张星-初稿

摘要法拉第效应是把光、电、磁等物理量紧密联系的一种磁光效应，基于法拉第效应的磁光调制技术更是因其抗干扰性强、精度高、体积小、重量轻等特点，得到广泛应用。在梳理磁光调制技术文献基础上，介绍了磁光调制技术的基本原理，详细阐述了国内外磁光调制技术在方位基准传递、精密测角、材料性能研究、工业参量测量、生物化学等领域的应用，重点分析了磁光调制中精度优化和可靠性提升的关键技术研究，并探讨了该技术未来的研究热点，在航天、军事等领域往往需要传递无机械连接的设备之间的空间方位信息，而传统的方位测量系统测量范围小、测量精度低，难以满足系统高精度大范围传递的要求，为此改变传统方法中的调制方式，将方波磁光调制引入了方位测量系统，建立了基于方波磁光调制的方位测量模型关键词：磁光调制磁光调制器方波AbstractFaradayeffectisamagneto-opticeffectwhichcloselylinkesphysicalquantitiessuchaslight,electricityandmagnetic.Magneto-opticmodulationtechniquebasedonFaradayeffectiswidelyusedbecauseofstronganti-jamming,highprecision,smallvolume,lightweight,etc.Onthebasisofasummaryofmagneto-opticmodulationtechnologyliterature,thebasicprincipleofmagneto-opticmodulationtechnologyisintroduced.Theapplicationsofmagneto-opticmodulationtechnologyinthefieldsofazimuthbenchmarktransfer,precisionanglemeasurement,materialperformanceresearch,industrialparametermeasurement,biochemistry,etcareintroducedathomeandabroadindetail.Keytechnologiesofprecisionoptimizationandreliabilityimprovementinmagneto-opticmodulationareemphaticallyanalyzed.Finally,thefutureresearchhotspotinthistechnologyisdiscussed.Keywordsmagneto-opticmodulationMagneto-opticmodulatorSquarewave1、行间距２、正文当中的字母、符号用TimesNewRoman第1章绪论1845年，法拉第首次发现光通过外加有磁场的玻璃时偏振面会发生旋转的现象，这种现象被称为法拉第效应，本文介绍了磁光调制的基本原理，详细阐述了磁光调制技术应用的研究现状，归纳总结了磁光调制技术在精度优化和可靠性提升方面的关键技术研究，并探讨了该技术的发展趋势及目的和意义1.1本课题研究的背景在物理学里，法拉第效应（又叫法拉第旋转）是一种磁光效应（magneto-opticeffect），是在介质内光波与磁场的一种相互作用。法拉第效应会造成偏振平面的旋转，这旋转与磁场朝着光波传播方向的分量呈线性正比关系，1845年，法拉第首次发现光通过外加有磁场的玻璃时偏振面会发生旋转的现象，这种现象被称为法拉第效应。20世纪50年代开始，美国贝尔实验室的狄龙利用法拉第效应在偏光显微镜下观察到钇铁石榴石的磁畴结构，此后伴随着激光的诞生，磁光效应得到广泛应用。法拉第效应是把光、电、磁等物理量紧密联系的一种磁光效应，基于法拉第效应的磁光调制技术更是因其抗干扰性强、精度高、体积小、重量轻等特点，方位基准传递、精密测角、材料性能研究、工业参量测量、生物化学等领域的应用得到广泛应用1.2磁光调制技术的发展现状1.2.1磁光调制技术的国内发展现状根据调制波形的不同，磁光调制可以分为正弦、方波调制、三角波调制及锯齿波调制等，目前仅有中国科学院西安光学精密机械研究所的董晓娜等研制出了基于正弦波磁光调制的方位测量系统样机，但是该系统测量精度不高，测量范围有限；字间距西安第二炮兵工程大学的杨志勇等近两年来也针对基于正弦波磁光调制的方位测量系统开展了提高系统的测量精度、扩大测量范围等方面的研究，虽然在测量范围方面有所突破，但是仍然存在测量精度不高的问题在磁场测量中，中国科学院西安光学精密机械研究所把基于正弦波的磁光调制技术应用于空间方位的传递及同步，实现了无机械连接的空间角度较高精度测量，并在军事领域高精度测角系统中得到应用，演示装置的对准重复精度达到3s≤5″(其中s为标准差)。周召发等深入研究了空间方位传递及方位同步的各项磁光调制技术，并针对中国科学院西安光学精密机械研究所研究中信号处理过程贝塞尔函数展开引起的误差等问题，提出了许多新的方法和技术，有人也将将法拉第磁光效应用于测量高压设备中的高电压、大电流，万代、钟力生、于钦学等设计了传统直线型、螺线管嵌套型和多光路反射式等3种光纤电流传感器结构，灵敏度高，同时多光路反射式结构中光路来回反射，双折射大为减小，台湾的Lin等提出了一种磁光调制电流精确测量的方法，该方法可用于高电压测量，系统稳定、精度较高。王志、初凤红介绍了基于法拉第效应的光纤电流传感器，李丹、李小俊等利用法拉第效应，把地球表面反射的太阳光作为光源，大气作为磁光介质，卫星光学系统作为光电探测器，提出了磁旋光成像地球磁场测量的方法，此方法具有三维成像、可获取地球磁场空间结构、测速快、测量无盲点和无畸变的特点。在工业上，王全保针对传统直线度测量方法效率低和激光准直测量操作复杂等不足，设计了磁光旋向横向线性调制直线度测量系统，系统的核心部件磁光调制器将被测的直线度误差转化为测量光路中的线偏振光偏振面的角度变化量。在材料特性研究中，沈骁、梁忠诚基于法拉第磁光效应，提出了溶质维尔德常数分离检测方法，该方法消除了溶剂和背景旋光的影响，实现了单独检测溶质维尔德常数的目的，吴易明等介绍了一种利用磁光调制法测量玻璃内应力大小和方向的方法，通过光线追踪，利用琼斯矩阵推导出了玻璃内应力大小和方向的精确计算公式，内应力方向测量准确度达到5″，上海大学的Bao等针对磁光调制在双折射多孔光纤拍长测量中的应用，研究了给定磁隙宽度和磁场强度情况下，起偏方式与检偏方式对光纤拍长测试灵敏度的影响，磁光调制技术因优点，得到更加广泛的应用，但在精度优化和可靠性提升方面还有很大的潜力1.2.2磁光调制技术的国外发展现状基于法拉第磁光效应的磁光调制技术在电流和磁场测量中应用广泛。电流传感器实质是磁光调制，法拉第旋转角Δφ=VBL，由调制线圈产生的磁场B包含了被测电流的信息，通过计算旋转角最终可解算出被测电流I。Flores等提出了基于移相干涉测量(PSI)算法和空变的电流测量方法，可以较好地应用于电力工业，美国的Clark等以高维尔德常数的顺磁法拉第玻璃作为磁光材料，利用两个关系固定的检测器从不同位置采集调制后的信号，并经过一定算法处理后成功得到了低密度纤维蛋白酶中的磁场分布，20世纪90年代，美国等航天大国开始研究磁光涡流成像检测技术，此项技术将电磁感应和法拉第磁光效应有机结合，通过物体表面上方的交流激励线圈实现传统的涡流感应，涡流所感应的磁场利用法拉第效应来检测，实现了对金属材料表面和亚表面缺陷的快速、准确、可视化的无损检测，印度的Bera等利用法拉第磁光效应中法拉第旋转角与磁场的关系，实现了磁场中位移量的精密测量，Didosyan等利用磁光调制精确测量力学量，美国的Brumfield等利用法拉第磁光效应，提出了一种低功耗氧气含量检测方法，1956年，贝尔实验室的Dllion等在偏振光显微镜下，应用透射光观察到钇铁石榴石(YIG)单晶材料中的磁畴结构自从第一台激光器问世，磁光效应的研究和应用走上快速发展道路，基于法拉第效应的磁光调制技术受到广泛的重视。温度漂移是引起误差的主要因素，开发具有较大维尔德常数同时对温度不敏感的新型顺磁性磁光材料和研制热效应小、响应快、磁滞小、稳定的磁光调制器将有效解决温度漂移的问题。抑制方波调制时信号畸变的问题，将使方波调制技术更加实用，大为提高磁光调制的精度。1.2.3磁光调制技术的发展趋势磁光调制技术因其非接触等优点，得到更加广泛的应用，但在精度优化和可靠性提升方面还有很大的潜力，其发展趋势主要集中在以下几个方面。方波调制信号畸变的抑制由文献可知，方波磁光调制的精度在理论上不受限制。但方波信号的上升沿和下降沿对于螺线管而言属于突变过程。考虑到螺线管的电感效应，驱动电流加载螺线管后，产生的磁场信号会产生畸变，不是理想中的方波，这会导致方波磁光调制难以达到理想的效果。建立方波信号的螺线管磁场变化模型并采取措施抑制信号畸变是方波调制实用化的努力方向。交变信号的螺线管磁场建模螺线管的磁场是影响法拉第旋转角的重要因素之一，磁感应强度的准确测量至关重要，而学者们在计算螺线管磁场时都简化了模型。驱动电流大都采用交变信号，螺线管的电感效应是不容忽视的。目前，虽然有大量的文献在研究有限长螺线管的内部磁场分布，但关于磁场幅度、相位与驱动电流频率关系的研究还未见报道。螺线管周围空间温度场的建模温度变化引起的旋光漂移是影响法拉第测角精度的重要原因。建立螺线管周围空间温度场变化的模型和分析温变对磁光材料的特性影响，同时对温度变化进行有效补偿对于提高测角精度大有裨益。磁光材料维尔德常数的机理分析由法拉第旋转角的公式可知，维尔德常数在很大程度上影响着测角精度。目前只知道温度变化会引起磁光材料维尔德常数的变化，但是材料结构、成分组成、激光特性等对维尔德常数的影响机理还有待进一步研究。研制具有高维尔德常数和对温度不敏感的磁光材料是未来的研究热点之一。1.3本课题研究的目的和意义自从第一台激光器问世，磁光效应的研究和应用走上快速发展道路，基于法拉第效应的磁光调制技术受到广泛的重视，磁光调制器也得到了很大的发展，新型结构的磁光调制器结构是开放式的，实验表明,因温度效应引起的偏振角测量的测量偏移较小。由于不用反馈控制,所以系统简单,只是体积稍大；正弦波的磁光调制技术应用于空间方位的传递及同步，实现了无机械连接的空间角度较高精度测量，并在军事领域高精度测角系统中得到应用；利用法拉第效应，把地球表面反射的太阳光作为光源，大气作为磁光介质，卫星光学系统作为光电探测器，提出了磁旋光成像地球磁场测量的方法，此方法具有三维成像、可获取地球磁场空间结构、测速快、测量无盲点和无畸变的特点；基于法拉第磁光效应，也提出了溶质维尔德常数分离检测方法，该方法消除了溶剂和背景旋光的影响，实现了单独检测溶质维尔德常数的目的。综上所述，，基于法拉第效应的磁光调制技术更是因其抗干扰性强、精度高、体积小、重量轻等特点，方位基准传递、精密测角、材料性能研究、工业参量测量、生物化学等领域的应用得到广泛应用1.4本课题研究的主要内容本文主要深入了解磁光调制的原理以及其广泛的应用，同时学习新型磁光调制器的原理、结构、及在无机械设备连接之间的工作原理，根据调制波形的不同，磁光调制可以分为正弦波调制、方波调制、三角波调制及锯齿波调制等，近两年很多人来也针对基于正弦波磁光调制的方位测量系统开展了提高系统的测量精度、扩大测量范围等方面的研究，虽然在测量范围方面有所突破，但是仍然存在测量精度不高的问题，本文研究了方波磁光调制在方位传递系统中的应用，为了能够在大范围内高精度测量方位角，实现方位信息的传递，结合马吕斯定律，建立了调制后信号的模型，根据调制后信号的特点建立了其与方位角之间的关系方程，采用比较调制后信号中两个直流分量增减性的方法解决了方程求解过程中的增根问题，利用调制前后信号的相位对比扩大了方位角的测量范围，并最终得到了方位角的精确测量模型，