В современном мире все активнее применяются технологии для передачи световых сигналов на большие расстояния с помощью тонких нитей оптического волокна. Это важный элемент в сфере телекоммуникаций и интернета, а еще эти нити используют в медицине для проведения различных процедур и лазерных операций, в промышленности — для контроля процессов производства. Научное сообщество стремится к уменьшению массы и габаритов оптоволоконных систем и улучшению их технических характеристик. Ученые Пермского Политеха разработали первый в мире миниатюрный волоконно-оптический чувствительный магнитометр на основе резонатора.
Разработка Пермского Политеха позволит автономно и качественно измерять магнитные поля Земли / © Getty images
Статья опубликована в научно-техническом журнале «Фотон-экспресс». Исследования выполнены при поддержке Министерства науки и высшего образования России. 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 один километр заменяется резонатором длиной порядка 10 метров. Предполагается, что итоговые линейные размеры устройства не будут превышать 15 сантиметров.
«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.
