CN105842637A - 一种基于多模干涉光学微腔的超灵敏度磁场传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多模干涉光学微腔的超灵敏度磁场传感器。由固定封装在一起的微纳光纤、微管和磁流体构成光学微腔，微纳光纤以螺旋方式缠绕在微管外壁，微管中空，内部封装有磁流体，微纳光纤输入、输出端分别连接宽谱光源和光谱分析仪，微纳光纤缠绕在微管外壁的部分作为光纤环绕区，电磁波在其中可发生多模干涉；电磁波由宽谱光源发出，经微纳光纤传输至光纤环绕区，光纤环绕区中电磁波的倏逝波部分能够穿过微管管壁进入磁流体，经过此光学微腔的电磁波再经微纳光纤输出至光谱分析仪。本发明中设置了将微纳光纤环绕在微管上的结构，大大增加了电磁波与磁流体的接触，从而使其具有更高的灵敏度。

Description

一种基于多模干涉光学微腔的超灵敏度磁场传感器

技术领域

本发明涉及一种基于多模干涉光学微腔的超灵敏度磁场传感器，尤其是具有极高灵敏度的磁场传感器。

背景技术

光学微腔是一种重要的光子学器件，具有高品质因数和小模式体积的优点，在基础和应用领域受到广泛关注，例如腔量子电动力学、非线性光学、极低阈值微腔激光器、高灵敏度传感器等。具有回音壁谐振模式的光学微腔传感器体积小、灵敏度高、探测极限低，而且能对生物化学分子实现无标记检测，检测可信度高，非常具有实用价值。

磁流体是将包裹上表面活性剂的强磁性颗粒均匀分散在合适载液中所形成的一种稳定胶体溶液。作为一种新的功能性材料，磁流体有很多独特的磁光特性，如可调折射率特性、热透镜效应、法拉第效应、双折射效应、磁致伸缩效应等。磁流体的这些性质已经被开发应用到很多光学器件中，比如说滤光镜、可调光学开关、磁光调制器等等。诸多性质之中，可调谐折射率特性的应用最为广泛，利用这一特性制作的光学器件和实现的传感方案越来越多。

普通磁场传感器具有感应灵敏度不高的缺点。如果将回音壁模式光学微腔的高灵敏度特性和磁流体的可调谐折射率特性相结合，那么即可实现高灵敏度的磁场传感。其基本原理如下：光学微腔置于待测磁场下，在外加磁场的作用下，磁流体的折射率发生变化，即实现了整个装置的作为滤波器的调谐，最终导致输出光信号的谐振波长发生变化，通过对输出信号进行解调便可检测待测磁场的信息。

发明内容

本发明针对目前磁场传感器灵敏度不高的问题，提出了一种基于多模干涉光学微腔的超灵敏度磁场传感器。

本发明采用的技术方案如下：

本发明包括固定封装在一起的微纳光纤、微管和磁流体而形成的光学微腔，该光学微腔具有多模波导的多模干涉的特征，光学微腔将磁场信号转化为光信号，微纳光纤以螺旋方式缠绕在微管的外壁，并引出两端分别作为输入端和输出端，微管的内部中空封装有磁流体，微纳光纤的输入端和输出端分别连接宽谱光源和光谱分析仪，微纳光纤缠绕在微管外壁的部分作为光纤环绕区；光线由宽谱光源发出，经过微纳光纤传输至光纤环绕区，光纤环绕区中电磁波的倏逝波部分能够穿过微管管壁进入磁流体，经过此光学微腔的电磁波再传输至微纳光纤，最终输出至光谱分析仪。

所述的微管为筒体结构，磁流体填充在筒体中，微管管壁和磁流体之间没有任何气泡或间隙。

所述的微纳光纤、微管和磁流体外面通过固化胶包裹固化，固化胶固化前为液态，固化后为固态，且固化胶折射率比所述微纳光纤纤芯的折射率小。将光纤环绕区与微管完全封装固定的封装技术中，固化方法不仅限于紫外固化方法。

所述的微纳光纤缠绕在微管筒体的外圆柱周面上，形成光纤环绕区。

所述的微纳光纤横截面为圆形，直径在微米量级；微管的横截面为环形，管壁厚度在微米量级。

所述的微纳光纤缠绕在微管上的光纤环绕区环绕匝数可以是分数，可以根据光源波长、微管管壁及磁流体的参数优化计算获得。

进一步的，光学微腔将磁场信号转化为光信号的原理为：

(1)所述回音壁模式的光学微腔是一个滤波器，波长满足一定条件的电磁波更容易通过该结构并继续传播到光谱分析仪中，形成相应的频谱；

(2)光学微腔当中装的磁流体的折射率与外界的磁场大小有关，由于电磁波被耦合到光学微腔中，能通过微腔的电磁波的频谱会随着磁流体折射率的改变而发生一对一的变化，即相对于原来的频谱(不加磁场)发生一定的偏移，于是，磁场信息便被整合到了电磁波的频谱当中了，通过观察频谱，便能推算出所加磁场的大小。

光学微腔是一个十分微小(微米量级)精密的器件，任何污渍或灰尘都会损坏其功能，因此，将该结构完全浸入到还未固化的液态固化胶中，然后用紫外线照射使固化胶固化，以防止其被污染或侵蚀，同时也能使其相对位置保持固定。

因此，磁流体和固化胶的折射率须比微纳光纤的纤芯的折射率小，从而使电磁波限制在微纳光纤中传播而不逃散。

本发明的有益效果为：

本发明将光学微腔的滤波性质与磁流体的可调折射率特性相结合，充分利用了光学微腔的高品质因数和磁流体的高磁场敏感性的优势，并且采用了将微纳光环绕在微管上的特殊结构，从而能够制作出具有极高灵敏度的磁场传感器。

附图说明

图1为本发明的整体模块框图。

图2为本发明中光学微腔的结构示意图。

图中：1.宽谱光源，2.微纳光纤，3.微管，4.磁流体，5.固化胶，6.光谱分析仪。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，本发明包含三个模块：宽谱光源1，光学微腔和光谱分析仪6，宽谱光源1的输出口用微纳光纤2连接到光学微腔，光学微腔用于将磁场信号转化为光信号，然后再连接到光谱分析仪6的输入口。

如图2所示，光学微腔包括固定封装在一起的微纳光纤2、微管3和磁流体4，微纳光纤2以螺旋方式缠绕在微管3的外壁，并引出两端分别作为输入端和输出端，微管3的内部中空封装有磁流体4，微纳光纤2的输入端和输出端分别连接宽谱光源1和光谱分析仪6，微纳光纤2缠绕在微管3外壁的部分作为光纤环绕区。

光线由宽谱光源1发出，经过微纳光纤2传输至光纤环绕区，光纤环绕区中电磁波的倏逝波部分能够穿过微管3管壁进入磁流体4，经过此光学微腔的电磁波再经微纳光纤2输出至光谱分析仪6。

具体实施中，在一个微管3中装满磁流体4，两端用密封胶封住并保持洁净，再将所述的微纳光纤2环绕在微管3上，就形成了一个光学环形谐振腔，其具有多模波导的多模干涉的特征；将该结构完全浸入固化胶中并使固化胶固化，起到保护该结构的作用。

微管3为筒体结构，磁流体4填充在筒体中，微管3管壁和磁流体4之间没有任何气泡或间隙，微纳光纤2缠绕在微管3筒体的外圆柱周面上，形成光纤环绕区，其中微管外径可用但不仅限于120um，壁厚可用但不仅限于4um，微纳光纤直径可用但不仅限于300nm；微纳光纤2、微管3和磁流体4外面通过固化胶5包裹固化，固化胶5固化前为液态，固化后为固态，且固化胶5折射率比所述微纳光纤2纤芯的折射率小。

本发明的具体实施过程如下：

先采用以下方式构造光学微腔：在微管3中用试管吸入磁流体4，此时磁流体4充满于微管3内腔，用密封胶将微管3两端封口，将微纳光纤2多圈环绕在微管3上，形成螺旋形，上下微纳光纤2之间具有间隔。接着在上述结构表面覆上起保护功能的固化胶5，将整个上述结构浸入到液态的固化胶5当中，然后用紫外线照射使其固化。

光学微腔置于待测磁场内，由宽谱光源产生的稳定均匀的宽谱电磁波经由微纳光纤传播到光学微腔中，光学微腔能将外界的磁场信息整合到通过该装置的电磁波中，然后该经过加工的电磁波继续经由微纳光纤传播到光谱分析仪中，通过分析光谱分析仪中的电磁波频谱，能够得到相应的磁场大小。经实验分析，该磁场传感器的灵敏度可达约800nm/RIU。

由此可见，本发明将充分利用了光学微腔的高品质因数和磁流体的高磁场敏感性的优势，采用了所述的特定特殊结构，形成的磁场传感器具有极高灵敏度，具有突出显著的技术效果。

Claims (6)

1.一种基于多模干涉光学微腔的超灵敏度磁场传感器，其特征在于：包括固定封装在一起的微纳光纤(2)、微管(3)和磁流体(4)而形成的光学微腔，光学微腔将磁场信号转化为光信号，微纳光纤(2)以螺旋方式缠绕在微管(3)的外壁，并引出两端分别作为输入端和输出端，微管(3)的内部中空封装有磁流体(4)，微纳光纤(2)的输入端和输出端分别连接宽谱光源(1)和光谱分析仪(6)，微纳光纤(2)缠绕在微管(3)外壁的部分作为光纤环绕区；电磁波由宽谱光源(1)发出，经过微纳光纤(2)传输至光纤环绕区，光纤环绕区中电磁波的倏逝波穿过微管(3)管壁进入磁流体(4)，经过光学微腔的电磁波再传输至微纳光纤(2)，最终输出至光谱分析仪(6)。

2.根据权利要求1所述的一种基于多模干涉光学微腔的超灵敏度磁场传感器，其特征在于：所述的微管(3)为筒体结构，磁流体(4)填充在筒体中，微管(3)管壁和磁流体(4)之间没有任何气泡或间隙。

3.根据权利要求1所述的一种基于多模干涉光学微腔的超灵敏度磁场传感器，其特征在于：所述的微纳光纤(2)、微管(3)和磁流体(4)外面通过固化胶(5)包裹固化，且固化胶(5)折射率比所述微纳光纤(2)纤芯的折射率小。

4.根据权利要求2所述的一种基于多模干涉光学微腔的超灵敏度磁场传感器，其特征在于：所述的微纳光纤(2)缠绕在微管(3)筒体的外圆柱周面上，形成光纤环绕区。

5.根据权利要求1所述的一种基于多模干涉光学微腔的超灵敏度磁场传感器，其特征在于：所述的微纳光纤(2)横截面为圆形，直径在微米量级；微管(3)的横截面为环形，管壁厚度在微米量级。

6.根据权利要求1所述的一种基于多模干涉光学微腔的超灵敏度磁场传感器，其特征在于：所述的微纳光纤(2)缠绕在微管(3)上的光纤环绕区环绕匝数根据光源波长、微管(3)管壁及磁流体(4)的参数优化计算获得。