлектронных преобразователей поляриметрического типа на основе фазового метода измерения сигнала 153
4.1. Принцип построения оптической схемы преобразователя 153
4.2. Фазовый метод при распространении света в анизотропной среде с кручением 164
4.3. Теоретическая оценка возможностей практической реализации фазового метода измерения сигнала преобразователей поляриметрического типа 171
4.4. Выводы 177
Глава 5. Способы реализации устройств для измерения параметров физических полей на основе преобразователей поляриметрического типа 178
5.1. Устройства измерения инфранизкочастотных и постоянных магнитных полей 178
5.2. Преобразователи и измерители электрического тока промышленной частоты 191
5.3. Устройства измерения напряженности электрического поля 208
5.4. Оптоэлектронные устройства измерения давления 219
5.5. Выводы 235
Заключение 236
Список литературы 240
- Основные физические явления и материалы, используемые в преобразователях поляриметрического типа
- Особенности процесса намагничивания магнитоодноосных монокристаллических пленок ферритов-гранатов
- Теоретическая оценка возможностей практической реализации фазового метода измерения сигнала преобразователей поляриметрического типа
- Преобразователи и измерители электрического тока промышленной частоты
Введение к работе
Актуальность темы
Проблема построения измерительных преобразователей (датчиков) занимает одно из центральных мест в теории и практике создания устройств регистрации и измерения различных физических полей. Современная тенденция развития этих устройств заключается не только в улучшении их метрологических характеристик, но и в расширении эксплуатационных возможностей, к числу которых относятся: работа в условиях взрыво- и пожароопасных сред, высоких уровней электромагнитных помех, дистанционные измерения, осуществляемые в рамках волоконно-оптических систем передачи и обработки информации. Перечисленными возможностями обладают оптоэлектронные и в особенности волоконно-оптические преобразователи и устройства на их основе [9]. В рамках этого широкого круга существуют преобразователи, структура которых и вытекающие из нее специфические подходы при обработке сигнала измерительной информации, позволяют рассматривать такие преобразователи, как отдельный тип оптоэлектронных преобразователей. Эти преобразователи, которые по нашему мнению следует называть преобразователями поляриметрического типа, используют уникальные свойства некоторых оптических сред изменять состояние поляризации оптического излучения под влиянием ряда физических воздействий: магнитных и электрических полей, механических напряжений, температуры и т. д. [19]. Такого рода преобразователи и являются объектом исследований данной диссертационной работы.
Анализ существующих преобразователей физических полей по-
ляриметрического типа позволяет сделать вывод, что есть три направления исследований и разработок устройств, где уже очевидны успехи поляриметрических преобразователей и возможен дальнейший прогресс в их исследованиях и разработках. К этим направлениям следует отнести измерение слабых и средних магнитных полей в звуковом и инфранизкочастотном диапазоне, включая нулевые частоты; построение прецизионных преобразователей электрического тока и напряжения для систем защиты и телемеханики высоковольтных электрических подстанций; измерение давления (особенно гидростатического) в широком диапазоне измеряемых величин. Именно эти направления исследований позволяют рассчитывать на создание устройств, конкурирующих с традиционными преобразователями или превосходящих их по ряду метрологических и эксплуатационных характеристик.
Совершенствование традиционных преобразователей магнитного поля позволило получить впечатляющие значения их порога чувствительности. Так, например, разработанные в 60-х годах квантовые датчики с оптической накачкой, реагирующие на скалярную величину магнитного поля, имеют порог чувствительности 10~3 нТл на частотах 0,01 - 0,001 Гц [146]. Однако традиционные преобразователи магнитного поля не лишены определенных недостатков. Так, например, порог чувствительности индукционных преобразователей резко возрастает в области низких частот; сверхпроводниковые преобразователи требуют криостатирования; квантовые преобразователи достаточно сложны и не всегда надежны в эксплуатации и зачастую имеют значительное потребление мощности, узкий диапазон рабочих температур [178].
Преобразователи магнитного поля поляриметрического типа на основе прозрачных магнитооптических материалов помимо малой
температурной зависимости коэффициента преобразования привлекают простотой и надежной конструкцией. Есть все предпосылки для создания устройства для измерения магнитных полей с порогом чувствительности ОД - 0,01 нТл в области инфранизких частот и не хуже 1,0 мкТл при измерении постоянных полей.
Особые перспективы сулит применение поляриметрических преобразователей для измерения тока на высоковольтных электрических подстанциях. Волоконно-оптические преобразователи электрического тока на основе преобразователей поляриметрического типа имеют следующие преимущества по сравнению с традиционными устройствами (трансформаторами тока) [57]:
а) их изолирующая система свободна от масла и газа, что в ито
ге оборачивается взрывобезопасной, компактной, легкой, простой в
эксплуатации и экологически чистой конструкцией;
б) возможность полностью диэлектрической связи в виде опти
ческих волокон между первичным преобразователем и оптоэлек-
тронным блоком, находящимся в диспетчерской, эффективно уст
раняет влияние электромагнитных помех на электронную схему
обработки;
в) одним из важнейших преимуществ является способность
обеспечивать несколько электронных выходов. Добавочные платы
оптоэлектронного блока не приводят к деградации выходных сиг
налов. Проблема вторичной нагрузки трансформатора исчезает. Та
ким образом, интерфейс волоконно-оптического трансформатора
тока совместим как с традиционными средствами и приборами, так
и с компьютерными системами, и значительно расширяет диапазон
применений трансформатора в составе информационно-
измерительных систем, систем защиты и т.д.;
Интенсивные исследования и разработки в области построения
преобразователей давления поляриметрического типа связаны с большими потенциальными возможностями этих преобразователей. К числу отличительных особенностей устройств на их основе, являющихся преимуществами по сравнению с традиционными преобразователями (например, мембранного типа) относятся [158]:
а) отсутствие подвижных механических частей в конструкции
преобразователя;
б) отсутствие гистерезиса чувствительного элемента;
в) потенциально чрезвычайно широкий диапазон измеряемых
величин (ограниченный областью упругих деформаций чувстви
тельного элемента).
Широкое внедрение измерительных преобразователей поляриметрического типа сдерживается недостаточным развитием теоретических основ их построения, а также способов практической реализации радиотехнических устройств на их основе.
Цели и задачи исследований
Целью настоящей диссертации является исследование и разработка теоретических основ построения измерительных преобразователей поляриметрического типа различных физических полей в интересах создания устройств нового поколения на базе оптоэлектроники и волоконной оптики с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками для использования в технике передачи и обработки информации, приборостроении, энергетике и других отраслях промышленности (в том числе оборонной).
Успешное решение этой важной научно-технической задачи позволит обеспечить постоянно возрастающий спрос на измерительные преобразователи и устройства, которые наряду с высокими
метрологическими характеристиками обеспечивают работу в условиях взрыво-, пожароопасных, агрессивных сред и в условиях с высоким уровнем электромагнитных помех.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе потребовалось решить следующие задачи:
разработать теоретические основы принципа построения преобразователей поляриметрического типа различных физических полей, обеспечивающего достижение широкого диапазона измеряемых величин, высокой чувствительности и минимального порога чувствительности;
разработать принцип построения оптической схемы преобразователя и метод измерения, направленные на предотвращение влияния возмущающих воздействий на оптические волокона с целью создания волоконно-оптического преобразователя постоянных физических полей;
3) создать математическую модель преобразователя магнитного
поля поляриметрического типа на основе монокристаллических
пленок ферритов-гранатов, включающую: исследование факторов,
влияющих на основные характеристики преобразователя; решение
прямой математической задачи, т.е. получение математического
выражения для функции (коэффициента) преобразования, порога
чувствительности; определение диапазона измеряемых величин.
Разработка теоретической модели позволит найти оптимальный путь создания преобразователя слабых и средних магнитных полей, постоянных и инфранизкочастотных;
4) экспериментально проверить разработанные теоретическую мо
дель и принципы построения преобразователей поляриметрическо
го типа, а также выявить факторы, определяющие потенциальные
возможности поляриметрических преобразователей физических по-
лей и ограничивающих их основные характеристики; 5) разработать способы практической реализации устройств, основанные на теоретических и экспериментальных результатах диссертационной работы.
Научная новизна
Научная новизна, полученных в диссертационной работе результатов, состоит в следующем:
экспериментально установлено влияние поля звуковой и ультразвуковой частоты, приложенного к магнитоодноосной пленке феррита-граната (чувствительного элемента), заключающееся в значительном снижении порога чувствительности преобразователя магнитного поля поляриметрического типа;
« впервые исследованы ранее не обсуждавшиеся в литературе спектры магнитного шума (скачки Баркгаузена), возникающего при возбуждении доменной структуры пленок ферритов - гранатов переменным полем звуковой и ультразвуковой частоты и ограничивающего порог чувствительности преобразователя поляриметрического типа;
впервые теоретически получены и экспериментально подтверждены математические соотношения для коэффициента преобразования, порога чувствительности преобразователя магнитного поля на основе магнитоодноосных пленок ферритов-гранатов;
« разработан оригинальный принцип построения волоконно-оптического преобразователя физических полей поляриметрического типа, основанный на использовании невзаимного
элемента - магнитооптического ротатора;
разработаны теоретические основы универсального принципа
построения оптоэлектронных преобразователей поляримет
рического типа различных физических полей с использовани
ем фазового метода измерения сигнала, обеспечивающего
создание измерительных преобразователей и устройств на их
основе с широким диапазоном измерений и высокой чувстви
тельностью;
в разработаны способы реализации преобразователей различных физических полей, которые легли в основу устройств измерения магнитных полей, электрического тока и напряжения, механических напряжений, гидростатического давления.
Практическая ценность работы
Практическая ценность работы заключается в том, что проведенные теоретические и экспериментальные исследования легли в основу разработок и внедрения в промышленность устройств на основе преобразователей физических полей поляриметрического типа:
« магнитометров и индикаторов и магнитных полей; « измерителей электрического тока ИТ-1, ВОТТ-1, индикатора напряжения ИН-І для высоковольтных электрических подстанций с напряжением 110-330 кВ, датчика электрического тока в комплекте системы дуговой защиты «ОВОД» для необслуживаемых электрических подстанций;
измерителя гидростатического давления ИГТ-1;
датчика нажатия пантографа электропоезда на токоведущий провод контактной сети железной дороги.
Результаты работы внедрены на ряде промышленных предприятий, что подтверждается соответствующими актами о внедрении.
Апробация работы
Материалы диссертации докладывались на:
Всесоюзных коифереіщнях: 2-ой и 3-ей научно-технических конференциях «Применение лазеров в технологии и системах передачи и обработки информации» (Ленинград, 1984; Таллинн, 1987); 4-ой конференции «Световодные системы связи и передачи информации» (Москва, 1984); 5-ой конференции «Волоконно-оптические системы передачи» (Москва, 1988); 3-ей конференции по вычислительной оптоэлектронике «Проблемы оптической памяти» (Ереван, 1987);
XIV Научно-технической конференции «Релейная защита и автоматика энергосистем 2000» (Москва, 2000);
семинарах: на краткосрочном семинаре «Применение лазеров в промышленности в свете решений XXVII съезда КПСС» (Ленинград, 1987); 2-ом научно-техническом семинаре «Микроэлектронные датчики» (Ульяновск, 1988);
на международных конференциях: First International Soviet Fiber Optics Conference (Leningrad, USSR, 1991); International Conference «Gradient-index Optics in Science and Engineering» (Warsaw, Poland, 1995).
Публикации
Основное содержание диссертации изложено в 37 работах, вклю-
чающих 1 монографию и 9 авторских свидетельств СССР. Основные научные положения, выносимые на защиту
1. Математическая модель преобразователя магнитного поля поля
риметрического типа на основе монокристаллических пленок фер
ритов-гранатов, содержащая теоретические соотношения для рас
чета и оптимизации основных метрологических характеристик пре
образователя;
Принцип построения волоконно-оптического преобразователя физических полей поляриметрического типа, основанный на применении в оптической схеме преобразователя магнитооптического ротатора, позволяющий производить измерение постоянных и пер-менных физических полей в присутствии возмущающих воздействий: дрейфа световой мощности излучателя, потерь световой мощности на микро- и макро- изгибах подводящих оптических волокон, изменений температуры окружающей среды;
Универсальный принцип построения оптоэлектронных преобразователей поляриметрического типа различных физических полей с использованием фазового метода измерений сигнала, позволяющий измерять параметры различных физических полей, в том числе постоянных, с высокой чувствительностью и в широком динамическом диапазоне.
Способы реализации и конструкции устройств на базе измерительных преобразователей физических полей поляриметрического типа, разработанные в процессе выполнения работы и основанные на ее теоретических и экспериментальных результатах.
Объем работы
Диссертация состоит из введения, 5 глав, содержащих оригинальные научные результаты, заключения, содержащего основные результаты и выводы работы и списка цитируемой литературы.
Общий объем диссертации 265 страниц, включая 217 страниц текста, 69 графиков, рисунков и таблиц. Список цитируемой литературы содержит 216 наименований.
1 Л53ВЙ 1
Основные физические явления и материалы, используемые в преобразователях поляриметрического типа
Магнитооптический эффект Фарадея состоит в том, что прозрачные вещества, помещенные в магнитное поле, вызывают вращение плоскости поляризации света, при условии, что угол между направлением распространения света и вектором магнитной индукции В отличен от 90, т.е. величина вращения пропорциональна составляющей магнитного поля вдоль направления распространения света. Оптическая анизотропия, необходимая для проявления гиротропных свойств, вызывается воздействием магнитного поля. В этом случае уравнение для вектора электрической индукции имеет вид [41]:
где є - тензор диэлектрической проницаемости; єо - диэлектрическая проницаемость вакуума; у - коэффициент магнитогирации среды. Здесь отчетливо проявляется существенное отличие в гиротропных свойствах оптически активной и магнитооптической среде. В первой направление вращения плоскости поляризации света однозначно зависит от направления распространения света. Однако в эффекте Фарадея направление вращения однозначно определяется индукцией магнитного поля В, так что отражение света назад приводит к удвоению вращения. Степень вращения (т.е. вращение на единицу длины) часто определяется, как где Ve - постоянная Верде, и называется фарадеевским вращением.
Парамагнитные материалы. К известным парамагнитным кристаллам относятся, например, кристаллы, активированные ионами редких земель [42 - 43], перовскиты [44] и редкоземельные алюминиевые гранаты [45 47]. Перовскиты, однако, имеют маленькую константу Верде в ближнем ИК диапазоне и плохую прозрачность. Тоже самое относится и к алюминиевым гранатам, которые имеют постоянную Верде порядка 3 град/Э-см в видимой области, но в ближнем ИК диапазоне их вращение опускается до значений, соответствующих парамагнитным стеклам. Но в отличие от последних декремент затухания алюминиевых гранатов лежит в диапазоне 0,2 - 0,6 см"1. Парамагнитные стекла [48 - 52] при отличной прозрачности имеют значения постоянной Верде в несколько десятых мин/Э-см. Например, для алюмосиликатного стекла, содержащего Tb Ve — 0,6 мин/Э-см [51]. О температурной стабильности парамагнитных стекол можно судить на примере стекла FR-5 (таблица 1.1). Ясно, что преобразователи, выполненные на основе парамагнитных стекол, требуют эффективной термостабилизации.
Диамагнитные материалы. Промышленностью выпускается широкий спектр диамагнитных стекол [53 - 56]. Невысокое значение постоянной Верде (таблица 1.1) в какой-то мере компенсируется превосходной температурной стабильностью этих прозрачных материалов. Эффект Фарадея в диамагнитных материалах не зависит от температуры. Это является очень большим преимуществом при создании поляриметрических преобразователей, работающих в очень широком температурном диапазоне [57]. Незначительная остаточная зависимость эффекта Фарадея от температуры вызвана механическими напряжениями, присутствующими в стеклах. Вызванное напряжениями двулучепреломление может быть снижено с помощью отжига до величины An 310" [48]. Инерционность диамагнитных стекол составляет 10"и - 10ю с, что позволяет создавать на их базе поляриметрические преобразователи и приборы для измерения индукции средних и сильных, постоянных и переменных (в том числе импульсных) магнитных полей.
К числу перспективных диамагнетиков поликристаллического и монокристаллического типа следует отнести селенид цинка (ZnSe), а также монокристаллы силиката и германата висмута (BSO и BGO) [58-59]. Термо стабильность BSO составляет величину порядка (0,015 - 0,02) % / С при значении константы Верде 0,1 мин/Э-см, что сравнимо с лучшими диамагнитными стеклами. Однако, довольно сильная температурная зависимость собственной оптической активности сужает спектр применения этого материала. Поликристалл ZnSe имеет сравнительно высокое значение константы Верде для ближнего ИК диапазона Ve = 0,15 мин/Э-см (X = 0,87 мкм) [59]. Термостабильность составляет величину порядка 0,025 % / С.
Совершенствование технологии синтеза монокристаллов и монокристаллических пленок показало, что среди магнитных материалов существуют такие материалы, которые прозрачны в ближнем ИК диапазоне и с весьма высокими уровнями магнитооптических эффектов, что выдвинуло их в число весьма перспективных материалов для применения в поляриметрических преобразователях. Наибольший практический интерес представляет часть оптического спектра в диапазоне до 1,5 мкм. Именно этому диапазону соответствуют наиболее доступные оптические компоненты: фотоприемники, излучатели, волокна и т. д.
Для любого магнитооптического устройства предпочтительно использовать материал с высокой магнитооптической добротностью \/ = 2pF/a, [60], где a - среднее значение коэффициента затухания. Однако этот параметр еще не определяет однозначно выбор материала для конкретного применения, т.к. в каждом случае выдвигается целый ряд дополнительных требований. К последним относятся: характер и величина магнитной анизотропии, коэрцитивная сила и ряд других физических характеристик. Не менее важное значение имеет также выбор оптимальной толщины образца, что определяет метод синтеза материала и часто ограничивает выбор материала из-за ограниченных возможностей технологии. Следует отметить также, что с точки зрения оптической эффективности устройства параметр V/ еще не дает правильного представления о требующихся значениях коэффициента поглощения а и удельного фарадеевского вращения pp.
Особенности процесса намагничивания магнитоодноосных монокристаллических пленок ферритов-гранатов
В данном параграфе мы приступаем к решению прямой задачи математического моделирования - получения выходных данных, которые в данном случае являются функцией преобразования исследуемою преобразователя. Рассмотрим преобразователь магнитного ноля, в котором магни-тоодноосная пленка феррита-граната помещена между поляризатором и анализатором (рис. 2.3). Если такая монокристаллическая пленка ориентирована так, что вектор одноосной анизотропии совпадает по направленню с нормалью к пластине, и если поле одноосной анизотропии существенно превышает намагниченность насыщения 4nMs, то в пленке в общем случае реализуется лабиринтная доменная структура, показанная на рис. 2.4. Векторы намагниченности в соседних доменах (доменах разного цвета) направлены вдоль нормали к пленке (перпендику лярно плоскости рисунка), причем их направления антипа-раллельны.
Будем считать, что весь световой поток, падающий перпендикулярно пленке, распределен равномерно по всей площади (S) зондируемого участка и его можно разбить на две части: S+ и S , пропорциональные площадям разнополярных доменов. В отсутствие внешнего магнитного поля S+ = S" = S/2. Пусть внешнее магнитное поле напряженностью Н вызывает увеличение площади доменов, вращающих плоскость поляризации света на угол - р. Тогда, суммарная мощность света, прошедшего через домены, обеспечивающие угол вращения ± р где I - интенсивность прошедшего света, AS - изменение площади доменов под действием внешнего магнитного поля Н, направленного перпендикулярно магнитоодноосной пленке. Для нахождения интенсивности света, прошедшего через обозначенную выше цепочку оптических элементов, воспользуемся формализмом матриц Мюллера. Вектор Стокса светового потока, прошедшего оптическую систему, содержащую среду с магнитными доменами определенного знака, имеет вид [A3]: интенсивностью 1\; П(0) - матрица линейного идеального поляризатора с максимальным и минимальным пропусканием kj и кг, поляризующего в горизонтальном направлении [161]; где a - коэффициент поглощения материала пленки, L - ее толщина, F- эллиптичность, как следствие магнитного кругового дихроизма, А(0) - матрица анализатора, повернутого относительно поляризатора на угол 0, т.е. А(0) = R( - 0) ЩО) R(9), где R(0) - матрица поворота
Теоретическая оценка возможностей практической реализации фазового метода измерения сигнала преобразователей поляриметрического типа
Порог чувствительности фазового метода. Для оценки порога чувствительности перепишем уравнение (4.12) при условии отсут ствия сигнала (5 = 0) и значениях интенсявностей In = I Будем считать, что точность поддержания амплитудного значения интенсивности света каждой компоненты определяется спектральной плотностью относительного шума источника y m , имеющем в нашем случае размерность [Гц]1. Будем считать также, что применяемые источники света идентичны, т.е. у2ы = У2Ш = Узга = у2ш В этом случае формой написания уравнения (4.25) будет следующая: лосы пропускания: 1 и 10 Гц. Из представленных графиков видно, что порог чувствительности менее 0,02 град может быть достигнут при - Ущ источника не более 3-Ю-4 Гц- 2 или -70 дБ/Гц. Такой уровень шума свойственен светоизлучающим диодам в инфранизкоча-стотной области спектра. Применение же схемы поддержания постоянного значения интенсивностеи излучателя, построенной по принципу петли отрицательной обратной связи при наличии соответствующей глубины последней, может обеспечить гораздо меньшее значение спектральной плотности относительного шума в заданной полосе частот.
Влияние точности поддержания амплитудных значений интенсивности излучателей на линейность функции преобразования. Рассмотрим теперь влияние точности поддержания интенсивностеи излучателей на линейность выходной характеристики поляриметрического преобразователя. В данном случае под точностью поддержания будем понимать степень различия интенсивностеи из Рис. 4.7. Зависимость порога чувствительности преобразователя поляриметрического типа, полученная при фазовом методе измерения сигнала, от амплитудного шума источника света. 1-Д/=1Гц;2-Д/=10Гц. лучателей между собой. Для упрощения процедуры анализа будем считать, что 1] = 12 = 1, а 13 =1(14-у). Тогда, при наличии сигнала (8 ф 0), вычисления, выполненные по формуле (4.12) дадут следующее соотношение для результирующего фазового сдвига [AI]: Расчеты с использованием соотношения (4.28) показывают, что достаточно высокую степень линейности выходной характеристики поляриметрического преобразователя, лежащую в пределах ±0,3 %, можно получить при у = 0,5 %. Влияние несовершенства четвертьволновой пластинки. Оценим влияние несовершенства фазовой пластинки А/4, проявляющееся в отличии фазового сдвига этой пластинки от л/2, на работу поляриметрического преобразователя, оптическая схема которого представлена на рис. 4.1. Вектор Стокса на выходе такой схемы представляется как
Преобразователи и измерители электрического тока промышленной частоты
Выбор поляризационных призм объясняется меньшим поглощением последних по сравнению с поляроидами. Высокий показатель преломления ПТ позволил уменьшить толщину поляризатора, а, следовательно, сократить оптический путь от источника до фотоприемника, что весьма существенно при имеющейся расходимости светового пучка. Геометрические размеры поляризатора и анализаторов ТО х 10 х 5 мм3. После поляризатора световой пучок падает на светоделительный куб из двух склеенных призм (стекло О). На гипотенузную грань призмы нанесено полупрозрачное зеркало. Для снижения френелевских потерь грани куба просветлялись. После гипотенузной грани светоделительного куба свет разделяется на два пучка: отраженный, образующий опорное плечо и проходящий пучок сигнального плеча. Последний падает на просветленную подложку магнитооптической пленки Bi-содержащего граната. Отражаясь от многослойного интерференционного диэлектрического зеркала, нанесенного на поверхность пленки, примыкающей к концентратору магнитного потока, световой пучок возвращается на гипотенузную грань светоделительного куба, после которого половина его оптической мощности в виде отраженного пучка попадает на фотодиод сигнального плеча, проходя последовательно анализатор и фокусирующую линзу. Кремниевый p-n-диод ФД-256 расположен напротив аналогичного фотодиода опорного плеча, перед фокусирующей линзой которого также находится анализатор. Последний выполняет роль аттенюатора для выравнивания мощностей опорного и сигнального плеча. Описанные элементы оптической схемы находятся внутри модуля, выполненного из немагнитного металла - латуни, и образуют жесткую конструкцию, в состав которой входит также вышеупомянутый концентратор магнитного потока цилиндрической формы (d = мм, L = 200 мм) ИЗ феррита марки 6000HM с наклеенной на торец магнитооптической пленкой. На цилиндрической поверхности концентратора намотаны витки катушки, служащей для создания вспомогательного магнитного поля с частотой 50 кГ, устраняющего статическую коэрцитивность материала магнитооптической пленки.
Критерием выбора материала рабочего тела - магнитоодноосной монокристаллической Вi-coдержащей пленки феррита-граната, являлась величина коэффициента преобразования магнитооптического преобразователя. Кроме константы Верде и поля насыщения феррит-гранатовые пленки отбирались по уровню магнитного шума в области инфранизких частот при оптимальной частоте и амплитуде вспомогательного магнитного поля.
В схеме фотоприемного устройства было использовано встречное включение фотодиодов опорного и сигнального плеча для компенсации амплитудного шума источника излучения. Разностный токовый сигнал, вызванный воздействием внешнего магнитного поля, подавался на вход преобразователя фототока в напряжение, выполненного на основе операционного усилителя, после которого происходит усиление непосредственно в полосе регистрируемых частот. Вспомогательное перемагничивание осуществлялось генератором синусоидальных колебаний. Применение в оптоэлектрон-ной схеме измерителя микромощных микросхем позволило снизить потребление мощности его оптоэлектронной схемы. Прямое детектирование сигнала в заданной полосе инфранизких частот существенно упростило электронную схему измерителя, но в то же время привело к увеличению вклада токового шума и фликкер шумов электроники в результирующий шум устройства. Для уменьшения относительного уровня последнего угол между поляризатором и анализатором составлял 45. Зарегистрированный порог чувствительности измерителя магнитного поля составил величину (1 -г- 2) нТл/Гц " на частотах 0,2 -г 0,3 Гц, в то время, как на частоте 2 Гц = (0,4 -г 0,7) нТл/Гц1 . Ухудшение порога чувствительности в нижней части полосы частот измерителя объясняется не только магнитным фликкер - шумом пленки в результате вспомогательного подмагничивания, но также фликкер - шумами электроники и фотодиода, а также «геометрическим шумом» конструкции первичного измерительного преобразователя.
Следует отметить, что подключение ПИП измерителя в лабораторную схему, представленную на рис. 5.3, позволило зарегистрировать меньшие значения порога чувствительности. Внешнее сигнальное магнитное поле задавалось соленоидом, помещенным внутри магнитного экрана. Последний был размещен на оптическом столе с хорошей изоляцией от вибраций здания. Определение порога чувствительности по блок-схеме рис. 5.3 на частотах порядка 1 кГц привело к результатам 0,06 - 0,07 нТл/Гцш, довольно близким к рассчитанным на уровне дробового шума.
В работе [А21] нами представлены результаты опытных испытаний детектора магнитных аномалий, предназначенного для геомагнитных исследований и геологоразведки. Использованные для его реализации принципы построения первичного преобразователя [А22, А23] позволили на порядок снизить порог чувствительности в области инфранизких частот (0,03 нТл/Гц на частотах І4-3 Гц). Этот результат вплотную приближаются к характеристикам ферро-зондовых преобразователей. Ключевым моментом, обеспечившим столь значительное снижение порога чувствительности, явилось использование в составе первичного преобразователя непрозрачной маски, выполненной в виде негативного отпечатка полосовой до менной структуры чувствительного элемента, наблюдаемой в поляризованном свете. Другими словами, данная маска располагалась между эпитаксиальной магнитной пленкой и анализатором. Ось магнитной анизотропии составляла угол 2-3 по отношению к нормали к плоскости пленки. Последнее обстоятельство обеспечивало стабильно воспроизводимую полосовую доменную структуру даже после приложения достаточно больших по амплитуде магнитных полей. В результате применения маски обеспечивался режим регистрации смещения доменных границ от «темного поля», что и позволило в значительной степени снизить порог чувствительности устройства.
В случае измерения постоянных магнитных полей магнитооптические преобразователи поляриметрического типа могут быть неплохой альтернативой преобразователям на основе эффекта Холла. Вернемся к полученному во второй главе выражению (2.53) для чувствительного элемента на основе двухслойной эпитаксиальной структуры. Перепишем упомянутое выражение, принимая угол между поляризатором и анализатором равным тг/2
