Разработка Ученых Пермского Политеха позволит автономно и качественно измерять магнитные поля Земли
В современном мире все активнее применяются волоконные технологии для передачи световых сигналов на большие расстояния с помощью тонких нитей оптического волокна. Они являются важным элементом в сфере телекоммуникаций и интернета, используются в медицине для проведения различных процедур и лазерных операций, в промышленности для контроля процессов производства. В настоящее время научное сообщество стремится к уменьшению массогабаритных параметров оптоволоконных систем и улучшению их технических характеристик. Ученые Пермского Политеха разработали первый в мире миниатюрный волоконно-оптический чувствительный магнитометр на основе резонатора.
Статья опубликована в научно-техническом журнале «Фотон-экспресс» №6, 2023. Исследования выполнены при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации.
Магнитное поле возникает в результате движения электрических зарядов, таких как электроны. Оно окружает Землю и защищает поверхность планеты от солнечного ветра и космического излучения, влияет на погоду и жизнедеятельность населяющих Землю организмов.
Измерение магнитных полей помогает нам лучше понять и контролировать такое влияние. Однако это технически сложный процесс, который требует специального оборудования. Существует несколько методов измерения магнитных полей, одним из которых является использование оптического магнитометра. Принцип работы такого датчика реализуется с помощью чувствительного элемента из оптоволокна, который фиксирует малейшие изменения и колебания магнитного поля. С помощью подобного магнитометра можно измерять не только собственное поле Земли, но и находить аномалии – локальные искажения магнитного поля, вызванные техногенными или природными причинами. Например, залежами железной руды или затонувшим судном.
Массивные магнитометры бывают разных видов и применяются в различных областях науки и техники, например, для поиска подводных лодок, затонувших судов, неразорвавшихся боеприпасов, бочек с токсичными отходами, для поиска широкого диапазона месторождений полезных ископаемых. Также часто используются для позиционирования систем вооружения, прогнозирования погоды (по солнечным циклам), распространения радиоволн, исследования планет и звезд. Для более узких отраслей, например, в медицине при мониторинге мозга и сердца, требуются миниатюрные магнитометры, чтобы получать более точные и качественные результаты.
Так как проводники с током создают вокруг себя магнитное поле, то магнитометрия позволяет решить актуальную задачу бесконтактного, удаленного измерения силы электрического тока. Ученые ПНИПУ предложили перспективный способ решения этой проблемы с помощью волоконно-оптического магнитометра, который обеспечивает высокоточное измерение напряженности магнитного поля. В качестве чувствительного элемента вместо стандартной катушки политехники использовали кольцевой резонатор из двулучепреломляющего волокна. Такая реализация позволяет существенно уменьшить габариты устройства, так как катушка длиной 1 км заменяется резонатором длиной порядка 10 м. Предполагается, что итоговые линейные размеры устройства не будут превышать 15 см.
– Устройство работает на основе магнитооптического эффекта Фарадея. Он заключается в том, что плоскость, в которой происходят электрические колебания, вращается под действием магнитного поля. Это вращение преобразуется в сдвиг фазы световой волны и регистрируется с высокой точностью с помощью резонатора, выполненного из специального оптического волокна, – объясняет ведущий научный сотрудник, доцент кафедры «Общая физика» ПНИПУ Виталий Максименко.
Ученые отмечают, что устройство стало значительно меньше по весу и размерам по отношению к аналогам. Такой компактный волоконно-оптический магнитометр имеет существенное преимущество — мобильность. Его можно использовать в тех задачах, где необходимо с высокой точностью определять локализацию и характер аномалии магнитного поля в полевых условиях. Предполагаемые характеристики разрабатываемого устройства повысят его эффективность и увеличат спектр применения во многих отраслях науки и промышленности. Позволят использовать его, например, для обнаружения затонувших судов или неразорвавшихся боеприпасов, железных изделий в археологических изысканиях.