基于永磁约束腔的线偏振光旋转特性研究*

付桂振， 陆永华

(南京航空航天大学 机电学院，江苏 南京 210016)

基于永磁约束腔的线偏振光旋转特性研究*

付桂振， 陆永华

(南京航空航天大学 机电学院，江苏 南京 210016)

在法拉第磁光效应基础上，设计了一种永磁约束磁腔，通过将法拉第磁光元件置于约束磁腔中，研究了线偏振光穿过结构参数可变的约束磁腔后其旋转角的变化情况。实验发现，随着磁腔半径的增大和磁体块数的减小，线偏振光的旋转角呈逐渐降低趋势，随着磁体间距的增大，旋转角呈先增大后减小的趋势，同时磁体块数越多，旋转角减小的越缓慢。在6块磁体磁腔半径为4.3 mm磁体间距为16 mm时，旋转角最大达到85.1°；在2块磁体磁腔半径为9.5 mm，磁体间距为14 mm时，旋转角最小为9.8°。

法拉第磁光效应； 永磁约束磁腔； 线偏振光； 旋转角

0 引 言

随着激光核聚变、X射线激光等新兴学科的快速发展，很多学者开始将研究聚焦于激光的吸收机制[1]，然而关于激光聚束性能的研究一般都停留在激光器的结构改进、光学器件的构成等方面。在很多新兴的激光技术领域，比如激光测量、激光制造、医用激光等领域，对于高聚束激光的要求已经异常迫切，激光高聚束方法的研究将直接决定激光切割、激光焊接以及激光测量的精度，能否拓宽法拉第磁光效应的应用范畴将其应用于激光聚束领域具有重要的工程意义。本实验在法拉第磁光作用实验基础之上研究了约束磁腔的结构参数变化对线偏振光旋转角的影响。

1 实验方法

实验基于法拉第磁光效应构建一永磁约束磁腔，将约束磁腔的磁腔半径r、磁体块数m以及磁体间距l设为可变结构参数，通过改变约束磁腔结构参数来研究线偏振光的旋转特性。永磁约束磁腔示意如图1所示，实验所用磁光材料直径为6 mm，长度为30 mm，安装4块和6块永磁体时，由于存在机械干涉的原因，r值最小为4.3 mm；使用2块和3块永磁体时，约束磁体极化端面可以贴近磁光元件，r值最小为3mm；同时考虑到空气介质的相对磁导率较小，在远离磁光元件时磁场衰减严重[2]，r值最大取10 mm。由于两组磁体间永磁体安装块侧壁及装载圆盘存在一定厚度，l最小值为14 mm，同时，若l过大，磁场也衰减严重，l最大值取30 mm。

图1 永磁约束磁腔示意图

至于线偏振光的旋转角，实验依据检偏器原理进行测量[3，4]，原理示意如图2所示。固定激光器前的偏振片1，将标有刻度的偏振片2置于激光功率计感光面前端，激光束穿过偏振片1产生线偏振光。首先,线偏振光不经过约束磁腔直接穿过偏振片2落于激光功率计感光面上，旋转偏振片2使激光功率计读数最大，记下此时偏振片2的位置刻度θ1;其次,线偏振光通过约束磁腔穿过偏振片2，由于线偏振光在磁场作用下旋转了一定角度，此时激光功率计的读数会变小，旋转偏振片2使激光功率计读数重新为最大值，记下此时偏振片2的刻度θ2，两刻度值之差即为线偏振光的旋转角。

图2 旋转角检测原理示意图

2 实验平台构建与磁场仿真分析

2.1 实验平台构建

永磁约束磁腔的永磁体选用钕铁硼永磁体(Nd2Fe14B)，该永磁体具有极高的磁能积、矫顽磁力以及磁能密度[5～7]，其夹具材质为铝合金，相对磁导率μr近似为1，对磁场的分布几乎没有影响[8]。永磁约束磁腔的实物图如图3所示，在约束磁腔中，一个装载盘上永磁体N极极化端面指向中心，另一个装载盘上永磁体S极极化端面指向中心，从而使磁场方向沿着磁腔轴线。单个装载盘由绕磁腔中心轴均匀阵列的6个永磁体安装块组成，在保证磁腔质心沿着轴线的情况下，磁体可以2块、3块、4块及6块安装于装载盘上，从而达到研究不同磁体数目对线偏振光旋转角的影响。实验平台整体分为激光器、约束磁腔和检测模块三大部分，具体如图4所示。

图3 永磁约束磁腔

图4 实验硬件平台

2.2 永磁约束磁腔有限元分析

利用ANSYS有限元分析软件，选取6块永磁体，磁腔内径r取为4.5mm，l为17mm建立永磁约束模型进行有限元分析，其约束磁腔模型如图5所示。由于空气的相对磁导率对比于磁光元件几乎为零，故只需分析磁光元件内部的磁场强度分布。选取磁光元件绘制其内部的磁感应强度分布如图6所示。由图可知，磁感线分别由一组约束磁体端面发出，汇聚后进入另一对极性相反的约束磁体端面内；磁光元件内部的磁场方向与磁腔中心轴基本平行，同时磁光元件两端蓝色区域磁场强度也较中间浅绿色部分弱。

图5 永磁约束磁腔模型

图6 磁光元件内部磁场强度分布

3 实验过程与分析

3.1 磁体块数和磁腔半径对旋转角的影响分析

磁体间距l选为16 mm，使磁光元件内部磁场方向保持一致，调节安装块端部的位置调节螺钉以改变磁腔半径r的大小，测得在不同磁腔半径r和磁体块数m下的旋转角。限于篇幅仅摘录部分试验数据如表1所示。

为了能够清晰直观地观察旋转角θ与磁腔半径r和磁体块数m之间的关系，根据试验数据绘制其变化关系曲线如图7所示。由图可见:对于不同的磁体块数，偏振光的旋转角θ均是随着磁腔半径r值的增大呈减小趋势；其中，初始阶段下降较为陡峭，r继续增大曲线中部下降斜率变小，趋于缓慢降低趋势，待曲线进入后半段时下降斜率又有所增加,当r值不变时，观察不同磁体块数m对旋转角θ的影响，发现磁体块数越多，约束磁场越强，旋转角也越大且r值越小时，同一r值不同块数曲线间的纵向距离越大，即旋转角差别越大，r值继续增加，不同块数曲线间的纵向距离越来越小。

表1 4块和6块永磁体时不同磁腔半径r值下的旋转角

图7 不同磁体块数下r-θ变化关系曲线

3.2 磁体块数和磁体间距对旋转角的影响分析

实验时保持磁腔半径r为4.8 mm不变，测量在不同磁体块数m和磁体间距l下旋转角的变化情况，如表2所示。

表2 不同磁体间距l和磁体块数m下的旋转角

为了能够清晰直观地观察旋转角θ与磁体间距l和磁体块数m之间的变化关系，将表2中记录的不同磁体块数下的旋转角分别绘制成曲线如图8所示。

图8 不同磁体块数下l-θ变化关系曲线

由图8可见：不同磁体块数下的旋转角θ均随着磁体间距l增大表现为先上升后下降的趋势。考虑到磁体间距太近时磁光元件两端面位置超过了磁体极化端面中心，致使磁光元件两端部分受到与约束单元内部水平磁场方向相反的磁场作用，磁体间距l从起始位置处增大时磁光元件逐渐全部位于正向磁场中，因此,旋转角度在开始一段距离呈现出增大的趋势。随着l值的继续增大旋转角度开始下降，并且下降坡度从某一点开始出现转折，如6块磁体时转折点约在30mm处，4块磁体时约在28mm处，3块磁体时约在24mm处，2块磁体时约在22mm处，说明当l增大到某一值时约束单元内的磁场强度开始明显下降，但随着约束磁体块数的增大，磁场保持稳定的能力增强，下降转折点到来的也越晚。

4 结 论

1)随着磁腔半径的增大及磁体块数的减小，线偏振光的旋转角逐渐减小；在磁腔半径相同时，磁体块数增多旋转角增大，当磁腔半径越小时，旋转角增大的越明显。

2)随着磁体间距的增大，线偏振光旋转角先增大后减小，同时在旋转角减小的过程中，磁体块数越多，旋转角减小得越缓慢，磁场保持稳定的能力也越强。

[1] 俞宽新.激光原理与技术[M].北京:北京工业大学出版社,2008:1-3.

[2] 唐贵杰.永磁体空间磁场测量系统的研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2008.

[3] 刘质斌,丁剑平,籍建葶.傅里叶磁光谱仪中的起偏器和检偏器的自动定位及误差分析[J].中国激光,2005(5):663-667.

[4] 常 悦,钱小陵.光偏振的微小旋转角的测量技术[J].量子电子学报,1999,8(4):375-379.

[5] 王 臣.永磁体三维磁场测量分析系统的研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2009.

[6] 刘宫腔,乐志强,沈德芳.磁光学[M].上海:上海科学技术出版社,2001:7-9.

[7] 段荣昌,段西林,刘天庆.钕铁硼磁钢在电度表中应用工艺探讨[J].电测与仪表,1997,12(384):44-49.

[8] 庞雪君,王 强,王春江.强磁场对铝合金中溶质组元分布状态的影响效果[J].物理学报,2006,10(10):5129-5134.

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

国家自然科学基金资助项目(51575277)

TP 212.9

A

1000—9787(2017)05—0019—03

付桂振(1991-)，男，硕士研究生，主要研究方向为智能监测与控制。

陆永华(1977-)，男，博士、副教授，从事智能监测与控制、机器人和传感器领域研究工作。