Dissertationen zum Thema „Magneto-acoustic“

Ce travail se situe dans le contexte de l’utilisation des ondes de spin comme vecteur d’information. Il explore la possibilité d’exciter l’aimantation dans de fines couches ferromagnétiques grâce au couplage magnéto-élastique. Cela permettrait un adressage non-inductif, efficace, et distant des ondes de spin. Dans un premier volet, nous avons développé un dispositif expérimental générant des ondes acoustiques de surface (ODS) électriquement, verrouillées en phase à des impulsions de laser sonde. La dynamique d’aimantation est détectée grâce aux effets magnéto-optiques (Kerr et Voigt). Nous étudions le couplage magnétoélastique résonant dans une couche mince du semiconducteur magnétique (Ga,Mn)As. Afin d’atteindre la résonance, la fréquence des ondes de spin est ajustée à celle des ODS par un champ magnétique. Nous isolons les contributions photo-élastique et magnéto-optique du signal, pour quantifier l’amplitude de la précession d’aimantation. Nous montrons que la précession observée est exclusivement déclenchée par l’ODS. La variation en champ de son amplitude correspond très bien à celle calculée, et elle est maximum au champ pour laquelle l’absorption de l’ODS est maximale, démontrant clairement la résonance magnétoacoustique. L’influence de la fréquence et de la puissance de l’ODS, ainsi que de la température sur l’efficacité du couplage est également explorée. Dans un deuxième volet, nous avons excité des ODS par effet thermoélastique grâce à un faisceau laser focalisé, et cela sur des couches magnétiques métalliques cette fois-ci (Ni, FeGa, Co), déposées sur un substrat transparent (verre, sapphire). Des cartes spatio-temporelles du déplacement de la surface et du signal magnéto-optique ont été obtenues. Un décalage du spectre magnéto-optique vers les hautes fréquences semble indiquer une excitation des ondes de spin par les ODS
In the developing field of spin wave-based information technology, this work investigates the possibility to use surface acoustic waves (SAW) to excite spin-waves in ferromagnetic thin layers relying on the magnetoelastic coupling. This would provide a non-inductive, efficient, and remote addressing of spin waves. In the first project we develop an experimental setup to generate electrically excited SAWs phase-locked to probe laser pulses. The magnetization dynamics is detected by an optical bridge using magneto-optical effects (Kerr and Voigt). We investigate the resonant magneto-elastic coupling in a thin film of the ferromagnetic semiconductor (Ga,Mn)As. To reach resonant coupling, the spin-wave frequency is scanned across the SAW frequency using a magnetic field. We disentangle the photoelastic contribution from the magneto-optical one, from which we obtain the amplitude of magnetization precession. We show that it is driven solely by the acoustic wave. Its field dependence is shown to agree well with theoretical calculations. Its amplitude resonates at the same field as the resonant attenuation of the acoustic wave, clearly evidencing the magnetoacoustic resonance with high sensitivity. The influence of temperature, SAW frequency and power on the coupling efficiency are studied. In the second project we use SAWs thermoelastically excited by a tightly focused laser beam on ferromagnetic metals (Ni, FeGa, Co) on a transparent substrate (glass, sapphire). Spatio-temporal maps of the surface displacement and magneto-optical signal are obtained. A high-frequency shift of the frequency spectrum of the latter gives a hint for spin-wave excitation by SAWs

Barkhausen emission (B.E.) and Magneto-acoustic emission (M.A.E.) can be detected from specimens in a magnetic field varying at a few millihertz. Comparison of the two signals can indicate the nature of the domain walls responsible for the activity at any particular field. In order to characterize a specimen the strength of the emissions around the hysteresis loop are measured together with the distribution of Barkhausen event sizes. This technique has been used to measure the effects of: (A) Microstructure. Both B.E. and M.A.E. are sensitive to dislocations, and the effects of cold-working and its removal by isochronal annealing has been studied in alpha-iron. A simple model of domain wall pinning is presented which enables the dislocation density to be estimated. M.A.E. and B.E. are also sensitive to the growth of precipitates in Incoloy 904 alloy and, for a certain regime of sizes, can potentially be used to monitor the precipitate diameter. B.E. is sensitive to smaller precipitates (-100 nm) than M.A.E. but, unlike M.A.E., its dependence on precipitate size is not monotonic. An understanding of the signal dependence is obtained from Lorentz microscopy. (B) Radiation damage. The sensitivity of B.E. and M.A.E. to radiation damage is quite small by virtue of the small size of defects present. Nevertheless measurements on neutron irradiated alpha-iron specimens in several microstructural states indicate: (a) an accelerated recovery from the cold-worked condition on isochronal annealing and (b) dissolution of nitrides and carbides which formed in preparatory heat treatments. Measurements on a neutron irradiated iron-copper alloy which was subsequently isochronally annealed indicated effects which were consistent with: (a) removal of dislocation loops formed during irradiation at 550°C and (b) growth of precipitates (probably copper) at 600°C which presumably formed during the irradiation, (i.e. the effect was smaller in unirradiated control specimens). These results suggest that B.E. and M.A.E. might be useful tools for the characterization of radiation effects. (C) Tensile stress. Both B.E. and M.A.E. are sensitive to applied tensile stress and measurements on a number of different materials indicate that the dependence of M.A.E. is monotonic (except in nickel) whereas that of B.E. is generally quite complex. Since the microstructural and stress dependences are often interrelated it would be difficult to use the technique to measure say residual stress in a practical material unless the exact condition of the microstructure could be determined. Consequently B.E. and M.A.E. were measured from mild steel specimens (4360 steel) which had recieved a number of different heat treatments. The effects of applied tensile stress on the amplitude and shape of the B.E. and M.A.E. profiles were investigated with a view to be able to use the M.A.E. to measure stresses without prior knowledge of the microstructure. It was found that certain parameters in the signal profile were much more strongly dependent upon the stress than on the microstructure for many of the material conditions. Therefore M.A.E. is potentially useful for residual stress measurements.

We present a three-dimensional analysis of magneto-acoustic waves, along the seven coronal loops, observed on the active region NOAA 11272 during the class B and C flares. We found 19-, 9-, 5-, 2-, 1-, and 0.6-minute waves using the pixelised wavelet filtering method over images obtained from the Atmospheric Imaging Assembly instrument. We modelled the velocity of these waves along the extrapolated magnetic field lines that reproduce the observed loops in extreme ultraviolet. The extrapolation was made over magnetograms, got from the Helioseismic and Magnetic Imager instrument, using the linear force-free approximation. From our model, we found temperatures 10$^{3}$ (maior equivalente) T (menor equivalente) 1.8 x 10$^{7}$ K and densities 10$^{7}$ (maior equivalente) n (menor equivalente) 10$^{17}$ cm$^{−3}$, covering from photosphere to corona, as expected in the solar atmosphere. Hence, we obtained acoustic c$_{s}$ $\approx$ 10$^{2}$ km s$^{−1}$ and Alfvénic $\upsilon$$_{A}$ $\approx$ 10$^{4}$ km s$^{−1}$ velocities values which are in agreement with the literature. In addition, the brightness asymmetry observed along the coronal loops is explained by the magnetic field and Alfvén velocity distributions along the extrapolated field lines. We found fast magneto-acoustic waves at the beginning of B3.8 and C1.9 flares and slow modes along the loops during all flares. Our 3D model represents an unprecedented method to study waves in coronal loops. All results are coherent with expected values in the solar atmosphere conditions.
Apresentamos uma análise tridimensional de ondas magnetoacústicas ao longo de sete loops coronais, observados na região ativa NOAA 11272 durante os flares de classe B e C. Encontramos ondas de 19, 9, 5, 2, 1 e 0.6 minutos usando o método Pixelised Wavelet Filtering sobre imagens obtidas com o instrumento Atmospheric Imaging Assembly. Modelamos as velocidades dessas ondas ao longo das linhas de campo magnético extrapoladas que reproduzem os loops observados em ultravioleta extremo. A extrapolação foi feita sobre os magnetogramas obtidos com o instrumento Helioseismic and Magnetic Imager, usando a aproximação Linear Force-Free. A partir do nosso modelo, encontramos temperaturas de 10$^{3}$ (maior equivalente) T (menor equivalente) 1.8 x 10$^{7}$ K e densidades de 10$^{7}$ (maior equivalente) n (menor equivalente) 10$^{17}$ cm$^{−3}$, cobrindo desde a fotosfera até a coroa, como esperado na atmosfera solar. Desta forma, obtivemos valores para as velocidades acústica e Alfvénica de c$_{s}$ $\approx$ 10$^{2}$ km s$^{−1}$ e $\upsilon$$_{A}$ $\approx$ 10$^{4}$ km s$^{−1}$ respectivamente, as quais estão acorde com a literatura. Adicionalmente, a assimetria no brilho observada ao longo dos loops coronais é explicada pelas distribuições do campo magnético e da velocidade Alfvén ao longo das linhas extrapoladas. Nós encontramos ondas magnetoacústicas rápidas no inicio dos flares B3.8 e C1.9 e modos lentos ao longo dos loops durante todos os flares. O nosso modelo representa um método inédito para estudar ondas em loops coronais. Todos os resultados são coerentes com os valores esperados nas condições da atmosfera solar.

Mechanical waves are ubiquitous within solar plasmas, coming in the form of Magnetohydrodynamic (MHD) waves. The Sun and its atmosphere are not a single homogeneous medium and, rather, have complex structures stratified by gravity, temperature gradients, complex magnetic field structures, subject to bulk flows and even partial ionisation, with all of these affecting how oscillations propagate within the plasma. Magneto-acoustic gravity (MAG) waves have been investigated extensively within solar physics, with three popular choices of analytical modelling for a Cartesian coordinate system: a magnetic field parallel, perpendicular, or at an angle to the gravitational field. Firstly we study the eigen-modes of bounded solar plasmas embedded in a magnetic field perpendicular to the gravitational field and their energy distribution in both single and two-layer models. We show that, indeed, modes can still be split into fast and slow MAG with stratification decreasing the magnetic energy with height and, thus, only waves with predominantly internal energy are more evenly distributed in the atmosphere. A discontinuity in temperature between layers also reflects waves but we show there is an inherent coupling between waves in both layers. Secondly we investigate the effect of a bulk flow on MAG surface waves, with the magnetic field parallel to the surface and a gravitational field perpendicular to this. We find that waves along the penumbra, where Evershed flows are present can change their direction of propagation and even the Kelvin-Helmholtz instability can occur. Waves within solar plasmas have generally been studied in fully ionised or completely neutral media extensively and, as such, partial ionisation has not been covered much until fairly recently, meaning there is great scope for exciting studies in this sub-set of solar physics. Using single and multi-fluid methods we investigate the stability of partially ionised plasma slabs with bulk flows. We find that in the single fluid approximation that dissipative instabilities can occur for flow speeds of the internal tube speed, with a neutrals providing stability. In the two-fluid approximation our analysis confirms the existence of a mode that arises due to the shear in flow in the neutral fluid and that, in a highly collisional plasma, has a semi-resonant interaction between itself and the classical modes of incompressible or compressible magnetic slabs.

Avec l’avènement du laser femtoseconde il est devenu possible de mesurer comment la démagnétisation femtoseconde peut permettre de sonder l’interaction d’échange dans les métaux ferromagnétiques. La démagnétisation induite par laser d’un matériau avec un fort couplage magnéto-élastique amène à la relaxation des contraintes mécaniques, générant ainsi des ondes acoustiques longitudinales (L) et transversales (T). Dans ce travail de thèse, la génération d’impulsions acoustiques picosecondes T par le mécanisme de démagnétostriction dans des matériaux fortement magnétostrictifs est traitée analytiquement et montrée expérimentalement dans le cas d’un alliage de Terfenol. En premier lieu, nous avons développé un modèle phénoménologique de magnétostriction directe dans un film monocristallin de Terfenol. Les expériences pompe-sonde linéaire MOKE résolues en temps montrent que la relaxation transitoire des contraintes magnéto-élastiques du film amène à l’excitation d’ondes GHz acoustiques L at T. Ces résultats sont la première observation expérimentale de l’excitation d’ondes acoustiques transversales picoseconde par mécanisme de démagnétostriction induit par laser. En second lieu, nous avons analysé le processus d’interaction d’ondes acoustiques L avec l’aimantation d’un film mince de Terfenol. L’onde acoustique picoseconde produit un changement de magnétisation du film et induit la conversion de modes acoustiques. C’est une autre voie de génération d’ondes acoustiques T que nous avons mis en évidence. La gamme de fréquence des impulsions générées est liée à l’échelle de temps de démagnétisation, qui corresponds à quelques centaines de GHz - 1 THz
With the advent of femtosecond lasers it became possible to measure how femtosecond optical demagnetization can probe the exchange interaction in ferromagnetic metals. Laser-induced demagnetization of materials with strong magneto-elastic coupling should lead to the release of its build-in strains, thus to the generation of both longitudinal (L) and shear (S) acoustic waves. In this thesis, generation of shear picosecond acoustic pulses in strongly magnetostrictive materials such as Terfenol is processed analytically and shown experimentally. In case of Terfenol with strong magneto-crystalline anisotropy, laser induced demagnetostriction is responsible for S excitation. First, the phenomenological model of direct magnetostriction in a Terfenol monocrystalline film is developed. The shear strain generation efficiency strongly depends on the orientation of the film magnetization. Time-resolved linear MOKE pump-probe experiments show that transient laser-induced release of the magnetoelastic strains lead to the excitation of GHz L and S acoustic waves. These results are the first experimental observation of picosecond shear acoustic wave excitation by laser-induced demagnetostriction mechanism. Second, the interaction of an optically generated L acoustic pulse with the magnetization of a Terfenol thin film is reported. Arrival of the picosecond strain wave alters a change of its magnetization and leads to acoustic mode conversion, which is another pathway of shear acoustic wave generation. The frequency bandwidth of the generated acoustic pulses matches the demagnetization timescale and lies in the range of several hundreds of GHz, close to 1 THz

Les développements récents en physique, et technologiques, ont permis l'élaboration de nouveaux matériaux magnéto-électro-élastique, comme les composites multicouches piézoélectriques / piézomagnétiques. Leur coefficient magnétoélectrique, très grand en comparaison de celui des matériaux constitués d'une seule phase, a suscité récemment un grand nombre de travaux, menant au développement de capteurs, d'actionneurs, de systèmes de conversion d'énergie magnétique-électrique, et dans les mémoires à état solide.Cette thèse porte sur l'étude théorique et expérimentale des ondes acoustiques de surface dans des structures multicouches piézomagnétiques. Une description théorique des matériaux magnéto-élastiques, reposant sur la dérivation d'un modèle de matériau piézomagnétique équivalent, est utilisée conjointement à une technique numérique afin de calculer les courbes de dispersion et les formes des modes des ondes acoustiques se propageant dans des composites piézo-électro-magnétiques déposés sur un substrat. Ce modèle, très général, peut être utilisé pour différents types de structures et pour une intensité et une direction quelconques du champ magnétique externe appliqué. Les structures réalisées en salle blanche sont constituées d'un film mince de 20 couches de TbCo2 (5nm)/FeCo(5nm) déposé sur un substrat de LiNbO3 entre deux peignes interdigités. Une comparaison, entre les variations de la vitesse de phase d'ondes acoustiques de surface induites par l'application d'un champ magnétique externe modélisées et mesurées, est réalisée. Un bon accord quantitatif entre les mesures et les calculs théoriques, et cela pour toutes les orientations du champ magnétique (suivant l'axe facile ou l'axe difficile) et pour différents modes acoustiques, est obtenu. Le mode transverse horizontal présente les plus grandes variations de vitesse, proche de 20% pour un film dont l'épaisseur serait celle de la longueur d'onde acoustique

La faisabilite de la fusion magnetique est dependante de notre capacite a confiner l'energie des particules supra-thermiques liberees a haute energie par les reactions de fusion, dans les meilleures conditions de securite et d'efficacite. Dans ce but, il est necessaire de comprendre l'interaction entre les particules energetiques et le plasma thermo-nucleaire qui constitue l'environnement des reactions de fusion, afin de la controler. La these que nous presentons ici s'inscrit dans cet effort. Le coeur du travail mene est l'etude d'un type d'instabilite, le Beta Alfven Eigenmode (BAE), que peuvent exciter les particules energetiques, et dont on peut craindre qu'il degrade fortement non seulement le confinement des particules energetiques mais aussi le confinement du plasma dans sa globalite. Dans un premier temps, nous nous attacherons a decrire les caracteristiques de ce mode et nous deriverons sa relation de dispersion ainsi que sa structure. Dans une seconde partie, nous effectuerons l'etude de la stabilite lineaire de ce mode en presence de particules energetiques. Cette etude nous a permis de definir un critere analytique rendant compte de la capacite des particules energetiques a exciter le BAE. Ce critere sera discute et confronte aux resultats d'experiences menees durant la these. Cette etude lineaire presentant cependant quelques limites, il nous est apparu important de nous poser la question de la possibilite d'une modication de la stabilite du BAE liee a l'utilisation d'une description non-lineaire. Nous suggererons dans cette presentation un processus, verifie analytiquement et numeriquement, dont peut resulter l'existence d'etats meta-stables pour le BAE.

Ce travail de thèse est consacré à l'étude de la dynamique d'aimantation excitée par des ondes acoustiques dans des couches de (Ga,Mn)As. Dans la première partie, nous présentons une étude à la fois expérimentale et théorique sur l'origine de la forte anisotropie magnétique uniaxiale dans le plan de la couche (Ga, Mn) inattendue pour la structure cristalline cubique. En supposant que cette anisotropie est d'origine magnéto-élastique, nous avons obtenu en développant un modèle théorique k.p une dépendance linéaire entre les constantes d'anisotropie magnétique et la déformation de cisaillement. À la recherche d'une déformation de cisaillement réelle résultant de la relaxation du réseau, nous effectuons une diffraction des rayons X anomale. Travaillant sur une couche fortement anisotrope (Ga, Mn), la valeur estimée de εxy =10-4 n'a pas été trouvée bien qu'elle soit d'un ordre de grandeur au-dessus du seuil de détection. Ces résultats indiquent que l'anisotropie magnéto-cristalline planairene peut être décrite que par une déformation effective comme prédit pour une distribution non isotrope des dimères de Mn. Dans la deuxième partie, nous étudions le couplage magnéto-élastique résonant dans une couche de (Ga,Mn)As. La détection temporelle et spatiale de la dynamique magnéto-acoustique a mis en évidence la présence des signatures d'une non-linéarité provenant uniquement de l'onde acoustique de surface comme le doublement de fréquence et de vecteur d'onde, l'évolution quadratique de l'amplitude de précession à 2fSAW. Un modèle d'oscillateur paramétrique obtenu en linéarisant l'équation Landau-Lifschitz-Gilbert (LLG) est utilisé pour mieux comprendre les conditions menant à la non-linéarité
This thesis is devoted to the study of the magnetization dynamics excited by acoustic waves in layers of (Ga, Mn) As. In the first part, we present an experimental and theoretical study on the origin of the strong in-plane uniaxial magnetic anisotropy in (Ga,Mn)As layers, unexpected from the cubic crystalline structure. Assuming that this anisotropy has a magnetoelastic origin, we obtained by developing a k.p band model a linear dependence between the constant of magnetic anisotropy and the shear srain. Searching for a real shear strain arising from lattice relaxation, we perform anomalous x-ray diffraction. Working on a strongly anisotropic (Ga,Mn)As layer, the estimated εxy = 10-4 was not found although it lied an order of magnitude above the detection threshold. This ensemble of results indicate that the magneto-crystalline anisotropy planar can be described by an effective deformation as predicted by a non-isotropic distribution of the dimers of Mn. In the second part, we study the magneto-elastic coupling resonant in a layer of (Ga,Mn)As. Temporal and spatial detection of the magneto-acoustic dynamics has highlighted the presence of a non-linearity that arises solely from the surface acoustic wave (SAW) such as frequency and wave-vector doubling in time and space, the quadratic evolution of the precession amplitude at 2fSAW. A parametric oscillator model obtained by linearization of the Landau-Lifschitz-Gilbert (LLG) equation was adopted to understand the conditions leading to these non-linearities

Récemment, beaucoup d'efforts ont été consacrés au contrôle de l'aimantation dans les nanostructures par d'autres moyens qu'un champ magnétique externe. En effet, le but est de miniaturiser les dispositifs et il est difficile d'imposer un champ magnétique présentant de faibles dimensions latérales. D'autre part, les ondes de spin ouvrent actuellement de nouvelles perspectives dans le traitement de l'information. Les avantages qu'elles présentent sont les suivants: longueurs d'onde nanométriques, à comparer à celles des ondes électromagnétiques dans la même gamme de fréquences (GHz-THz), et absence de chauffage par effet Joule. Une possibilité de contrôle réside dans l'utilisation d'ondes acoustiques de surface pour induire la dynamique de l'aimantation ou pour contrôler les ondes de spin. En d'autres termes le contrôle de l'aimantation s’exerce alors via une déformation dynamique. Ceci est rendu possible grâce à une propriété fondamentale des corps magnétiques, le couplage magnéto-élastique, c'est-à-dire le couplage entre aimantation et déformation. Cette thèse porte sur la phénoménologie de l'interaction magnéto-élastique dans les couches minces épitaxiées magnétostrictives de Fe0.8Ga0.2. Nous avons effectué une étude expérimentale systématique des interactions magnéto-élastiques dans des films minces de différentes épaisseurs et structures magnétiques. Nous avons aussi développé deux modèles phénoménologiques, pour interpréter nos expériences. Nous obtenons le résultat important suivant: il est possible d'extraire, d'une étude acoustique, les constantes magnéto-élastiques ainsi que les constantes d'anisotropie magnétique. La thèse a aussi une forte composante technologique. Un des buts était d'exciter efficacement des ondes acoustiques de surface dans la gamme de fréquences de quelques GHz (1-5 GHz) sur substrat piézoélectrique de GaAs dans le but d'observer l'interaction résonante avec les ondes de spin thermiques. Nous avons aussi cherché à exciter des ondes de spin, dans des couches minces épitaxiées, avec des antennes RF afin d'observer l'interaction résonante. Nous présentons des expériences préliminaires sur cette interaction, qui ont été réalisées en diffusion Brillouin (BLS) et en diffusion micro Brillouin, en collaboration avec le laboratoire GHOST à Pérouse, en Italie
Recently, lot of efforts have been devoted to control the magnetization in nanostructures by means other than external magnetic field to achieve device miniaturization, as it is difficult to handle the magnetic field at low lateral dimensions. On the other hand, a new road emerged towards the wave based computing by employing spin waves (SWs). The advantages, that SWs offer for the data processing are nm wavelength as compared to the electromagnetic waves in the same frequency range (GHz-THz) and the absence of Joule heating. A possibility exists to use Surface Acoustic Waves (SAWs), in other words, dynamic strain, to induce magnetization dynamics or to control spin waves. This is possible due to a very fundamental property of magnetic bodies, the magneto-elastic coupling, that is when magnetization orientation and strain are coupled. This thesis focuses on the phenomenology of the magneto-elastic interaction in thin epitaxied films of magnetostrictive Fe0.8Ga0.2. We performed a systematic experimental study of the magneto-elastic interactions in thin films of different thicknesses and magnetic structures. We also developed two phenomenological models in order to interpret our results. An important result of this study is that we are able to extract the magneto-elastic and the magnetic anisotropy constants by acoustic means. The thesis has also a strong technological component. One aim was to efficiently excite surface acoustic waves in GHz frequency range (1-5 GHz) on GaAs piezoelectric substrates in order to observe the resonant interaction with thermal spin waves. We also managed to excite spin waves in thin epitaxied magnetostrictive layers, using RF antennas. We report preliminary measurements on this interaction that were performed with Brillouin light scattering (BLS) and micro BLS techniques in collaboration with the GHOST laboratory in Perugia, Italy

Récemment, beaucoup d'efforts ont été consacrés au contrôle de l'aimantation dans les nanostructures par d'autres moyens qu'un champ magnétique externe. En effet, le but est de miniaturiser les dispositifs et il est difficile d'imposer un champ magnétique présentant de faibles dimensions latérales. D'autre part, les ondes de spin ouvrent actuellement de nouvelles perspectives dans le traitement de l'information. Les avantages qu'elles présentent sont les suivants: longueurs d'onde nanométriques, à comparer à celles des ondes électromagnétiques dans la même gamme de fréquences (GHz-THz), et absence de chauffage par effet Joule. Une possibilité de contrôle réside dans l'utilisation d'ondes acoustiques de surface pour induire la dynamique de l'aimantation ou pour contrôler les ondes de spin. En d'autres termes le contrôle de l'aimantation s’exerce alors via une déformation dynamique. Ceci est rendu possible grâce à une propriété fondamentale des corps magnétiques, le couplage magnéto-élastique, c'est-à-dire le couplage entre aimantation et déformation. Cette thèse porte sur la phénoménologie de l'interaction magnéto-élastique dans les couches minces épitaxiées magnétostrictives de Fe0.8Ga0.2. Nous avons effectué une étude expérimentale systématique des interactions magnéto-élastiques dans des films minces de différentes épaisseurs et structures magnétiques. Nous avons aussi développé deux modèles phénoménologiques, pour interpréter nos expériences. Nous obtenons le résultat important suivant: il est possible d'extraire, d'une étude acoustique, les constantes magnéto-élastiques ainsi que les constantes d'anisotropie magnétique. La thèse a aussi une forte composante technologique. Un des buts était d'exciter efficacement des ondes acoustiques de surface dans la gamme de fréquences de quelques GHz (1-5 GHz) sur substrat piézoélectrique de GaAs dans le but d'observer l'interaction résonante avec les ondes de spin thermiques. Nous avons aussi cherché à exciter des ondes de spin, dans des couches minces épitaxiées, avec des antennes RF afin d'observer l'interaction résonante. Nous présentons des expériences préliminaires sur cette interaction, qui ont été réalisées en diffusion Brillouin (BLS) et en diffusion micro Brillouin, en collaboration avec le laboratoire GHOST à Pérouse, en Italie
Recently, lot of efforts have been devoted to control the magnetization in nanostructures by means other than external magnetic field to achieve device miniaturization, as it is difficult to handle the magnetic field at low lateral dimensions. On the other hand, a new road emerged towards the wave based computing by employing spin waves (SWs). The advantages, that SWs offer for the data processing are nm wavelength as compared to the electromagnetic waves in the same frequency range (GHz-THz) and the absence of Joule heating. A possibility exists to use Surface Acoustic Waves (SAWs), in other words, dynamic strain, to induce magnetization dynamics or to control spin waves. This is possible due to a very fundamental property of magnetic bodies, the magneto-elastic coupling, that is when magnetization orientation and strain are coupled. This thesis focuses on the phenomenology of the magneto-elastic interaction in thin epitaxied films of magnetostrictive Fe0.8Ga0.2. We performed a systematic experimental study of the magneto-elastic interactions in thin films of different thicknesses and magnetic structures. We also developed two phenomenological models in order to interpret our results. An important result of this study is that we are able to extract the magneto-elastic and the magnetic anisotropy constants by acoustic means. The thesis has also a strong technological component. One aim was to efficiently excite surface acoustic waves in GHz frequency range (1-5 GHz) on GaAs piezoelectric substrates in order to observe the resonant interaction with thermal spin waves. We also managed to excite spin waves in thin epitaxied magnetostrictive layers, using RF antennas. We report preliminary measurements on this interaction that were performed with Brillouin light scattering (BLS) and micro BLS techniques in collaboration with the GHOST laboratory in Perugia, Italy

Au cours des dernières décennies, on a assisté à une croissance considérable dans le domaine des technologies des capteurs magnétiques. Le domaine est passé de simples dispositifs micro-usinés à base de silicium à des microsystèmes intégrés plus complexes combinant des transducteurs de haute performance ainsi que des interfaces sans fil. Cependant, presque tous ces appareils fonctionnent avec un mécanisme complexe tout en étant alimentés simultanément de l'extérieur et coûteux. Il y a donc un besoin profond de développer un capteur magnétique qui surmonte ces défis. Ces travaux de recherche ont porté sur le développement de capteurs à ondes élastiques de surface (SAW) pour la détection des champs magnétiques. La configuration résonateur a été considérée dans cette étude afin de permettre une interrogation sans fil. La première partie de notre travail est consacrée à l’étude de la physique et à l'interaction entre les ondes élastiques et les couches magnétostrictives lorsqu'elles sont soumises à un champ magnétique. Nous avons donc étudié des résonateurs SAW en utilisant le niobate de lithium comme substrat et un empilement multicouches [TbCo2/FeCo] comme électrode et matériau sensible. Nous avons étudié et montré le rôle de l'effet de forme dans le magnétisme résultant de la géométrie de l'électrode. Un banc de mesure expérimental a été mis au point pour démontrer l’utilisation d’un capteur magnétique SAW pour la mesure du courant électrique le long d’une lignes hautes tension. Par la suite, nous avons développé un capteur auto-compensé en température rendant sa fréquence de résonance uniquement sensible à l’intensité du champ magnétique. Ce capteur à structure multicouche utilise la coupe ST du quartz comme substrat avec comme direction de propagation des ondes X+90°C. Cette direction de la coupe ST présente un coefficient de température positif (TCF) qui a été compensé par le les couches de ZnO et du CoFeB qui présentent un TCF négatif. Enfin, en combinant nos connaissances sur les effets de forme magnétiques et sur le comportement des structure SAW multicouche pour développer un dispositif qui non seulement annule les effets de la température sur la fréquence de résonance mais également sur l'anisotropie magnétique. De plus, cette structure présente également la possibilité de réaliser un dispositif multisensoriel puisque dans le même dispositif, plusieurs modes sont générés. En plus du mode compensé en température qui permet de mesurer l’intensité du champ magnétique, un autre peu sensible au champ magnétique, permettra de mesurer la température de l’environnement de fonctionnement
The last few decades have seen tremendous growth in the area of magnetic sensor technologies. The field has grown from simple micro-machined silicon based devices to more complex integrated microsystems combining high performance transducers as well as wireless interfaces. However, almost all of these devices operate with a complex mechanism while simultaneously being externally powered as well as expensive. Thus, there arises a deep need to develop a magnetic sensor that overcomes the challenges. This research work focused on the development of surface acoustic wave (SAW) sensors for the detection of magnetic field. Owing to the possibility of wireless interrogation, SAW devices of the resonator configuration have been considered in this study. The first part of our work aims to address the physics and interaction between the acoustic waves and magnetostrictive layers when subjected to a magnetic field. We investigated SAW resonators using LiNbO3 as the substrate and multi-layered [TbCo2/FeCo] as the electrode and sensitive material. We studied and showed the role of the shape effect in magnetism arising from the electrode geometry. A model experimental set-up was developed to demonstrate an application of the fabricated device as a sensor for detection of current along a cable. Subsequently, we developed a device that is self-compensated for the effects of temperature on the resonance frequency. The multi-layered sensor was based on ST-cut Quartz as the substrate whose positive temperature coefficient of frequency (TCF) was compensated for by the negative TCF of ZnO and CoFeB. Finally, we combine our understandings of the shape effects in magnetism and the multi-layered TCF compensated SAW structure to develop a device that is not only compensated for the effects of temperature on the resonance frequency but also on the magnetic anisotropy. In addition, this structure also presents the possibility of a proof-of-concept multi-sensory device because along with the temperature compensated resonance peak, there exist other resonances which are highly sensitive to any change in the temperature while at the same time immune to magnetic field

Ces travaux de thèse portent sur le traitement embarqué de signaux issus de capteurs pour les systèmes de réveil acoustiques et les dispositifs magnéto-inertiels de capture du mouvement. Le manuscrit est ainsi découpé en deux parties. La première concerne le traitement embarqué analogique du signal pour la mise en oeuvre de systèmes de réveil acoustiques dédiés à l’enregistrement de signaux ultrasonores pour l'écoute d’espèces animales. En effet, l’enregistrement en continu limite grandement l’autonomie de ces enregistreurs, tant du point de vue de l’énergie que du stockage. Ainsi, deux implémentations d’un système de réveil acoustique ont été réalisées sur circuits-imprimés : l’une basée sur le module CTMU des microcontrôleurs « PIC24F », et l’autre reproduisant la même structure sans composant programmable. Enfin, une dernière implémentation a été réalisée en technologie intégrée CMOS 0,35μm et étudiée à l’aide de simulations. La deuxième partie concerne quant à elle le traitement embarqué logiciel pour la mise en oeuvre de dispositifs magnéto-inertiels de capture du mouvement utilisables à domicile, dédiés à l’évaluation de la mobilité et à la rééducation. Pour cela, un dispositif communicant de type bracelet, contenant un accéléromètre, un gyroscope et un magnétomètre est ici envisagé. Plusieurs algorithmes comme le filtre de Kalman et le filtre complémentaire, pour différentes combinaisons de capteurs, ont été étudiés. Des tests ont été effectués sur un bras robotique et sur des patients et les résultats obtenus sont comparés à un système de capture du mouvement de référence
This thesis focuses on embedded sensor signal processing for acoustic wake-up systems and magneto-inertial motion capture devices. This work is thus divided in two parts. The first one is about embedded analog signal processing for the implementation of acoustic wake-up systems dedicated to the recording of ultrasonic signals. This is why, in order to increase autonomy of energy and storage, it is proposed here, like radiofrequency wake-up systems used in wireless communications systems, to implement a wake-up system triggering to record only when a frequency belonging to specific species is detected. This system has been implemented on two printed circuit boards : one based on the « Charge Time Measurement Unit » implemented in « PIC24F » microcontrollers, and the other reproducing the same structure without any programmable component. Finally, another implementation of the integrated structure using CMOS 0.35μm technology has been studied with simulations. The second one is about embedded software signal processing for magneto-inertial motion capture devices that can be used at home and dedicated to mobility assessment and rehabilitation. For this, a wireless wristband containing accelerometer, gyroscope and magnetometer sensors can be used. To verify the usability of this device, several algorithms such as the Kalman filter and the complementary filter, as well as different combinations of sensors, were studied. Tests have been performed on a robotic arm and on patients, for flexion-extension movements between two specific positions

Les instabilités paramétriques non linéaires (NL) ont été observées sur les ondes magnéto-élastiques dans le cas d'un couplage de trois quasi-phonons sous pompage électromagnétique. La théorie en prédit une dynamique supercritique explosive, mais limitée expérimentalement par le décalage de fréquence dû aux fortes nonlinéarités. La dynamique supercritique des instabilités paramétriques NL est étudiée dans deux matériaux antiferromagnétiques "plan facile" (AFEP): l'hématite α-Fe2O3 et le borate de fer FeBO3. Ces matériaux possèdent une très grande NL acoustique effective en raison du couplage magnéto-élastique élevé. Les mécanismes de limitation de la dynamique explosive ont été analysés à l'aide de l'approximation anharmonique. La compensation du décalage fréquentiel NL par une modulation de phase singulière du pompage a été proposée et théoriquement vérifiée, puis utilisée pour l'observation expérimentale de la dynamique supercritique explosive des excitations de trois quasi-phonons dans les résonateurs magnéto-élastiques. Les études sur FeBO3 ont été réalisées dans la gamme de température 77 K - 293 K où les paramètres magnéto-élastiques du cristal varient de façon significative. Un modèle fortement non linéaire des excitations de trois quasi-phonons dans les AFEPs a été développé. Les simulations numériques sont en accord avec les résultats expérimentaux. Les études théoriques de couplage de trois ondes magnéto-élastiques progressives ont été effectuées sur la base de modèles théoriques prenant en compte la non-linéarité cubique des cristaux AFEP réels. Les simulations numériques prévoient un comportement explosif et une localisation spatiale des triades générées

Les ondes acoustiques et électromagnétiques offrent des méthodes de caractérisation des matériaux très peu invasives. Souvent utilisées à l'aide de capteurs indépendants, l'approche développée ici est de proposer un résonateur multimodal acoustique et électromagnétique. Afin de répondre à une grande variété d'applications, le choix de l'élément actif piézo-électrique s'est porté sur un disque de quartz de coupe AT. L'étude s'articule autour des étapes aboutissant in fine à un capteur magnéto acoustique on-chip à excitation sans contact.L'étude théorique d'un capteur magnéto-acoustique à excitation inductive est tout d'abord réalisée pour un capteur chargé par un fluide visqueux. Ce capteur est constitué de trois éléments : une sonde radiofréquence (RF), un résonateur RF à fort facteur de qualité et le quartz sur lequel ont été déposées deux électrodes en anneau. Cette étude montre comment déduire la viscosité complexe du matériau étudié à partir de l'impédance électrique du système complet. Les mesures effectuées sur des mélanges étalons montrent une très bonne correspondance avec les résultats théoriques.L'intégration du résonateur RF sur l'élément piézo-électrique s'effectuant via des électrodes circulaires, une étude préliminaire est menée sur les ondes acoustiques pouvant être générées sur le quartz et leur interaction avec les électrodes. Les mesures de vibration par vibrométrie laser montrent que des ondes de Lamb sont générées dans une large gamme de fréquence (de 100 kHz à 20 MHz). L'analyse de la réponse impulsionnelle spatiale par transformée de Gabor 3D localise la source de ces ondes sur le bord des électrodes. Par ailleurs, l'étude du disque au fondamental montre une grande non-linéarité mécanique du quartz.Le modèle de résonateur RF plan multi-tour puis son intégration sur le disque de quartz du capteur magnéto-acoustique on-chip sont ensuite étudiés. Les résultats expérimentaux par mesure d'impédance et vibrométrie laser valident le modèle. La gamme de fréquence sélectionnée (entre 5 et 20 MHz) permet d'envisager des mesures micro-rhéologiques
Acoustic and electromagnetic waves are key probing candidates for characterizing their propagation media with minimum perturbation. Often used with independent sensors based on specialized transducing materials, the approach developed here provides an on-ship multimodal sensor using the same sensing material for probing the acoustic and electromagnetic properties of the material. To meet a wide range of applications, the choice of the active piezoelectric element is carried out on an AT cut quartz. The study focuses on the steps leading in fine to an on-chip magneto-acoustic sensor with a contactless excitation.The theoretical study of a magneto-acoustic sensor inductively excited and loaded by a viscous fluid is first carried out. This sensor consists of three elements: a radio frequency (RF) sensor, a high quality factor RF resonator and a quartz on which two ring electrodes have been deposited. The complex viscosity of the studied material is derived from the electrical impedance of the complete system. The measurements carried on etalon viscoelastic materials show a good agreement with the theoretical results.The integration of the RF resonator on the piezoelectric element being via circular electrodes, a preliminary study is performed for determining the acoustic waves that can be generated in the quartz and their interaction with the electrodes. The laser vibrometry measurements indicate that Lamb waves are generated in a wide frequency range, from 100 kHz to 20 MHz. The analysis of the spatial pulse response of the sensor surface by 3D Gabor transform locates the source of these waves on the edge of the electrodes. Furthermore, the study of the disk at it fundamental frequency points out the high nonlinear mechanical behavior of the quartz.The plane RF multi-turn resonator and its integration on the quartz disk of the magneto-acoustic on-chip sensor are then studied. The experimental results of impedance and laser vibrometry measurements validate the proposed theoretical model. The selected frequency range (between 5 and 20 MHz) allows one to consider micro rheological measurements

Dans un contexte automobile électrique et hybride, la part des machines synchrones à aimants permanents s'est accrue exponentiellement. Cette évolution s'accompagne d'exigences en termes d'émissions vibro-acoustiques. En termes de dimensionnement de la chaîne de traction, l'analyse multiphysique du moteur s'avère être un enjeu crucial pour son développement. La nécessité de disposer de codes informatiques de conception possédant des temps de calcul faibles pour une précision maximale se fait ressentir pour l'exploration de solutions potentiellement performantes dans les premières étapes du processus de dimensionnement. A ce titre, les aspects vibratoires et acoustiques sont modélisés analytiquement et par éléments finis dans la présente thèse. Ainsi, au moyen du modèle magnétique, l'analyse magnéto-vibro-acoustique faiblement couplée (résolution itérative des différentes physiques) peut être réalisée.La thèse est découpée en quatre parties. La première expose un état de l’art sur les émissions vibro-acoustiques des machines et notamment la modélisation du bruit d’origine magnétique. Les problématiques de la modélisation sont détaillées. Dans une deuxième partie, les modèles sont largement décrits. Les modèles éléments finis sont validés expérimentalement. Une troisième partie se propose de valider les modèles analytiques par éléments finis, en complexifiant progressivement la géométrie d’une machine à aimants montés en surface à flux radial. Enfin, la dernière partie utilise les modèles éléments finis pour étudier des machines non-conventionnelles comme les machines à commutation de flux et les machines à aimants en surface à flux axial
The proportion of permanent magnets synchronous motors used for electric and hybrid automotive traction has exponentially increased during the past decade. This evolution comes with ever-demanding low noise and vibrations requirements. Multi-physics analysis of the motor is a decisive issue for the development of the powertrain. For the exploration of potentially efficient motor solutions in first design steps, it is thus a necessity to have at disposal fast and accurate computer codes. In this respect, acoustic and vibratory aspects are modeled using finite element and analytical models in this thesis. As a result, using an electromagnetic model, the weakly-coupled magneto-vibro-acoustic analysis (iterative solving of each physic) can be performed.The thesis is divided into four parts. The first part states the art on machine vibro-acoustic emissions and focuses on noise of magnetic origins modeling. Issues of modeling are detailed. Then, models are described to a great extent in the second part. Finite element models are favorably compared to experimental measures. A third part validates analytical models in comparison to finite element analysis, by gradually complicating the geometry of a surface permanent magnets radial flux machine. Finally, a fourth part uses finite element models to study non-conventional machines such as flux switching radial flux machines and surface permanent magnets axial flux machines

La capacité de la force de Lorentz à relier un déplacement mécanique à un courant électrique présente un intérêt certain pour l'acoustique médicale, et trois applications ont été étudiées dans cette thèse. Dans la première partie de ce travail, un hydrophone a été développé pour effectuer des champs de vitesse acoustique. Cet hydrophone était constitué d'un fil de cuivre vibrant dans un champ magnétique. Un modèle a été élaboré pour déterminer une relation entre la pression acoustique et le courant électrique mesure, qui est induit par force de Lorentz lorsque le fil vibre dans un champ acoustique. Un prototype a ensuite été conçu et sa résolution spatiale, sa réponse fréquentielle, sa sensibilité, sa résistance et sa réponse directionnelle ont été examinées. Une méthode d'imagerie appelée Tomographie d'Impedance Electrique par Force de Lorentz a aussi été étudiée. Dans cette méthode, un tissu biologique est déplacé par ultrasons dans un champ magnétique, ce qui induit un courant électrique par force de Lorentz. L'impédance électrique du tissu peut ensuite être déduite de la mesure du courant. Cette technique a été appliquée pour réaliser des images d'un fantôme de gélatine, d'un muscle de bœuf, et d'une lésion thermique dans un échantillon de poulet. Cela a montré que la méthode est potentiellement utile pour fournir un contraste supplémentaire à des images ultrasonores classiques. Enfin, cette thèse a démontré que des ondes de cisaillement peuvent être générées dans des tissus mous par force de Lorentz. Cela a été réalisé en appliquant un courant électrique par deux électrodes dans un solide mou place dans un champ magnétique. Des ondes de cisaillement ont été observées dans des échantillons de gélatine et de foie. La vitesse des ondes de cisaillement a été utilisée pour calculer l'élasticité et leur source pour cartographier la conductivité électrique des échantillons
The ability of the Lorentz force to link a mechanical displacement to an electrical current presents a strong interest for medical acoustics, and three applications were studied in this thesis. In the first part of this work, a hydrophone was developed for mapping the particle velocity of an acoustic field. This hydrophone was constructed using a thin copper wire and an external magnetic field. A model was elaborated to determine the relationship between the acoustic pressure and the measured electrical current, which is induced by Lorentz force when the wire vibrates in the acoustic field of an ultrasound transducer. The built prototype was characterized and its spatial resolution, frequency response, sensitivity, robustness and directivity response were investigated. An imaging method called Lorentz Force Electrical Impedance Tomography was also studied. In this method, a biological tissue is vibrated by ultrasound in a magnetic field, which induces an electrical current by Lorentz force. The electrical impedance of the tissue can be deduced from the measurement of the current. This technique was applied for imaging a gelatin phantom, a beef muscle sample, and a thermal lesion in a chicken breast sample. This showed the method may be useful for providing additional contrast to conventional ultrasound imaging. Finally, this thesis demonstrated that shear waves can be generated in soft tissues using Lorentz force. This work was performed by applying an electrical current with two electrodes in a soft solid placed in a magnetic field. Shear waves were observed in gelatin phantom and liver sample. The speed of the shear waves were used to compute elasticity and their source to map the electrical conductivity of the samples

Dans cette thèse, nous avons étudié la dynamique d'aimantation selon deux échelles de temps en utilisant la technique pompe-sonde magnéto-optique résolue en temps. A l'échelle de la picoseconde, la précession de l'aimantation est induite par des impulsions acoustiques dans des structures multicouches composées de deux couches ferromagnétique séparées par une couche métallique (Ni/Au/Py) avec différentes épaisseurs. La synchronisation de la précession des couches ferromagnétiques couplées a été observée. La modification de la précession de l'aimantation d'une couche de Ni est due l'interaction d'échange intercouche avec la couche Py. A l'échelle de 50fs, nous avons étudié la dynamique magnéto-optique cohérente, athermale, thermale et la relaxation des charges et des spins dans (Ni, Co et Fe) par impulsions de 11 fs dans un régime de faible perturbation. L'interaction spin-orbite et l'interaction d'échange jouent un rôle significatif dans la désaimantation ultrarapide
In this thesis, we have investigated the magnetization dynamics at picosecond and femtosecond time scale using time resolved magneto-optical pump probe technique. At picosecond time scale, the magnetization precession is induced by ultrafast acoustic pulses in a three layered structure with two ferromagnetic layers separated by varying thickness of metallic spacer layer (Ni/Au/Py). The magnetization precession dynamics of the Ni layer is modified due to the interlayer exchange interaction with the Py layer and the synchronized precession of the coupied ferromagnetic layers has been observed. At the timescale of 50fs, coherent magneto-optical, non-thermal, thermal and relaxation dynamics of charges and spins in ferromagnetic transition metals (Ni, Co and Fe) is studied by using 11fs optical pulses in a very low perturbation regime. The spin orbit interaction and exchange interaction play a significant role in the demagnetization of the ferromagnetic metals induced by femtosecond pulses

Cancer is a major public health problem worldwide due to its poor prognosis. Detection of cancer in the earliest stages is crucial for the success of therapeutic strategies to truly cure the disease. Molecular imaging provides the potential to diagnose and image cancers at an asymptomatic stage. In molecular imaging, the nanoparticles are designed to target the cancer cells. Molecular imaging is capable of assessing the molecular processes within the tumors by detecting the accumulated or targeted nanoparticles. However, for most molecular imaging systems, the background signal is a common problem, obscuring signals from specific probes and limiting sensitive detection. A hybrid imaging technique, entitled magneto-photo-acoustic (MPA) imaging, was developed as a non-invasive imaging tool to detect nanoparticles, which are used to target pathologies, with high sensitivity and specificity. Based on dual-contrast of both optical absorption and magnetic susceptibility, MPA imaging can significantly improve the molecular contrast specificity as well as investigate the interaction of nanoparticles with cells. Studies were performed using tissue-mimicking phantoms, ex vivo tissue sample and in vivo animal models of cancer. The results indicate that, coupled with dual-contrast agent, the molecular MPA imaging will allow not only mapping the pathologies located in the body, but also sensing the molecular and physiological processes.
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碩士
中原大學
醫學工程研究所
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The concentration of oxygen inferior to 18% is anoxic static. In particular workplace or some patients who need to monitor oxygen concentration, it will cause to short of breath or feel dizzy if oxygen in short supply. Therefore to determinate the concentration of oxygen will be the safety index of being. The paramagnetic property can be used to detect the concentration of oxygen in the air. Pauling used dumb-bell framework to achieve the measurement in 1946. It has been carry out in currently available analyzers. The alternating magnetic field considered in place of the static magnetic method to determining the concentration of oxygen by comparing the different of pressure. The main goal of this research is to establish a magneto-acoustic oxygen concentration measurement system that can detect concentration under 20%. Using optical fiber microphone to detect double frequency magnitude of pressure wave by oxygen contract and free periodically in non-uniform magnetic field. It will be separated from the strong magnetic filed. Using finite element method can simulate the core in alternating magnetic generator. The structure of circular core can reduce unnecessary leakage. Determining the inside diameter by distribution of magnetic flux density. Considering practicability both of simulation and manufacture to determine the specifications is 340 turns and 2A. In paramagnetic measurement, determine the magnetic generator operating at low frequency can avoid the nature frequency of the chamber. The oxygen will perform the strong acoustic pressure wave different from the non-paramagnetic gas (nitrogen & carbon dioxide). It can prove that the acoustic pressure wave is result from the paramagnetic property of oxygen. The magnetic generator operating at 60Hz in this research, the quantitative measurement can determine the concentration of oxygen. The R2 in 0% to 100% and 0% to 20% is 0.9998 and 0.9951. The sensitivity is 2.82mV/%.

碩士
中原大學
醫學工程研究所
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The purpose of this project is to develop an oxygen concentration measurement system and to integrate it with a calibration system. The measurement principle is based on the strong paramagnetic property of oxygen molecule. By applying a strong alternating magnetic field on the sample cuvette, the oxygen molecule in the cuvette periodically concentrate and relax following the change in the strength of magnetic field. A doubled frequency of acoustic wave is generated in the cuvette. Its strength is proportional to the concentration of oxygen in the sample cuvette. This acoustic signal is picked up by a microphone and amplified by a tuning amplifier to increase the signal to noise ratio. In order to simplify the system and reduce the size and weight of the instrument, the strong electromagnet is directly driven by the 60Hz power line coupled through a transformer. To calibrate this oxygen measurement instrument, an automatic calibration system was also constructed. A mass flow controller is remote controlled to mix and provide different concentration of oxygen. The purge of sample cuvette by known concentration of oxygen is also controlled by solenoids. The acoustic signal is acquired, analyzed, and shown on screen for real time monitoring. The calibration of oxygen concentration measurement, from 0% to 100%, shows an R2 value of 0.997 and a sensitivity of 2.4 mV/%.