基于矢量光束的二维磁场传感器及检测方法技术

本发明专利技术公开了基于矢量光束的二维磁场传感器及检测方法，包括：激光发射单元，用于激发产生基模高斯光束；矢量光束生成单元，矢量光束生成单元与激光发射单元同轴设置，用于对基模高斯光束进行偏振调控，得到矢量光束；磁场传感单元，磁场传感单元与矢量光束生成单元同轴设置，用于产生垂直于矢量光束的传播方向的横向磁场；以及检测单元，检测单元与磁场传感单元同轴设置，用于检测矢量光束圆偏振奇点的运动轨迹；本发明专利技术充分利用矢量光束偏振空间各项异性分布的特点，利用磁致双折射效应引起光束偏振态的改变能在矢量光束中直接体现的原理，通过检测圆偏振光强在光束横截面上的位置，从而实现二维的磁场传感功能

【技术实现步骤摘要】
基于矢量光束的二维磁场传感器及检测方法


[0001]本专利技术涉及磁场传感器
，尤其涉及的是基于矢量光束的二维磁场传感器及检测方法
。

技术介绍

[0002]目前，多数光学磁场传感器的原理主要是基于法拉第磁光效应实现对磁场的检测和传感，这种光学磁场传感器在实际应用场景中存在以下问题：由于磁场本身是一个矢量参数，而法拉第磁光效应只能测量沿着光传播方向的磁场的大小，因此，在实际测量中只能对一个方向的磁场大小进行测量，而不能通过单次测量去获得二维磁场的信息
。
[0003]矢量光束是一种偏振在光束横截面上呈各项异性分布的光束，由于同时具有空间和偏振上的变化，这就相当于提供了更高的通信维度，是下一代可能采用的通信方式之一
。
考虑到磁场具有矢量特性以及矢量光束在高灵敏度测量中的潜在应用价值，研究如何利用矢量光束实现对磁场的检测和传感具有重大的研究意义，是需要解决的技术问题
。
[0004]因此，现有技术还有待改进
。

技术实现思路

[0005]本专利技术要解决的技术问题在于，针对现有技术缺陷，本专利技术提供基于矢量光束的二维磁场传感器及检测方法，以解决现有的光学磁场传感器无法通过单次测量获得二维磁场信息的问题
。
[0006]本专利技术解决技术问题所采用的技术方案如下：
[0007]第一方面，本专利技术提供一种基于矢量光束的二维磁场传感器，包括：
[0008]激光发射单元，用于激发产生基模高斯光束；
[0009]矢量光束生成单元，所述矢量光束生成单元与所述激光发射单元同轴设置，用于对所述基模高斯光束进行偏振调控，得到矢量光束；
[0010]磁场传感单元，所述磁场传感单元与所述矢量光束生成单元同轴设置，用于产生垂直于所述矢量光束的传播方向的横向磁场；
[0011]以及检测单元，所述检测单元与所述磁场传感单元同轴设置，用于检测矢量光束圆偏振奇点的运动轨迹
。
[0012]在一种实现方式中，所述激光发射单元包括：
[0013]保偏激光器，用于产生线偏振态的基模高斯光束；
[0014]单模保偏跳线，用于保持所述基模高斯光束的偏振态不变；
[0015]光纤准直器，用于对所述单模保偏跳线输出的基模高斯光束进行准直和扩束；
[0016]所述保偏激光器
、
所述单模保偏跳线以及所述光纤准直器同轴设置
。
[0017]在一种实现方式中，所述光纤准直器的输出端作为所述激光发射单元的输出端，连接所述矢量光束生成单元的输入端
。
[0018]在一种实现方式中，所述矢量光束生成单元包括：
[0019]第一半波片，用于调节所述基模高斯光束的水平偏振和垂直偏振的光强占比；
[0020]偏振分光棱镜，所述偏振分光棱镜用于将所述基模高斯光束分为两路，一路为水平偏振态的基模高斯光，另外一路为垂直偏振态的基模高斯光；其中，所述垂直偏振态的基模高斯光用于生成垂直偏振态的涡旋光束；
[0021]第一四分之一波片，用于将所述垂直偏振态的高斯光转换为圆偏振态的高斯光束；
[0022]涡旋半波片，用于将所述圆偏振态的高斯光束转换为圆偏振态的一阶涡旋光束；
[0023]第一偏振片，用于将所述圆偏振态的一阶涡旋光束转换为垂直偏振态的一阶涡旋光束；
[0024]反射镜，用于调整所述水平偏振态的高斯光和所述垂直偏振态的一阶涡旋光束的方向；
[0025]非偏振分光棱镜，用于对所述反射镜反射的光束进行合束，生成所述矢量光束；
[0026]所述第一半波片
、
所述偏振分光棱镜
、
所述第一四分之一波片
、
所述涡旋半波片
、
所述第一偏振片
、
所述反射镜以及所述非偏振分光棱镜依次同轴设置
。
[0027]在一种实现方式中，所述第一半波片作为所述矢量光束生成单元的输入端，与所述激光发射单元的输出端相连
。
[0028]在一种实现方式中，所述非偏振分光棱镜作为所述矢量光束生成单元的输出端，与所述磁场传感单元的输入端相连
。
[0029]在一种实现方式中，所述磁场传感单元包括：磁光材料和磁铁系统；其中，所述磁光材料为采用磁流体制成的磁光材料；所述磁铁系统用于在垂直于光的传播方向上施加二维磁场
。
[0030]在一种实现方式中，所述检测单元包括：第二四分之一波片
、
第二偏振片以及红外相机；
[0031]其中，所述第二四分之一波片及所述第二偏振片用于提取圆偏光分量，所述红外相机用于记录圆偏光分量的分布
。
[0032]第二方面，本专利技术提供一种基于矢量光束的二维磁场传感器的检测方法，应用于如第一方面所述的基于矢量光束的二维磁场传感器，包括：
[0033]通过激光发射单元输出端发射一束准直的线偏振态的基模高斯光束；
[0034]通过矢量光束生成单元对所述基模高斯光束的偏振分量进行调控，得到水平线偏振光和垂直线偏振光，并对所述垂直线偏振光进行调制生成垂直偏振的涡旋光束，将所述水平线偏振光和所述垂直偏振的涡旋光束进行合束，生成矢量光束；
[0035]通过磁场传感单元产生垂直于所述矢量光束的传播方向的横向磁场；
[0036]通过检测单元检测矢量光束圆偏振奇点的运动轨迹，检测得到施加磁场的大小和方向
。
[0037]在一种实现方式中，所述通过检测单元检测矢量光束圆偏振奇点的运动轨迹，检测得到施加磁场的大小和方向，包括：
[0038]利用
matlab
仿真软件读取所述检测单元中的红外相机中的数据，通过寻找圆偏振分量最大值的方式确定圆偏振奇点的位置，并将施加磁场前后的圆偏振奇点位置进行比较，通过奇点位置的变化检测得到施加磁场的大小和方向
。
[0039]本专利技术采用上述技术方案具有以下效果：
[0040]本专利技术提供了一种基于矢量光束圆偏振奇点运动轨迹分析的二维磁场传感器，该二维磁场传感器可以充分利用矢量光束偏振空间各项异性分布的特点，以及利用磁致双折射效应引起光束偏振态的改变能在矢量光束中直接体现的原理，通过检测圆偏振光强在光束横截面上的位置，从而实现二维的磁场传感功能
。
附图说明
[0041]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图
。
[0042]图1是本专利技术的一种实现方式中基于矢量光束的二维磁场传感器的结构示意图
。
[0043]图2是本专利技术的一种实现方式中基于矢量光束的二维磁场传感器的检测方法的流程图<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于矢量光束的二维磁场传感器，其特征在于，包括：激光发射单元，用于激发产生基模高斯光束；矢量光束生成单元，所述矢量光束生成单元与所述激光发射单元同轴设置，用于对所述基模高斯光束进行偏振调控，得到矢量光束；磁场传感单元，所述磁场传感单元与所述矢量光束生成单元同轴设置，用于产生垂直于所述矢量光束的传播方向的横向磁场；以及检测单元，所述检测单元与所述磁场传感单元同轴设置，用于检测矢量光束圆偏振奇点的运动轨迹
。2.
根据权利要求1所述的基于矢量光束的二维磁场传感器，其特征在于，所述激光发射单元包括：保偏激光器，用于产生线偏振态的基模高斯光束；单模保偏跳线，用于保持所述基模高斯光束的偏振态不变；光纤准直器，用于对所述单模保偏跳线输出的基模高斯光束进行准直和扩束；所述保偏激光器
、
所述单模保偏跳线以及所述光纤准直器同轴设置
。3.
根据权利要求2所述的基于矢量光束的二维磁场传感器，其特征在于，所述光纤准直器的输出端作为所述激光发射单元的输出端，连接所述矢量光束生成单元的输入端
。4.
根据权利要求1所述的基于矢量光束的二维磁场传感器，其特征在于，所述矢量光束生成单元包括：第一半波片，用于调节所述基模高斯光束的水平偏振和垂直偏振的光强占比；偏振分光棱镜，所述偏振分光棱镜用于将所述基模高斯光束分为两路，一路为水平偏振态的基模高斯光，另外一路为垂直偏振态的基模高斯光；其中，所述垂直偏振态的基模高斯光用于生成垂直偏振态的涡旋光束；第一四分之一波片，用于将所述垂直偏振态的高斯光转换为圆偏振态的高斯光束；涡旋半波片，用于将所述圆偏振态的高斯光束转换为圆偏振态的一阶涡旋光束；第一偏振片，用于将所述圆偏振态的一阶涡旋光束转换为垂直偏振态的一阶涡旋光束；反射镜，用于调整所述水平偏振态的高斯光和所述垂直偏振态的一阶涡旋光束的方向；非偏振分光棱镜，用于对所述反射镜反射的光束进行合束，生成所述矢量光束；所述第一半波片
、
所述偏振分光棱镜
、
所述第一四分之一波片
、
所述涡旋半波片
、
所述第一偏振片
、
...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘奂奂，沈平，周之泰，党竑，赵梓焱，王云天，肖伊鸿，
申请(专利权)人：南方科技大学，
类型：发明
国别省市：