基于法拉第旋光效应的光纤矢量弱磁场传感器

摘要

本发明公开基于法拉第旋光效应的光纤矢量弱磁场传感器，包括：输入部、分束区域、传感区域；输入部包括两个输入光纤、两个输入光纤空间光准直器；两个输入光纤分别与两个输入光纤空间光准直器对应连接；分束区域包括两个偏振立方晶体分束器、吸光片；两个偏振立方晶体分束器分别与两个输入光纤空间光准直器对应连接；吸光片贴合于偏振立方晶体分束器的出射光面；传感区域包括分别为设于Y轴、Z轴、X轴方向上的三个传感部，三个传感部，分别与偏振立方晶体分束器连接。本发明能够有效改善磁场三维机械校准误差，进而解决了矢量磁场传感器的三维非正交问题，结构紧凑，同时实现了高灵敏度磁场传感功能。

说明书

技术领域

本发明涉及光纤磁场传感器技术领域，特别是涉及基于法拉第旋光效应的光纤矢量弱磁场传感器。

背景技术

磁场传感器在地球物理勘测、导航、军事装备应用、生物医学传感、航空航天领域都具有重要的应用价值。随着人机交换、生物成像、无人监测、工业智能制造等应用领域的发展，对磁场传感器提出了高灵敏度、高集成度、高监测精度、可穿戴、低成本、小型化、三维矢量传感等新的应用需求。而现有的商用磁场传感器，大多是基于霍尔效应、磁通门、巨磁阻式、超导量子干涉等的电学式传感器，该类型磁场传感器或多或少存在结构复杂、测试动态范围有限、需温控保护、易受电磁干扰等问题，难以满足特殊环境(如水下，人体穿戴等)的弱磁探测应用需求。

各类型光纤传感器具有制作简单、成本低、灵敏度高、体积小、结构紧凑轻便、便于集成复用、可实现多参量原位传感等优点，这也为新型磁场监测系统研制提供了可选择的技术方案，并已涌现了大量研究成果。目前，光纤磁场传感器主要有法拉第效应型、磁致伸缩效应集成型和折射率调控磁流体集成型等。其中，折射率调控磁流体集成型光纤磁场传感器主要是利用磁流体的磁致折射率调控效应实现光场调控，从而实现磁场传感。但现有磁流体集成型光纤磁场传感器大多存在灵敏度较低、易受环境温度变化影响、探头结构化设计不紧凑等问题，这限制了其探测能力和可穿戴性能，因此难以满足医学成像、磁异常探测等弱磁应用环境的测试需求。磁致伸缩效应集成型光纤磁场传感器主要是利用磁致伸缩材料的磁致应变调控效应光场调控，进而实现磁场传感功能。该类型磁场传感器灵敏度受限于磁致伸缩材料的弱磁响应特性，目前只能达到pt量级的弱磁测试能力。此外，磁致伸缩效应集成型光纤磁场传感器在测量某一方向磁场时会受到与其垂直方向的磁场串扰，进而引起交叉响应，造成一维方向上的磁场测量误差，进而限制该类型传感器的灵敏度和磁场测量动态范围。因此，要实现高灵敏度三维矢量传感，该类型磁场传感器还需要解决传感器结构不够紧凑、三维校准精度不高、磁场测试正交串扰、需外加温控反馈控制等问题。

值得注意的是，以自旋转换无弛豫原子磁力仪、光泵浦磁力仪等为代表的全光式磁场传感器，能够在室温下实现高灵敏度磁场传感，而全光磁探仪的探测极限主要由散粒噪声决定，因此能够实现fT级的高灵敏度弱磁探测响应能力。但自旋转换无弛豫原子磁力仪目前还存在时间分辨率低、结构复杂等问题，而光泵浦磁力仪则还需进一步压缩体积以满足便携式医学传感应用需求。而基于法拉第旋光效应的磁场传感器同样为全光式磁探仪，其主要是利用具有磁致旋光效应的磁光材料调控光场(即光场通过磁光材料时，线偏振光的偏振方向会发生偏转)。当前，通过将磁光材料掺杂到光纤纤芯或制作成膜片集成到光纤端面上，可以制作出各种基于法拉第旋光效应的光纤磁场传感器。该类型磁场传感的灵敏度主要由磁光材料的Verdet系数(旋光系数)决定。

目前，磁光(MO)材料已被广泛应用于光隔离器、磁场传感器和通信系统等。随着材料科学和纳米加工工艺的进步，一些低噪声、高Verdet系数的磁光材料被研制出来，因此可实现非常高的法拉第旋光系数，并被用于磁场传感器增敏。例如：磁性纳米颗粒(NP)复合材料在不同的基质(如有机基质)中可表现出高灵敏度磁光响应特性。而在这些纳米粒子中掺杂稀土元素，比如镧离子，可以进一步增加它们的Verdet系数。利用这些特种磁光材料开发成光纤磁场传感器，可以实现fT量级的高灵敏度磁场传感。鉴于此，将具有高Verdet系数的特种材料应用于光纤磁场传感器是一种可行的方案。

需说明的是，在环境磁异常探测定位及医学传感等实际应用中，一维或者二个维度的磁场传感器并不能完全满足空间磁场的测试需求，因此需大量开发三维矢量磁场传感技术。现有的三维矢量传感器主要是通过将三个一维磁场传感探头进行三维正交组装加工而成，但在组件三维正交加工或组装过程中不可避免地会存在机械校准误差，这会导致传感器存在三维矢量传感误差，进而需相应的补偿运算技术来校准。因此需大力开发新的矢量传感器设计方案与技术，以解决矢量磁场传感器普遍存在的三维非正交问题。另外，在目标磁异常探测、生物成像等应用领域，需要磁场传感器具有fT量级的弱磁探测能。

发明内容

本发明的目的是提供基于法拉第旋光效应的光纤矢量弱磁场传感器，以解决现有技术中存在的技术问题，能够有效改善磁场三维机械校准误差，进而解决了矢量磁场传感器的三维非正交问题，结构紧凑，同时实现了高灵敏度磁场传感功能。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供基于法拉第旋光效应的光纤矢量弱磁场传感器，包括：输入部、分束区域、传感区域；

所述输入部包括两个输入光纤、两个输入光纤空间光准直器；两个所述输入光纤分别与两个所述输入光纤空间光准直器对应连接；

所述分束区域包括两个偏振立方晶体分束器、吸光片；两个所述偏振立方晶体分束器分别与两个所述输入光纤空间光准直器对应连接；所述吸光片贴合于所述偏振立方晶体分束器的出射光面；

所述传感区域包括分别为设于Y轴、Z轴、X轴方向上的三个传感部，三个所述传感部分别与所述偏振立方晶体分束器连接。

优选地，所述输入光纤空间光准直器一端设有输入光纤空间光准直器输入端，两个所述输入光纤分别通过所述输入光纤空间光准直器输入端与两个所述输入光纤空间光准直器连接。

优选地，两个所述偏振立方晶体分束器并排设置，且两个所述偏振立方晶体分束器的入射光轴方向平行，垂直光轴方向成90°；两个所述偏振立方晶体分束器的参数相同。

优选地，两个所述偏振立方晶体分束器均采用半反半透镜，所述吸光片贴合于一个所述偏振立方晶体分束器的出射光面，所述出射光面的方向与所述入射光轴的方向相同。

优选地，每个所述传感部均包括依次连接的旋光组合片、输出光纤空间光准直器、输出光纤；所述输出光纤上设有检偏器；所述输出光纤空间光准直器设有输出光纤空间光准直器输出端，所述出光纤空间光准直器通过所述输出光纤空间光准直器输出端与所述输出光纤连接。

优选地，所述旋光组合片包括两个四分之一波片、一个法拉第旋转效应片，所述法拉第旋转效应片设于两个所述四分之一波片之间。

优选地，所述旋光组合片中的两个四分之一波片的快轴角度不同，第一片四分之一波片的快轴角度为45°，第二片四分之一波片的快轴为-45°。

优选地，所述法拉第旋转效应片由Dy

优选地，所述光纤矢量弱磁场传感器还包括封装外壳。

优选地，所述光纤矢量弱磁场传感器还包括三个单轴检偏器封装结构，三个所述单轴检偏器封装结构均包括检偏器封装外壳，三个所述检偏器封装外壳分别用于对Y轴、Z轴、X轴上的检偏器进行封装。

本发明公开了以下技术效果：

(1)本发明通过双立方晶体偏振分束器实现光场起偏与分束，从而将两路平行探测光转换成四路偏正光，再通过吸光片吸收一路光来实现三路正交光偏振探测光输出；三路正交偏振光分别进入旋光组合片实现磁场调控与传感响应，进而实现三维磁场传感，整个传感器结构设计更为紧凑，且利用立方体偏振分束器的偏振分束特性，能够将三维磁场的三维校准问题降为二维正交校准问题，而两个立方体拼接对准更为容易，能够有效改善磁场三维机械校准误差，进而解决了矢量磁场传感器的三维非正交问题；

(2)本发明采用具有高Verdet系数的磁性纳米颗粒复合材料制作法拉第旋光片，实现了高灵敏度磁场传感功能，能够实现fT级弱磁磁探能力，进而可满足目标磁异常探测、生物成像等领域的弱磁探测应用需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明光纤矢量弱磁场传感器结构示意图；

图2为本发明光纤矢量弱磁场传感器封装外壳结构示意图；

图3为本发明Y轴检偏器组件示意图；其中，图3(a)为Y轴检偏器组件外部结构示意图，图3(b)为Y轴检偏器组件内部结构示意图；

图4为本发明光纤矢量弱磁场传感器的组装结构示意图；

图5为本发明Y轴、Z轴传感探头一维结构示意图；

图6为本发明X轴传感探头一维结构示意图；

图7为本发明光纤矢量弱磁场传感器的传感系统示意图；

图8为本发明第一偏振立方晶体分束器分束原理图；

图中，1为激光光源，2为1:3分光器，3为光纤矢量弱磁场传感器，301A为第一输入光纤，301B为第一光纤空间光准直器输入端，302A为第二输入光纤，302B为第二光纤空间光准直器输入端，303为第一偏振立方晶体分束器，304为第二偏振立方晶体分束器，305A为第一四分之一波片，305B为第一法拉第旋转效应片，305C为第二四分之一波片，305D为第三光纤空间光准直器输出端，305E为第一输出光纤，306A为第三四分之一波片，306B为第二法拉第旋转效应片，306C为第四四分之一波片，306D为第四光纤空间光准直器输出端，306E为第二输出光纤，307A为第五四分之一波片，307B为第三法拉第旋转效应片，307C为第六四分之一波片，307D为第五光纤空间光准直器输出端，307E为第三输出光纤，307F为吸光片，308为封装外壳，401为Y轴检偏器组件，401A为Y轴检偏器，401B为Y轴检偏器封装外壳，402为Z轴检偏器组件，402A为Z轴检偏器，403为X轴检偏器组件，403A为X轴检偏器，501为Y轴光电探测器，502为Z轴光电探测器，503为X轴光电探测器，504为参考光路光电探测器，6为数据采集器，7为PC电脑端。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1所示，本实施例提供基于法拉第旋光效应的光纤矢量弱磁场传感器，包括：输入部、分束区域、传感区域，所述输入部、分束区域、传感区域依次连接；

所述输入部包括两个输入光纤、两个输入光纤空间光准直器，所述输入光纤空间光准直器一端设有输入光纤空间光准直器输入端，两个所述输入光纤分别通过所述输入光纤空间光准直器输入端与两个所述输入光纤空间光准直器对应连接；两个所述输入光纤空间光准直器输入端分别通过FC(Fibre Channel，网状通道)接口与两个所述输入光纤对应连接；所述输入光纤空间光准直器用于将所述输入光纤输入的光纤光转换成平行空间探测光。

本实施例中，两个所述输入光纤分别为第一输入光纤301A、第二输入光纤302A，两个所述输入光纤空间光准直器分别为第一光纤空间光准直器、第二光纤空间光准直器，第一光纤空间光准直器、第二光纤空间光准直器的输入端分别为第一光纤空间光准直器输入端301B、第二光纤空间光准直器输入端302B；所述第一输入光纤301A、第二输入光纤302A分别与所述第一光纤空间光准直器输入端301B、第二光纤空间光准直器输入端302B连接；两个所述输入光纤沿Y轴方向平行设置。

所述分束区域包括两个偏振立方晶体分束器、吸光片307F；

两个所述偏振立方晶体分束器分别与两个所述输入光纤空间光准直器对应连接；所述吸光片307F贴合于所述偏振立方晶体分束器的出射光面；

本实施例中，所述偏振立方晶体分束器采用型号为PBS604的LBTEK宽带偏振分束立方，由B-BK7材料制成；两个所述偏振立方晶体分束器分别为第一偏振立方晶体分束器303、第二偏振立方晶体分束器304；第一偏振立方晶体分束器303、第二偏振立方晶体分束器304的入射光轴方向平行(为Y轴方向)、垂直光轴方向成90°(分别为Z轴方向、X轴方向)，且并排对其组装布放；所述第一光纤空间光准直器、第二光纤空间光准直器分别与所述第一偏振立方晶体分束器303、第二偏振立方晶体分束器304的入射光面垂直对接；所述第一偏振立方晶体分束器303、第二偏振立方晶体分束器304的参数相同。所述第一偏振立方晶体分束器303、第二偏振立方晶体分束器304采用半反半透镜；吸光片307F贴合于第二偏振立方晶体分束器304的Y轴出射光面。

所述传感区域包括三个传感部，三个所述传感部的结构和参数相同，分别为设于Y轴、Z轴、X轴的正方向上的第一传感部、第二传感部、第三传感部；每个所述传感部均包括依次连接的旋光组合片、输出光纤空间光准直器、输出光纤；所述输出光纤空间光准直器设有输出光纤空间光准直器输出端，所述输出光纤空间光准直器通过所述输出光纤空间光准直器输出端与所述输出光纤连接；所述旋光组合片包括两个四分之一波片、一个法拉第旋转效应片，两个所述四分之一波片分别与所述偏振立方晶体分束器、所述输出光纤空间光准直器连接，所述法拉第旋转效应片设于两个所述四分之一波片之间，两个所述四分之一波片与所述法拉第旋转效应片组成长方体的三明治结构，设于偏振立方晶体分束器的矩形卡槽中；所述输出光纤空间光准直器输出端通过FC接口与所述输出光纤连接，所述输出光纤上设有检偏器，所述输出光纤的另一端连接有FC接口。

本实施例中，Y轴正方向上的第一传感部包括沿Y轴正方向依次设置的第一四分之一波片305A、第一法拉第旋转效应片305B、第二四分之一波片305C、第三光纤空间光准直器、第一输出光纤305E，第一输出光纤305E上设有Y轴检偏器401A，其中，第一四分之一波片305A紧贴第一偏振立方晶体分束器303的Y轴出射光面，第三光纤空间光准直器通过第三光纤空间光准直器输出端305D与第一输出光纤305E连接；Z轴正方向上的第二传感部包括沿Z轴正方向依次设置的第三四分之一波片306A、第二法拉第旋转效应片306B、第四四分之一波片306C、第四光纤空间光准直器、第二输出光纤306E，第二输出光纤306E上设有Z轴检偏器402A，其中，第三四分之一波片306A紧贴第一偏振立方晶体分束器303的Z轴出射光面，第四光纤空间光准直器通过第四光纤空间光准直器输出端306D与第二输出光纤306E连接；X轴正方向上的第三传感部包括沿X轴正方向依次设置的第五四分之一波片307A、第三法拉第旋转效应片307B、第六四分之一波片307C、第五光纤空间光准直器、第三输出光纤307E，第三输出光纤307E上设有X轴检偏器403A，其中，第五四分之一波片306A紧贴第二偏振立方晶体分束器304的X轴出射光面，第五光纤空间光准直器通过第五光纤空间光准直器输出端307D与第三输出光纤307E连接。

进一步地优化方案，法拉第旋转效应片的制作过程包括：

第一步，制作Dy

首先，将乙二醇(EG)和1-癸基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐(IL)在圆底烧瓶里进行混合加热作为反应溶剂，再将水基FeCl

第二步，制作聚苯甲基丙烯酸酯(PBMA)外壳包裹的Dy

首先，将甲基丙烯酸苄酯(BMA)溶液、氯仿合成PBMA颗粒溶液进行混合，得到混合溶液；其次，在混合溶液中加入第一步制成的Dy

第三步，用模具将胶状物加工成法拉第旋转效应片；该法拉第旋转效应片具有很高的旋光系数，能够使传感器达到ft级的磁场探测能力。

进一步地优化方案，所述旋光组合片中的两个四分之一波片的快轴角度不同，第一片四分之一波片的快轴角度为45°，第二片四分之一波片的快轴为-45°。

进一步地优化方案，两个输入光纤、三个输出光纤分别连接有带跳线插头的尾纤跳线，以方便与外部解调系统集成连接。

进一步地优化方案，所述光纤矢量弱磁场传感器3还包括封装外壳308，所述封装外壳308采用高强度塑料材料；本实施例中，高强度塑料材料采用聚碳酸酯，压缩强度为78～125MPa；所述封装外壳308用于封装传感探头；所述传感探头包括五个光纤空间光准直器、分束区域、三个旋光组合片，所述封装外壳上开设有卡槽和/或凹槽,用于传感探头中各器件的封装固定，如图2所示；另外，在待机时，第一光纤空间光准直器输入端301B、第二光纤空间光准直器输入端302B、第三光纤空间光准直器输出端305D、第四光纤空间光准直器输出端306D、第五光纤空间光准直器输出端307D对接的FC接口通过套冒进行封存。

进一步地优化方案，所述光纤矢量弱磁场传感器3还包括三个单轴检偏器封装结构，三个所述单轴检偏器封装结构均包括检偏器封装外壳，分别用于对Y轴、Z轴、X轴上的检偏器及输出光纤两端的FC接口进行封装，形成三个检偏器组件，防止检偏器受到碰撞和压力等外界干扰。本实施例中，三个检偏器组件包括Y轴检偏器组件401、Z轴检偏器组件402、X轴检偏器组件403；以Y轴检偏器组件401为例对检偏器组件进行说明，如图3所示，Y轴检偏器401A及第一输出光纤305E两端的FC接口被封装在Y轴检偏器封装外壳401B中。

所述光纤矢量弱磁场传感器3的组装结构如图4所示，将所述封装探头、三个检偏器组件进行组装，利用高强度塑料和FC接口分别将Y轴检偏器组件401、Z轴检偏器组件402、X轴检偏器组件403、输入部封装成一体化可拆卸检偏组件，光纤矢量弱磁场传感器3待机时，能够将2个输入端和3个输出端的FC接口进行拆卸封存，光纤矢量弱磁场传感器3工作时，能够将2个输入端和3个输出端的FC接口接入对应槽位使用。

Y轴、Z轴传感探头一维结构示意图如图5所示，X轴传感探头一维结构示意图如图6所示。本发明基于法拉第旋光效应的光纤矢量弱磁场传感器的工作流程包括：依次连接设置激光光源1、1:3分光器2、光纤矢量弱磁场传感器3、Y轴检偏器组件401、Z轴检偏器组件402、X轴检偏器组件403、Y轴光电探测器501、Z轴光电探测器502、X轴光电探测器503、参考光路光电探测器504、数据采集器6、PC电脑端7，如图7所示；

在输入部，激光光源1经1:3分光器2后分为3束光，一束光作为参考光进入参考光路光电探测器504，用于监测激光光源1的功率变化状况，同时消除激光光源1的波动干扰；其余两束光作为第一入射光、第二入射光分别通过第一输入光纤301A、第二输入光纤302A通过第一光纤空间光准直器输入端301B、第二光纤空间光准直器输入端302B注入第一光纤空间光准直器、第二光纤空间光准直器，将第一入射光、第二入射光转由光纤光换成平行空间探测光，进而将两路平行空间探测光分别注入到第一偏振立方晶体分束器303、第二偏振立方晶体分束器304；其中，第一入射光、第二入射光为非偏振光。

在分束区域，第一偏振立方晶体分束器303将沿Y轴正方向垂直入射进来的第一入射光一分为二，分别为沿半透射面透射的第一P波、沿半反射面反射的第一S波，具体如图8所示。

第一P波沿Y轴正方向射出，第一P波与第一入射光转换成的平行空间探测光方向相同，且第一P波进入第一旋光组合片受Y轴方向的磁场调控。第一S波沿Z轴正方向射出，第一S波与第一入射光转换成的平行空间探测光垂直，第一S波进入第二旋光组合片受Y轴方向的磁场调控。第二偏振立方晶体分束器304将沿Y轴正方向垂直入射进来的第二入射光一分为二，沿半透射面透射的第二P波沿Y轴正方向射出，第二P波与第二入射光转换成的平行空间探测光方向相同，第二P波射出后被吸光片307F吸收，作为无用光处理；沿半反射面反射的第二S波沿X轴正方向射出，第二S波与第二入射光转换成的平行空间探测光垂直，第二S波进入第三旋光组合片受X轴方向的磁场调控。由于第一入射光和第二入射光沿Y轴正方向平行射入传感器内，并且第一偏振立方晶体分束器的垂直出射光轴与第二偏振立方晶体的垂直出射光轴相互垂直，故只需要两束入射光注入矢量式光纤弱磁场传感器，利用偏振立方晶体的正交分束特性，第一入射光就可实现Y、Z两轴的传感，同时第二入射光可实现X轴的传感，因此分束区域此设计不需要利用三个入射端进行三维正交拼接，只需要利用两个输入端就可实现三维正交分光，将三维校准问题降为二维校准问题，大大提高了三维校准精度。

在传感区域，Y轴方向第一P波进入该传感区域时为线偏振光，通过第一四分之一波片305A后变成圆偏振光，当磁场作用于Y轴正方向时，根据法拉第旋光效应，圆偏振光通过通过第一法拉第旋转效应片305B时偏振度发生变化，偏振度变化后的圆偏振光通过第二四分之一波片305C后为线偏振光(P波)；射出第二四分之一波片305C后的线偏振光的光强发生变化，且耦合注入第三光纤空间光准直器后转换为光纤光，由FC接口进入第一输出光纤305E，该偏振光通过Y轴检偏器401A后进入Y轴光电探测器501。Z轴方向第一S波进入该传感区域时为线偏振光，通过第三四分之一波片306A后变成圆偏振光，当磁场作用于Z轴正方向时，根据法拉第旋光效应，圆偏振光通过通过第二法拉第旋转效应片306B时偏振度发生变化，偏振度变化后的圆偏振光通过第四四分之一波片306C后为线偏振光(S波)；射出第四四分之一波片306C后的线偏振光的光强发生变化，且耦合注入第四光纤空间光准直器后转换为光纤光，由FC接口进入第二输出光纤306E，该偏振光通过Z轴检偏器402A后进入Z轴光电探测器502。X方向第二S波进入该传感区域时为线偏振光，通过第五四分之一波片307A后变成圆偏振光，当磁场作用于X轴正方向时，根据法拉第旋光效应，圆偏振光通过通过第三法拉第旋转效应片307B时偏振度会发生变化，偏振度变化后的圆偏振光通过第六四分之一波片307C后为线偏振光(S波)；射出第六四分之一波片307C后的线偏振光的光强发生变化，且耦合注入第五光纤空间光准直器后转换为光纤光，由FC接口进入第三输出光纤307E，该偏振光通过X轴检偏器403A后进入X轴光电探测器503；Y轴光电探测器501、Z轴光电探测器502、X轴光电探测器503、参考光路光电探测器504分别进行光电解调后输出的电信号进入数据采集器6，通过PC电脑端7的信号处理系统进行信号处理，利用法拉第旋光效应和琼斯矩阵原理求出磁场强度大小。其中，利用法拉第旋光效应和琼斯矩阵原理求出磁场强度大小的具体原理为：

利用法拉第旋转效应片的磁致旋光特性，对入射到旋光组合片的线偏振探测光产生偏振旋转调控，再通过外部解调系统的检偏器和探测器组合强度监测，最后标定结算出磁场变化情况，从而实现磁场传感响应。

法拉第磁光效应公式如式(1)所示：

θ＝VHL……………………………………(1)

其中，θ为法拉第旋转角度；H为磁场强度；V为Verdet常数，表示磁光材料的磁光系数，由材料的特性和工作波长决定；L为光通过磁光材料的长度；在直角坐标系中，磁场H分解成3个正交方向的磁场，分别对应于直角坐标系的X、Y、Z轴，设磁场和Z、X、Y方向的夹角分别为λ

cos

光纤矢量弱磁场传感器3利用偏振立方晶体分束器的特性把第一S波作为Z方向的探测光，把第一P波作为Y方向的探测光，第二S波作为X方向的探测光。每一维探测光信号按照进出偏振立方晶体--进入旋光组合片--耦合进入输出光纤---进而外部监测系统的检偏器和探测顺序实现信号传输与调控监测。

偏振立方晶体分束器工作波长范围是1200nm～1600nm，消光比大于1000:1；所选用偏振立方晶体分束器上镀上了增透膜，每通过2N侧面(相当于通过N个透镜)，损失的光强为(1-0.996

T

T

在式(3)、式(4)中，T

对于Z轴方向探测信号：

在光进出偏振立方晶体的过程视为光通过了1个透镜和1个偏振分光膜，射出立方晶体之后的第一S波的光强可如式(5)所示：

E

在式(5)中，E

其中，θ

射出第二片四分之一波片后，第一S波由单模光纤进入检偏器，检偏器的检偏角度第一S波的偏振角度成0°，通过检偏器后进入光电探测器的光强如式(7)所示：

E

在式(7)中，E

综合式(5)～式(7)，E

第一S波在通过传感区域后进入光电探测器，光电探测器的作用是将光信号变为电信号，E

在式(9)中，在光电探测器中参考光路光强E

同理，X轴检偏器的检偏角度与第二S波的偏振角度成0°，得到X轴方向的传感监测信号，如式(10)所示：

在式(10)中，I

Y轴检偏器的检偏角度与第一P波的偏振角度成0°，故Y轴方向的传感监测信号为：

在式(11)中，I

根据在PC端采集到的光电探测器的探测电流I

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。