无机械连接方位角测量系统中磁光调制的温度适应性研究

　　0　引言

　　无机械连接的方位角测量系统可以使不同水平面上的上下两台无机械连接的设备通过物理光学的方法实现水平方位同步.其所依据的原理主要是光的偏振和法拉第磁致旋光效应原理,前者是实现方位失调角测量的基础,后者是实现磁光调制的基础.磁光调制技术应用广泛,但在调制过程中由于线圈升温而导致磁光材料升温,进而引起法拉第转角的温度漂移,而且磁旋光温漂特性复杂,不易补偿,从而限制了此项技术的应用.为解决这一问题就必须对产生旋光温度漂移的原因进行深入的理论分析.

　　其中旋光漂移主要产生于两个方面的因素:1)由温度引起的线性双折射;2)由温度引起的Verdet常数变化.尽管二者都是由温度变化引起的,但它们的变化特性各不相同,必须采用不同的对策,分别予以补偿.美国的E.A.Ulmer[1]、德国的P.Menke和T.Bosselman[2]、Williams. P.A[3]都在磁旋光漂移的抑制上作了有益的研究.

　　1　磁光调制原理

　　当磁光材料被放置在磁场中时,材料在外加磁场作用下呈现光学各向异性,使通过材料的光波偏振性质发生改变,在光波的传播方向上敏感元件(磁旋光玻璃)单位长度产生的线双折射和圆双折射分别为δ、θ,圆双折射转角θ是通常我们所说的法拉第转角,方位失调角就是通过它进行调制的.

　　式中,V是磁光物质的维尔得(Verdet)常数,L是光在磁光介质中传播的长度,B是磁感应强度.事实上δ不会为零,式(1)变为

　　θeff为等效法拉第转角.线双折射δ会随温度变化而变化,由于温度变化而发生的线双折射使线偏振光的偏振平面变形,产生椭圆偏振,从而在光信号强度中形成了一种不希望有的变化,这种变化叠加到法拉第转角中呈现出干扰.

　　2　磁光材料特性分析

　　磁光材料大致分为逆磁性介质、顺磁性介质、铁磁性介质,三种介质的磁光特性各不相同,目前关于各磁光材料的特性尚无定论,大体如表1.

　　由表1可以看出各种磁性介质的Verdet常数大小和其温度独立性(不考虑线性双折射)是一对矛盾.逆磁性介质的温度独立性好,但其Verdet常数小.

　　铁磁性介质的Verdet常数大,但其温度特性复杂,不易补偿.顺磁性介质的综合参数较好,但温度特性参数α,β需试验测定.实际上,逆磁性介质的温度独立性也只是相对的,当其应用于高精度测量时,Verdet常数的温度变化仍需补偿.当采用偏振的方法进行角度测量时,Verdet常数的大小直接影响到被接收光电信号的强弱.实验证明,逆磁性材料由温度引起的线性双折射和Verdet常数变化都很小,但其Verdet常数小,这就给后续光电弱信号的处理带来了一定的难度.可是,尽管顺磁性材料和铁磁性材料的Verdet常数很高,使得后续光电信号易于处理,但这类材料复杂的温漂特性也极大的限制了它的应用.利用这种材料制成的磁光调制器通常要在工作前预热(2~5 h),在磁光材料达到热平衡后才能进行正式工作.因此,在选择磁光材料时必须针对系统的特点综合考虑.