CN103278782A - 一种基于磁流体及微纳光纤倏逝场的磁场传感器 - Google Patents

Abstract

一种基于磁流体及微纳光纤倏逝场的磁场传感器，包括激光光源、单模光纤、磁流体、微纳光纤、光电探测器、基于熔接形成的模式耦合元件。激光光源通过单模光纤与浸没磁流体的微纳光纤连接，当光沿着微纳光纤传输时有一大部分能量以倏逝场的形式进行传输，微纳光纤增强了光场与外界物质相互作用，外界磁场的变化会引起浸没微纳光纤的磁流体的折射率的变化，即微纳光纤周围环境的折射率发生变化，一部分光通过纤芯继续传播，另一部分光以倏逝场的形式在微纳光纤与磁流体界面上传导，入射到后端普通单模光纤后耦合入包层中。这两部分光经过基于熔接形成的模式耦合元件处包层模式耦合到纤芯，然后会与剩余的纤芯模式发生干涉，最终进入光电探测器中。通过检测干涉后光的强度就可以解调出磁场信息。

Description

一种基于磁流体及微纳光纤倏逝场的磁场传感器

技术领域

本发明属于光纤元件及光纤传感领域，具体涉及一种基于磁流体及微纳光纤倏逝场的磁场传感器。

背景技术

磁场测量是电磁测量技术的一个重要分支。在工业生产和科学研究的许多领域都要涉及到磁场测量问题。如：电流测量、磁探矿、磁悬浮列车、地质勘探、同位素分离、质谱仪、电子束和离子束加工装置、受控热核反应，以及人造地球卫星等，甚至在医学和生物学方面也有应用。例如，磁场疗法治病，用“心磁图”、“脑磁图”来诊断疾病，环境磁场对生物和人体的作用，以及磁现象与生命现象的研究等都需要磁场测量技术和测磁仪器的研制，因此，磁场的测量技术与人们的生活密切相关。

传统的磁场传感器是以电测试原理为主，如霍尔效应和电磁感应原理，已经有成熟产品。但作为电测原理的传感器往往易受电磁干扰、容易磁饱和等，因而光学式的磁场传感器越来越受到关注。光纤作为一种本质绝缘的材料在磁场传感方面有着独有的优点，除了不受电磁干扰还有体积轻、重量小、精度高,易于形成分布式测量等优点。所以在过去的几年里已经得到了广泛的研究，并且在传感应用中发挥着重大的作用。亚波长直径微纳光纤是指光纤直径小于传输波长在微米或纳米量级的光纤，微纳光纤表现出一些不同于普通光纤的光学特性。亚波长直径微纳光纤的大比例倏逝波传输的光学特性，使得微纳光纤对附近及表面介质的变化非常敏感，具有极高的灵敏度。

磁流体即磁性流体，简称磁液。它是一种光学特性随外加磁场强度变化的特殊的新型纳米功能材料。它在静态时无磁性吸引力；当外加磁场作用时，才表现出磁性。这种胶状液体既有固体磁性材料的强磁性，又有液体的流动性。同时，在外磁场的作用下，磁流体中的纳米磁性粒子的磁矩会沿外磁场取向，并彼此相吸而排列成链[3]，从而表现出多变的微结构。理论和实验证明，磁流体这种复杂多变的微结构使其具有各种奇特的光学性质，如：可调谐折射率、二向色性、磁致双折射、起偏特性、Faraday效应等

磁流体这些独特的光学性质在制作高性能可调谐光子器件方面表现出很好的应用潜力。随着光纤光子学的迅速发展，磁流体的磁光特性作为一种重要的物理现象和操控光波传输的手段逐渐在光纤技术中得到广泛的研究。然而，光纤作为磁流体的重要载体，其结构特征和模场特性在很大程度上影响着磁流体磁光特性物理内涵的丰富性。

发明内容

本发明的目的解决现有技术中结构单一且灵敏度不高的问题，本发明是结合微纳光纤倏逝场传输的光学特性和磁流体的可调谐折射率，提出一种基于磁流体及微纳光纤倏逝场的磁场传感器。该传感器具有灵敏度高、结构简单、体积小、结构紧凑等优点，具有广泛的应用前景。

本发明提供的基于磁流体及微纳光纤倏逝场的磁场传感器，包括激光光源、单模光纤、磁流体、微纳光纤、光电探测器、基于熔接形成的模式耦合元件；所述的激光光源通过单模光纤与浸没在磁流体中的微纳光纤连接，微纳光纤的另一端与基于熔接形成的模式耦合元件连接，基于熔接形成的模式耦合元件再通过单模光纤连接光电探测器；

由于微纳光纤的作用，激光光源发出的一部分光通过单模光纤纤芯继续传播，另一部分光以倏逝场的形式在微纳光纤与磁流体界面上传导，入射到后端的单模光纤后耦合入单模光纤的包层中，这两部分光经过基于熔接形成的模式耦合元件处的包层模式耦合到纤芯，然后会与剩余的纤芯模式发生干涉，最终进入光电探测器中。

所述的微纳光纤外套装有毛细管，在毛细管中浸入磁流体，毛细管的两端以石蜡封装。

所述的基于熔接形成的模式耦合元件是在熔接机上完成，包括：错位熔接，双锥体放电熔接（UFBT），花生形状熔接（peanut fusion），锥形熔接等。

所述的磁流体作为敏感介质，在被测磁场作用下，其折射率将发生变化，导致单模光纤的包层模式的相位发生变化，即干涉光强发生变化，从而实现磁场检测。

本发明制作的基于磁流体及微纳光纤倏逝场的磁场传感器的工作原理：

本发明是基于磁流体及微纳光纤倏逝场的磁场传感器。当光沿着微纳光纤传输时有一大部分能量以倏逝场的形式进行传输，微纳光纤增强了光场与外界物质相互作用，外界磁场的变化会引起浸入在微纳光纤的磁流体的折射率的变化，即微纳光纤周围环境的折射率发生变化，在经过基于熔接形成的模式耦合元件时，包层模式耦合到纤芯并与剩余的纤芯模式发生干涉。

干涉光强与相位差之间的关系：I∞(1+cosδ)，其中,而

。其中I是入射光强，λ是入射波长，Ｌ是浸有磁流体微纳光纤的长度，δ是耦合回纤芯的包层模式与剩余的纤芯模式之间的相位差，是纤芯的折射率，是光纤包层的有效折射率，其中

容易受到外界环境磁场的变化影响。所以通过检测干涉就可以解调出磁场信息，即通过光电探测器的检测干涉光强就可以解调出磁场信息。

本发明的优点和有益效果：

本发明方法具有敏感性强，集成度高，可操作性强等优点，可以广泛应用于光纤传感领域，其磁控滤波特性为光纤通信领域提供一种新的滤波方法。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中浸没磁流体的微纳光纤的结构图及原理图；

图3是基于熔接形成的模式耦合元件的光路原理示意图。

图中：1.激光光源，2.光电探测器，3.微纳光纤，4.基于熔接形成的模式耦合元件，5.单模光纤，6.毛细管，7.石蜡，8.磁流体，9.纤芯,10.包层。

具体实施方式

为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

如图1所示，本发明提供的基于磁流体及微纳光纤倏逝场的磁场传感器，包括激光光源1、光电探测器2、微纳光纤3、单模光纤5、基于熔接形成的模式耦合元件4。激光光源1通过单模光纤5与浸没在磁流体8中的微纳光纤3连接，微纳光纤的另一端与基于熔接形成的模式耦合元件4连接，基于熔接形成的模式耦合元件再通过单模光纤连接光电探测器2。所述的微纳光纤3外套装有毛细管6，在毛细管中浸入磁流体8，毛细管的两端以石蜡7封装，见图2。

由于微纳光纤3的作用，激光光源1发出的一部分光通过纤芯9继续传播，另一部分光以倏逝场的形式在微纳光纤与磁流体界面上传导，入射到后端普通单模光纤后耦合入其包层10中，然后这两部分光经过基于熔接形成的模式耦合元件4处时，包层模式耦合入纤芯与剩余的纤芯模式干涉，最终进入光电探测器2中，见图3。

所述填充有磁流体的微纳光纤3的处理过程如下：首先微纳光纤是采用火焰加热一步拉伸的方法拉制而成，将去掉涂覆层的固定在电动平移台上，采用氢气火焰来加热裸光纤，裸光纤加热处于熔融状态，通过控制两端步进电机的速度和行程得到所需尺寸的微纳光纤。然后将毛细管6套入到微纳光纤上，并用夹持台紧致微纳光纤，并在毛细管6中浸入磁流体8。在毛细管6的两端，以石蜡7封装，冷却后得到浸有磁流体的微纳光纤3。见图2。本发明所用的微纳光纤的纤芯直径为200nm。

所述的基于熔接形成的模式耦合元件4是在熔接机上完成的，以花生形状熔接为例，首先在熔接机上两段单模光纤端口有一定距离情况下，熔接机放电形成两个椭圆状端口，然后再将两个椭圆状端口在过熔的条件下，再次熔接。

当光从激光光源1发出后，经过微纳光纤3时，有一大部分能量以倏逝场的形式进行传输，大大增强了光场与外界物质相互作用。当磁场作用于浸有磁流体的毛细管6时，磁流体8的折射率发生变化，即微纳光纤3周围环境的折射率发生变化，一部分光通过纤芯继续传播，另一部分光耦合到包层中，这样就会产生相位差。但是在经过基于熔接形成的模式耦合元件4时，包层模式耦合回纤芯并与剩余的纤芯模式发生干涉。

测试过程中，将基于磁流体及微纳光纤倏逝场的磁场传感器固定在支撑架以保证伸直。

Claims (3)

1.一种基于磁流体及微纳光纤倏逝场的磁场传感器，其特征在于：该磁场传感器包括激光光源、单模光纤、磁流体、微纳光纤、光电探测器、基于熔接形成的模式耦合元件；所述的激光光源通过单模光纤与浸没在磁流体中的微纳光纤连接，微纳光纤的另一端与基于熔接形成的模式耦合元件连接，基于熔接形成的模式耦合元件再通过单模光纤连接光电探测器；

由于微纳光纤的作用，激光光源发出的一部分光通过纤芯继续传播，另一部分光以倏逝场的形式在微纳光纤与磁流体界面上传导，入射到后端的单模光纤后耦合入单模光纤的包层中，这两部分光经过基于熔接形成的模式耦合元件处的包层模式耦合到纤芯，然后与剩余的纤芯模式发生干涉，最终进入光电探测器中。

2.根据权利要求1所述的磁场传感器，其特征在于：所述的微纳光纤外套装有毛细管，在毛细管中浸入磁流体，毛细管的两端以石蜡封装。

3.根据权利要求1或2所述的磁场传感器，其特征在于：所述的基于熔接形成的模式耦合元件是在熔接机上完成：首先在熔接机上两段单模光纤端口有一定距离情况下，熔接机放电形成两个椭圆状端口，然后再将两个椭圆状端口在过熔的条件下，再次熔接。

Images