CN104535942A - 金属衬底支撑的微纳光纤高灵敏的磁场探针及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种金属衬底支撑的微纳光纤高灵敏的磁场探针及其方法，光源，用于产生在探头与磁场相作用的初级光信号；探针针体，将收到的光源发射来的光引入磁场，起传输作用；探针探头，与针体相衔接，置于磁场内部，在与磁场发生作用的同时，输出光信号用于检测；金属衬底，置于探针探头下方，与探头紧密贴合，用于将磁场作用范围以微纳级别靠近探头；偏振片，置于探头前方，使探头输出的光信号通过偏振片后经遮蔽和透过作用，提升偏振度；本发明由于采用微纳光纤提高了传感的灵敏度，提高了实验装置的可行性。高灵敏度微纳光纤磁场传感器在实际生活中用极短极细的光纤即可实现磁感应强度的准确探测，对于光纤磁场探测器来说是很大的突破。

Description

金属衬底支撑的微纳光纤高灵敏的磁场探针及其方法

技术领域

本发明涉及一种磁场探测传感器，尤其是一种金属衬底支撑的微纳光纤用于高灵敏度的磁场探测。

背景技术

随着电力系统的发展，系统对安全及稳定性的要求也越来越高。 电流互感器作为电力系统中进行电能计量和继电保护的重要设备 ，其准确度及可靠性与电力系统的安全、可靠和经济运行密切相关。

传统的电磁式电流互感器存在着诸多缺点，越来越难适应电力系统发展的需求。例如：绝缘结构复杂、体积大、易产生磁饱和铁磁谐振、存在磁滞等。虽然传统的电磁式电流互感器也在不断的改进，但这并不能从根本上改变其存在的缺点。与传统的电磁式电流互感器相比，光学电流互感器在以下几个方面都存在优势，例如：无铁心、高低压隔离、体积小、频率响应宽、适合数字化变电站要求。

因此，人们将目光转向新型电流互感器的研究，光学电流传感器在此背景下产生。光学电流传感器的种类很多，原理也各有不同。本文研究和分析基于法拉第(Michal Faraday)磁光效应的光学电流传感器。尽管有不少学者对基于法拉第磁光效应的光学电流传感器进行了大量研究，但大多数文献都从光学和磁性材料特性方面进行研究，鲜有文献对光电流微纳传感器的系统的研究 。

光纤磁场传感器属于典型的偏振态调制传光型光纤传感器，它是利用磁敏器件测量磁场，然后由光纤进行数据的传输。半导体激光器发出的光在经过光纤进入磁场后，通过偏振片变成线偏振光若有磁场存在且磁场方向和光传播矢量方向平行时，由于磁光晶体的法拉第磁致旋光效应，光的偏振方向将要发生旋转，通过光强记录数据可以显示相位的偏移，并计算出偏振度，由此可以侧面反映磁场强度的变化。由此，即可实现金属衬底的微纳光纤的磁感应强度探测器。

发明内容

本发明是要提供一种金属衬底支撑的微纳光纤高灵敏的磁场探针及其方法，目的在于使用金属衬底支撑的微纳光纤进行对磁场的高灵敏度探测。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种由金属衬底支撑的微纳光纤高灵敏的磁场探针，包括：光源，用于产生在探头与磁场相作用的初级光信号；光纤探针针体，将收到的光源发射来的光引入磁场，起传输作用；光纤探针探头，与针体相衔接，置于磁场内部，在与磁场发生作用的同时，输出光信号用于检测；金属衬底，置于光纤探针探头下方，与光纤探针探头紧密贴合，用于将磁场作用范围以微纳级别靠近探头；偏振片，置于光纤探针探头前方，使光纤探针探头输出的光信号通过偏振片后经遮蔽和透过作用，提升偏振度；光强探测仪，置于偏振片后方，用于检测通过偏振片输出的光信号大小。

所述光源为638 nm半导体激光，光源温度为25 ℃，光强为61.5 μw。

所述光纤探针探头由手工拉伸普通单模光纤而成，其直径在1-6μm之内，光纤头部探出衬底约10-20 μm。

所述金属衬底由对光的损耗极小的MgF₂材料制成，其表面镀厚度为100nm的金膜以及厚度为100nm的镍膜。

一种金属衬底支撑的微纳光纤高灵敏的磁场探针的制备方法，包括以下工序：

（1）    制备微纳光纤探针工序

第一步，光纤的熔接，用熔接机将两根光纤熔接在一起，将套好光纤热缩套管的光纤放到加热器中对其加热固定，至此完成光纤的焊接工作；

第二步，光纤探针探头的拉制，采用普通单模光纤并高温手工拉伸法拉制出尖端直径在1~6 μm的光纤探头；

第三步，金属衬底的制作，选择对光的损耗极小的MgF₂材料，通过对其表面镀不同的金属层来调节光的偏振度，达到增强偏振的效果，制作好的衬底用底架来支撑，保证探头呈水平状态，不发生弯折，将制作好的衬底粘在载玻片的前端并探出一半长度。

第四步，光纤探针探头与金属衬底的组合，在显微镜的低倍镜下找到金属衬底的边缘处，将拉制好的微纳光纤固定在三维调节架上，通过反复调节三维调节架使光纤前端与衬底紧密接触，光纤头部探出衬底10-20 μm，光纤后端用胶水将其固定在两小块玻璃片上；

（2）    构建实验平台

将光纤探针针体与光源相连接，将载有光纤探针探头的载玻片置于搭建好的平板上，使金属衬底部分位于磁场中心位置，并将360°偏振片，光强探测仪依次固定在磁场发生装置后端，使其都置于同一平面上，并使其中心位于同一直线，完成装置构建。

一种金属衬底支撑的微纳光纤高灵敏的磁场探针的使用方法，包括以下步骤：

步骤一：将电源控制器与高斯计经USB接口与计算机相应控制端口连接，打开电源开关，将感应探针放入磁场中，并设置磁场发生器的磁感应强度；

步骤二：用光源给光纤通光，将光纤探针体固定于搭建好的平板上，并将360°偏振片，光强探测仪依次固定在磁场发生器后端使其都置于同一平面上，并使其中心位于同一直线；

步骤三：完成装置搭建与初步测试后，校准磁感应强度为0 mT，在此条件下，将偏振片旋转360°并以10°为单位记录光强值于绘制好的表格中，然后以50 mT为单位，改变磁感应强度使其依次递增至350 mT，分别依上述方法记录数据于表中。

本发明的有益效果：

本发明采用的是微纳光纤，用作传感头的磁光材料具备良好的光学性能，基于金属衬底的光纤传感头明显地提高了光的偏振度，使光在磁场中发生的磁光效应更为明显，使实验出现了明显的效果。与普通粗光纤相比，微纳光纤大大缩小了光纤的直径，法拉第磁光效应要求所加磁场为方向与光的传播方向平行，目前所存在的各种光线磁场传感器都是在相互平行的条件下测量，本实验由于采用微纳光纤提高了传感的灵敏度使其在所加磁场与光的传播方向垂直的条件下依然有明显现象，有效提高了实验装置的可行性。高灵敏度微纳光纤磁场传感器在实际生活中用极短极细的光纤即可实现磁感应强度的准确探测，对于光纤磁场探测器来说是很大的突破。

附图说明

图1是实验装置模拟图；

图2是衬底镀金前后的偏振曲线图；

图3是不同磁场强度下偏振曲线的偏移图；

图4是镀金衬底不同光纤直径下的灵敏度对比图；

图5是镀镍衬底不同光纤直径下的灵敏度对比图；

图6和图7分别是同一光纤直径下镀金与镀镍不同衬底的偏振曲线对比图。

具体实施方式

以下结合附图与实施例对本发明作进一步描述。

如图1所示，一种由金属衬底支撑的微纳光纤高灵敏的磁场探针，包括：

（1）光源6，用于产生在探头与磁场相作用的初级光信号。光源为638 nm半导体激光，光源温度为25 ℃，光强为61.5 μw。

（2）光纤探针针体1，将收到的光源发射来的光引入磁场，起传输作用；探针针体由光纤熔接机焊接普通单模光纤，其损耗在0.01 dB以内

（3）光纤探针探头2，与针体相衔接，置于磁场内部，在与磁场发生作用的同时，输出光信号用于检测；光纤探针探头2由手工拉伸普通单模光纤而成，其直径在1-6μm之内，光纤头部探出衬底约10-20 μm，要求使用搭制的三维调节架在显微镜下与沉底紧密贴合且无明显弯曲。

（4）金属衬底4，置于光纤探针探头2下方，与光纤探针探头2紧密贴合，用于将磁场作用范围以微纳级别靠近探头。金属衬底4，使用对光的损耗极小的MgF₂材料，通过对其表面镀厚度为100nm的金膜以及厚度为100nm的镍膜，制作好的衬底需有底架来支撑，底架由一块载玻片，在其表面粘上两块小玻璃片起支撑作用，保证探头呈水平状态，不发生弯折，将制作好的衬底粘在载玻片的前端并探出一半长度；

（5）偏振片3，置于光纤探针探头2前方，使探头输出的光信号通过偏振片3后经遮蔽和透过作用，提升偏振度。

（6）光强探测仪7，置于偏振片 3后方，用于检测通过偏振片输出的光信号大小。

一种金属衬底支撑的微纳光纤高灵敏的磁场探针的制备方法，包括以下工序：

（1）    制备微纳光纤探针工序

第一步光纤的熔接，首先将黄色保护外皮包裹的光纤去皮，使用光纤钳将内保护层去掉，露出光纤线芯并套上光纤热缩管。在此过程中必然会对光纤线芯造成污染，需用纸巾蘸上乙醇对其小心擦拭，之后将光纤固定在光纤熔接机上。同样的方法将只有内保护层的光纤去皮对其清洁处理后固定在光纤熔接机上，通过熔接机将两根光纤熔接在一起。熔接完的光纤玻璃丝还露在外头，很容易折断，需将套好光纤热缩套管的光纤放到加热器中对其加热固定，至此完成光纤的焊接工作；

第二步，光纤探针探头2的拉制，采用普通单模光纤并高温手工拉伸法拉制出尖端直径在1-6 μm的光纤探头；

第三步，金属衬底4的制作，选择对光的损耗极小的MgF₂材料，通过对其表面镀不同的金属层来调节光的偏振度，达到增强偏振的效果。制作好的衬底需有底架来支撑，保证探头呈水平状态，不发生弯折，将制作好的衬底粘在载玻片的前端并探出一半长度。

第四步，光纤探针探头2与金属衬底4的组合，在显微镜的低倍镜下找到金属衬底4的边缘处，将拉制好的微纳光纤固定在三维调节架上，通过反复调节三维调节架使光纤前端与金属衬底4紧密接触，光纤头部探出衬底约10-20 μm，光纤后端用胶水将其固定在两小块玻璃片上。至此探针制备完成。

（2）    构建实验平台

将光纤探针针体1与光源6相连接，将载有光纤探针探头2的载玻片置于搭建好的平板上，使金属衬底4部分位于磁场中心位置，并将360°偏振片3，光强探测仪7依次固定在磁场发生器5后端使其都置于同一平面上，并使其中心位于同一直线，即可完成装置构建。

一种金属衬底支撑的微纳光纤高灵敏的磁场探针的使用方法，包括以下步骤：

步骤一：将电源控制器与高斯计经USB接口与计算机相应控制端口连接，打开电源开关，将光纤探针针体1放入磁场中，通过磁场发生器5软件即可设置磁感应强度；

步骤二：用光源6给光纤通光，将光纤探针针体1固定于搭建好的平板上，并将360°偏振片3，光强探测仪7依次固定在磁场发生器5后端使其都置于同一平面上，并使其中心位于同一直线，以获得较好的效果。

步骤三：完成装置搭建与初步测试后，校准磁感应强度为0 mT，在此条件下，将偏振片3旋转360°并以10°为单位记录光强值于绘制好的表格中，然后以50 mT为单位，改变磁感应强度使其依次递增至350 mT，分别依上述方法记录数据于表中即可。

图2给出了衬底镀金前后的偏振曲线图，由图2分析可知镀金后偏振度明显增大，说明光的偏振性变好。

图3给出了在金属衬底支撑的微纳光纤的光强在不同磁场强下的偏振曲线，由图3看出随着磁场的增加，偏振曲线发生了偏移。

图4给出了在镀金衬底下不同光纤直径的灵敏度对比图，两根光纤直径分别为1.6 μm和3.25 μm ，说明直径越小灵敏度越高。

图5给出了在镀镍条件下不同光纤直径的灵敏度对比图，两根光纤的直径分别为1.19 μm和5.86 μm，同样说明直径越小灵敏度越高。

图6和图7给出了同一光纤直径下镀金与镀镍不同衬底的偏振曲线对比图，由图6，7可以看出镀镍衬底偏振曲线比镀金衬底偏振曲线的偏移明显大，说明磁性材料衬底比抗磁性材料衬底的灵敏度高。

Claims (8)

1.一种金属衬底支撑的微纳光纤高灵敏的磁场探针，其特征在于，包括：

1)光源（6），用于产生在探头与磁场相作用的初级光信号；

2) 光纤探针针体（1），将收到的光源发射来的光引入磁场，起传输作用；

3) 光纤探针探头（2），与针体相衔接，置于磁场内部，在与磁场发生作用的同时，输出光信号用于检测；

4)金属衬底（4），置于光纤探针探头（2）下方，与光纤探针探头（2）紧密贴合，用于将磁场作用范围以微纳级别靠近探头；

5)偏振片（3），置于光纤探针探头（2）前方，使光纤探针探头（2）输出的光信号通过偏振片后经遮蔽和透过作用，提升偏振度；

6）光强探测仪（7），置于偏振片（3）后方，用于检测通过偏振片输出的光信号大小。

2.根据权利要求1所述的金属衬底支撑的微纳光纤高灵敏的磁场探针，其特征在于：所述光源（6）为638 nm半导体激光，光源温度为25 ℃，光强为61.5 μw。

3.根据权利要求1所述的金属衬底支撑的微纳光纤高灵敏的磁场探针，其特征在于：所述光纤探针针体（1）由光纤熔接机焊接普通单模光纤制成。

4.根据权利要求1所述的金属衬底支撑的微纳光纤高灵敏的磁场探针，其特征在于：所述光纤探针探头（2）由手工拉伸普通单模光纤而成，其直径在1-6μm之内，光纤头部探出衬底约10-20 μm。

5.根据权利要求1所述的金属衬底支撑的微纳光纤高灵敏的磁场探针，其特征在于：所述金属衬底（4）由对光的损耗极小的MgF₂材料制成，其表面镀厚度为100nm的金膜以及厚度为100nm的镍膜；所述金属衬底（4）置于底架（8）上，底架由一块载玻片和支撑衬底构成，载玻片表面粘上两块小玻璃片作为支撑，金属衬底（4）粘在载玻片的前端并探出一半长度。

6.根据权利要求1所述的金属衬底支撑的微纳光纤高灵敏的磁场探针，其特征在于：所述偏振片（3）为360°偏振片。

7.一种权利要求1-6任一所述的金属衬底支撑的微纳光纤高灵敏的磁场探针的制备方法，包括以下工序：

制备微纳光纤探针工序

第一步，光纤的熔接，用熔接机将两根光纤熔接在一起，将套好光纤热缩套管的光纤放到加热器中对其加热固定，至此完成光纤的焊接工作；

第二步，光纤探针探头（2）的拉制，采用普通单模光纤并高温手工拉伸法拉制出尖端直径在1-6 μm的光纤探头；

第三步，金属衬底（4）的制作，选择对光的损耗极小的MgF₂材料，通过对其表面镀不同的金属层来调节光的偏振度，达到增强偏振的效果，制作好的衬底用底架来支撑，保证探头呈水平状态，不发生弯折，将制作好的衬底粘在载玻片的前端并探出一半长度；

第四步，光纤探针探头（2）与金属衬底（4）的组合，在显微镜的低倍镜下找到衬底的边缘处，将拉制好的微纳光纤固定在三维调节架上，通过反复调节三维调节架使光纤前端与金属衬底（4）紧密接触，光纤头部探出金属衬底（4）10-20 μm，光纤后端用胶水将其固定在两小块玻璃片上；

构建实验平台

将光纤探针针体（1）与光源（6）相连接，将载有光纤探针探头（2）的底架（8）置于搭建好的平板上，使金属衬底（4）位于磁场中心位置，并将360°偏振片（3），光强探测仪（7）依次固定在磁场发生器（5）后端使其都置于同一平面上，并使其中心位于同一直线，完成装置构建。

8.一种权利要求1-6任一所述的金属衬底支撑的微纳光纤高灵敏的磁场探针的使用方法，包括以下步骤：

步骤一：将电源控制器与高斯计经USB接口与计算机相应控制端口连接，打开电源开关，将光纤探针探头（2）放入磁场中，并设置磁场发生器（5）的磁感应强度；

步骤二：用光源（6）给光纤通光，将光纤探针体（1）固定于搭建好的平板上，并将360°偏振片（3），光强探测仪（7）固定在磁场发生器（5）后端，使其置于同一平面上，并使中心位于同一直线；

步骤三：完成装置搭建与初步测试后，校准磁感应强度为0 mT，在此条件下，将偏振片（3）旋转360°并以10°为单位记录光强值于绘制好的表格中，然后以50 mT为单位，改变磁感应强度使其依次递增至350 mT，分别依上述方法记录数据于表中。