基于永磁約束腔的線偏振光旋轉(zhuǎn)特性研究*

付桂振， 陸永華

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

基于永磁約束腔的線偏振光旋轉(zhuǎn)特性研究*

付桂振， 陸永華

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

在法拉第磁光效應(yīng)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種永磁約束磁腔，通過(guò)將法拉第磁光元件置于約束磁腔中，研究了線偏振光穿過(guò)結(jié)構(gòu)參數(shù)可變的約束磁腔后其旋轉(zhuǎn)角的變化情況。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著磁腔半徑的增大和磁體塊數(shù)的減小，線偏振光的旋轉(zhuǎn)角呈逐漸降低趨勢(shì)，隨著磁體間距的增大，旋轉(zhuǎn)角呈先增大后減小的趨勢(shì)，同時(shí)磁體塊數(shù)越多，旋轉(zhuǎn)角減小的越緩慢。在6塊磁體磁腔半徑為4.3 mm磁體間距為16 mm時(shí)，旋轉(zhuǎn)角最大達(dá)到85.1°；在2塊磁體磁腔半徑為9.5 mm，磁體間距為14 mm時(shí)，旋轉(zhuǎn)角最小為9.8°。

法拉第磁光效應(yīng)； 永磁約束磁腔； 線偏振光； 旋轉(zhuǎn)角

0 引 言

隨著激光核聚變、X射線激光等新興學(xué)科的快速發(fā)展，很多學(xué)者開(kāi)始將研究聚焦于激光的吸收機(jī)制[1]，然而關(guān)于激光聚束性能的研究一般都停留在激光器的結(jié)構(gòu)改進(jìn)、光學(xué)器件的構(gòu)成等方面。在很多新興的激光技術(shù)領(lǐng)域，比如激光測(cè)量、激光制造、醫(yī)用激光等領(lǐng)域，對(duì)于高聚束激光的要求已經(jīng)異常迫切，激光高聚束方法的研究將直接決定激光切割、激光焊接以及激光測(cè)量的精度，能否拓寬法拉第磁光效應(yīng)的應(yīng)用范疇將其應(yīng)用于激光聚束領(lǐng)域具有重要的工程意義。本實(shí)驗(yàn)在法拉第磁光作用實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)之上研究了約束磁腔的結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)線偏振光旋轉(zhuǎn)角的影響。

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)基于法拉第磁光效應(yīng)構(gòu)建一永磁約束磁腔，將約束磁腔的磁腔半徑r、磁體塊數(shù)m以及磁體間距l(xiāng)設(shè)為可變結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過(guò)改變約束磁腔結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)研究線偏振光的旋轉(zhuǎn)特性。永磁約束磁腔示意如圖1所示，實(shí)驗(yàn)所用磁光材料直徑為6 mm，長(zhǎng)度為30 mm，安裝4塊和6塊永磁體時(shí)，由于存在機(jī)械干涉的原因，r值最小為4.3 mm；使用2塊和3塊永磁體時(shí)，約束磁體極化端面可以貼近磁光元件，r值最小為3mm；同時(shí)考慮到空氣介質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率較小，在遠(yuǎn)離磁光元件時(shí)磁場(chǎng)衰減嚴(yán)重[2]，r值最大取10 mm。由于兩組磁體間永磁體安裝塊側(cè)壁及裝載圓盤存在一定厚度，l最小值為14 mm，同時(shí)，若l過(guò)大，磁場(chǎng)也衰減嚴(yán)重，l最大值取30 mm。

圖1 永磁約束磁腔示意圖

至于線偏振光的旋轉(zhuǎn)角，實(shí)驗(yàn)依據(jù)檢偏器原理進(jìn)行測(cè)量[3，4]，原理示意如圖2所示。固定激光器前的偏振片1，將標(biāo)有刻度的偏振片2置于激光功率計(jì)感光面前端，激光束穿過(guò)偏振片1產(chǎn)生線偏振光。首先,線偏振光不經(jīng)過(guò)約束磁腔直接穿過(guò)偏振片2落于激光功率計(jì)感光面上，旋轉(zhuǎn)偏振片2使激光功率計(jì)讀數(shù)最大，記下此時(shí)偏振片2的位置刻度θ1;其次,線偏振光通過(guò)約束磁腔穿過(guò)偏振片2，由于線偏振光在磁場(chǎng)作用下旋轉(zhuǎn)了一定角度，此時(shí)激光功率計(jì)的讀數(shù)會(huì)變小，旋轉(zhuǎn)偏振片2使激光功率計(jì)讀數(shù)重新為最大值，記下此時(shí)偏振片2的刻度θ2，兩刻度值之差即為線偏振光的旋轉(zhuǎn)角。

圖2 旋轉(zhuǎn)角檢測(cè)原理示意圖

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建與磁場(chǎng)仿真分析

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建

永磁約束磁腔的永磁體選用釹鐵硼永磁體(Nd2Fe14B)，該永磁體具有極高的磁能積、矯頑磁力以及磁能密度[5～7]，其夾具材質(zhì)為鋁合金，相對(duì)磁導(dǎo)率μr近似為1，對(duì)磁場(chǎng)的分布幾乎沒(méi)有影響[8]。永磁約束磁腔的實(shí)物圖如圖3所示，在約束磁腔中，一個(gè)裝載盤上永磁體N極極化端面指向中心，另一個(gè)裝載盤上永磁體S極極化端面指向中心，從而使磁場(chǎng)方向沿著磁腔軸線。單個(gè)裝載盤由繞磁腔中心軸均勻陣列的6個(gè)永磁體安裝塊組成，在保證磁腔質(zhì)心沿著軸線的情況下，磁體可以2塊、3塊、4塊及6塊安裝于裝載盤上，從而達(dá)到研究不同磁體數(shù)目對(duì)線偏振光旋轉(zhuǎn)角的影響。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)整體分為激光器、約束磁腔和檢測(cè)模塊三大部分，具體如圖4所示。

圖3 永磁約束磁腔

圖4 實(shí)驗(yàn)硬件平臺(tái)

2.2 永磁約束磁腔有限元分析

利用ANSYS有限元分析軟件，選取6塊永磁體，磁腔內(nèi)徑r取為4.5mm，l為17mm建立永磁約束模型進(jìn)行有限元分析，其約束磁腔模型如圖5所示。由于空氣的相對(duì)磁導(dǎo)率對(duì)比于磁光元件幾乎為零，故只需分析磁光元件內(nèi)部的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布。選取磁光元件繪制其內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布如圖6所示。由圖可知，磁感線分別由一組約束磁體端面發(fā)出，匯聚后進(jìn)入另一對(duì)極性相反的約束磁體端面內(nèi)；磁光元件內(nèi)部的磁場(chǎng)方向與磁腔中心軸基本平行，同時(shí)磁光元件兩端藍(lán)色區(qū)域磁場(chǎng)強(qiáng)度也較中間淺綠色部分弱。

圖5 永磁約束磁腔模型

圖6 磁光元件內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度分布

3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與分析

3.1 磁體塊數(shù)和磁腔半徑對(duì)旋轉(zhuǎn)角的影響分析

磁體間距l(xiāng)選為16 mm，使磁光元件內(nèi)部磁場(chǎng)方向保持一致，調(diào)節(jié)安裝塊端部的位置調(diào)節(jié)螺釘以改變磁腔半徑r的大小，測(cè)得在不同磁腔半徑r和磁體塊數(shù)m下的旋轉(zhuǎn)角。限于篇幅僅摘錄部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

為了能夠清晰直觀地觀察旋轉(zhuǎn)角θ與磁腔半徑r和磁體塊數(shù)m之間的關(guān)系，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制其變化關(guān)系曲線如圖7所示。由圖可見(jiàn):對(duì)于不同的磁體塊數(shù)，偏振光的旋轉(zhuǎn)角θ均是隨著磁腔半徑r值的增大呈減小趨勢(shì)；其中，初始階段下降較為陡峭，r繼續(xù)增大曲線中部下降斜率變小，趨于緩慢降低趨勢(shì)，待曲線進(jìn)入后半段時(shí)下降斜率又有所增加,當(dāng)r值不變時(shí)，觀察不同磁體塊數(shù)m對(duì)旋轉(zhuǎn)角θ的影響，發(fā)現(xiàn)磁體塊數(shù)越多，約束磁場(chǎng)越強(qiáng)，旋轉(zhuǎn)角也越大且r值越小時(shí)，同一r值不同塊數(shù)曲線間的縱向距離越大，即旋轉(zhuǎn)角差別越大，r值繼續(xù)增加，不同塊數(shù)曲線間的縱向距離越來(lái)越小。

表1 4塊和6塊永磁體時(shí)不同磁腔半徑r值下的旋轉(zhuǎn)角

圖7 不同磁體塊數(shù)下r-θ變化關(guān)系曲線

3.2 磁體塊數(shù)和磁體間距對(duì)旋轉(zhuǎn)角的影響分析

實(shí)驗(yàn)時(shí)保持磁腔半徑r為4.8 mm不變，測(cè)量在不同磁體塊數(shù)m和磁體間距l(xiāng)下旋轉(zhuǎn)角的變化情況，如表2所示。

表2 不同磁體間距l(xiāng)和磁體塊數(shù)m下的旋轉(zhuǎn)角

為了能夠清晰直觀地觀察旋轉(zhuǎn)角θ與磁體間距l(xiāng)和磁體塊數(shù)m之間的變化關(guān)系，將表2中記錄的不同磁體塊數(shù)下的旋轉(zhuǎn)角分別繪制成曲線如圖8所示。

圖8 不同磁體塊數(shù)下l-θ變化關(guān)系曲線

由圖8可見(jiàn)：不同磁體塊數(shù)下的旋轉(zhuǎn)角θ均隨著磁體間距l(xiāng)增大表現(xiàn)為先上升后下降的趨勢(shì)。考慮到磁體間距太近時(shí)磁光元件兩端面位置超過(guò)了磁體極化端面中心，致使磁光元件兩端部分受到與約束單元內(nèi)部水平磁場(chǎng)方向相反的磁場(chǎng)作用，磁體間距l(xiāng)從起始位置處增大時(shí)磁光元件逐漸全部位于正向磁場(chǎng)中，因此,旋轉(zhuǎn)角度在開(kāi)始一段距離呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。隨著l值的繼續(xù)增大旋轉(zhuǎn)角度開(kāi)始下降，并且下降坡度從某一點(diǎn)開(kāi)始出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，如6塊磁體時(shí)轉(zhuǎn)折點(diǎn)約在30mm處，4塊磁體時(shí)約在28mm處，3塊磁體時(shí)約在24mm處，2塊磁體時(shí)約在22mm處，說(shuō)明當(dāng)l增大到某一值時(shí)約束單元內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度開(kāi)始明顯下降，但隨著約束磁體塊數(shù)的增大，磁場(chǎng)保持穩(wěn)定的能力增強(qiáng)，下降轉(zhuǎn)折點(diǎn)到來(lái)的也越晚。

4 結(jié) 論

1)隨著磁腔半徑的增大及磁體塊數(shù)的減小，線偏振光的旋轉(zhuǎn)角逐漸減小；在磁腔半徑相同時(shí)，磁體塊數(shù)增多旋轉(zhuǎn)角增大，當(dāng)磁腔半徑越小時(shí)，旋轉(zhuǎn)角增大的越明顯。

2)隨著磁體間距的增大，線偏振光旋轉(zhuǎn)角先增大后減小，同時(shí)在旋轉(zhuǎn)角減小的過(guò)程中，磁體塊數(shù)越多，旋轉(zhuǎn)角減小得越緩慢，磁場(chǎng)保持穩(wěn)定的能力也越強(qiáng)。

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[3] 劉質(zhì)斌,丁劍平,籍建葶.傅里葉磁光譜儀中的起偏器和檢偏器的自動(dòng)定位及誤差分析[J].中國(guó)激光,2005(5):663-667.

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Study on rotation characteristic of linearly polarized light based on permanent magnetic confinement cavity*

FU Gui-zhen, LU Yong-hua

(College of Mechanical and Electrical Engineering,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China)

A kind of permanent magnetic-filled cavity based on the Faraday magneto-optic effect,change of the rotation angle of the linearly polarized light passing through the magnetic cavity is studied by applying the Faraday magneto optic element in a constrained magnetic chamber and changing the structure parameters of the magnetic cavity.On the test,with the increase of the magnetic cavity radius and the decreases of the magnet blocks, the rotating angle of the polarized light is gradually decreased;with increase of distance between permanent magnet blocks,rotating angle is increased firstly and then decreased.The maximum rotating angle is 85.1°under the condition of magnetic cavity radius of 4.3 mm,distance of 16 mm of 6 magnetic blocks.The minimum rotating angle is 9.8°under the condition of 9.5 mm magnetic cavity radius,distance of 14 mm of 2 magnetic blocks.

Faraday magneto-optic effect; permanent magnetic-filled cavity; linearly polarized light; rotating angle

10.13873/J.1000—9787(2017)05—0019—03

2016—05—18

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51575277)

TP 212.9

A

1000—9787(2017)05—0019—03

付桂振(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橹悄鼙O(jiān)測(cè)與控制。

陸永華(1977-)，男，博士、副教授，從事智能監(jiān)測(cè)與控制、機(jī)器人和傳感器領(lǐng)域研究工作。