CN106842077A - 一种基于镀银倾斜光纤光栅包覆磁流体的磁场传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于镀银倾斜光纤光栅包覆磁流体的磁场传感器，由宽带光源，偏振控制器，光纤环行器，单模光纤，蝶形锥，倾斜光纤光栅，银膜，毛细管，磁流体，环氧树脂，磁场发生器和光纤光谱仪组成。创新地将蝶形锥与镀银倾斜光纤光栅级联，外磁场调谐磁流体的折射率引起表面等离子共振条件改变，反射谱中的共振峰发生漂移，由此构成一种结构新颖的高灵敏度光纤磁场传感器。蝶形锥没有波长选择性可以耦合宽波长范围的包层模。离散的包层模被统一的SPR共振模所取代并回收，大幅提升了该传感器的灵敏度和稳定性。因此，该发明具有结构紧凑，灵敏度高，灵活性高，响应速度快的优点，是一种较为优化的方案。
Description
技术领域
本发明属于光纤磁场传感技术领域，具体涉及一种基于镀银倾斜光纤光栅包覆磁流体的磁场传感器。
背景技术
光纤磁场传感技术主要致力于弱磁性目标探测，服务于实际的工程和军事应用。按照感应机理的不同，光纤磁场传感器可分为悬臂梁-光纤光栅结构的磁场传感器，基于磁致伸缩材料的光纤磁场传感器和基于磁流体的光纤磁场传感器等不同类型。
表面等离子共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)现象是金属和电介质分界处入射光场在满足能量与动量匹配的条件下，激发金属表面自由电子形成表面等离子体波的一种物理光学现象。SPR传感技术在生命科学、医疗检测、环境监测以及法医鉴定等领域具有广泛的应用需求。
倾斜光纤光栅(tilted fiber Bragg grating，TFBG)能够反射一部分光场进入包层，在TFBG表面镀上活性金属薄膜(如Au，Ag等)以后，包层模以不同角度入射到包层与金属膜的分界面，满足表面等离子共振条件而激励表面等离子体波。这种方式不像传统的衰减全反射(如Kretschrnann棱镜结构)需要改变光场的入射方向，也降低了对包层厚度的控制要求。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于镀银倾斜光纤光栅包覆磁流体的磁场传感器。创新地将蝶形锥与镀银倾斜光纤光栅级联，外磁场调谐磁流体的折射率引起表面等离子共振条件改变，反射谱中的共振峰发生漂移，由此构成一种结构新颖的高灵敏度光纤磁场传感器。该设计具有结构紧凑，灵敏度高，实时，快速的突出优点，是一种较优的设计方案。
本发明通过以下技术方案实现：一种基于镀银倾斜光纤光栅包覆磁流体的磁场传感器，其特征在于：由宽带光源(1)，偏振控制器(2)，光纤环行器(3)，单模光纤(4)，蝶形锥(5)，倾斜光纤光栅(6)，银膜(7)，毛细管(8)，磁流体(9)，环氧树脂(10)，磁场发生器(11)和光纤光谱仪(12)组成；宽带光源(1)通过偏振控制器(2)与光纤环行器(3)的a端口相连，光纤环行器(3)的b端口与单模光纤(4)的左端相连；单模光纤(4)，蝶形锥(5)，倾斜光纤光栅(6)依次连接，倾斜光纤光栅(6)包层外均匀镀有银膜(7)，一起置于毛细管(8)的轴心处；毛细管(8)内部填充磁流体(9)，两端用环氧树脂(10)密封，置于磁场发生器(11)的中部；光纤环行器(3)的c端口与光纤光谱仪(12)相连。
所述的蝶形锥(5)的锥区直径为70μm～80μm，锥区长度为90μm～95μm，球形纤芯半径为20μm～25μm。
所述的倾斜光纤光栅(6)的有效倾斜角度为10°～12°，栅区长度为10mm～12mm，栅区前端与蝶形锥(5)中心的距离为5mm～10mm。
所述的银膜(7)的膜厚为50nm～60nm，镀膜长度为30mm～80mm。
所述的磁流体(9)的密度为1.8g/cc，饱和磁化强度为220Gauss，纳米磁性颗粒的平均直径为10nm。
本发明的工作原理是：宽带光源(1)经过偏振控制器(2)产生一束偏振光从光纤环行器(3)的a端口入射，沿b端口出射，经单模光纤(4)和蝶形锥(5)进入倾斜光纤光栅(6)。倾斜光纤光栅(6)中倾斜的栅面改变了光场耦合条件，在包层内激励出一系列与波长有关的包层模发生反向传输。在倾斜光纤光栅(6)的表面均匀镀上一定厚度的银膜(7)，以不同角度入射到包层-银膜(7)分界面的包层模满足耦合表面等离子的能量与动量匹配条件，其倏逝波激发银膜(7)表面自由电子产生表面等离子共振。包层模进一步被蝶形锥(5)回收，经单模光纤(4)返回光纤环行器(3)的b端口，从c端口被光纤光谱仪(12)接收和解调。当磁流体(9)的折射率跟随外界磁场强度发生变化，引起表面等离子共振条件改变，反射谱中的共振峰峰值波长发生漂移，监测波长漂移量解调出外界磁场强度信息。
利用毛细管(8)将磁流体(9)包覆在光纤表面，环氧树脂(10)起到密封作用。磁场发生器(11)用于产生恒定的磁场并实时读取强度数值以进行标定。
倾斜光纤光栅(6)的倾斜角度和有效光栅周期决定相位匹配条件，Bragg模和各阶包层模满足的相位匹配条件分别为
λBragg＝2neff，core*Λ/cos(θ) (1)
Λ＝ΛT*cos(θ) (3)
式中，θ为栅平面的倾斜角度，λBragg为Bragg波长，为第i阶包层模波长，和分别表示纤芯和包层在波长为时的有效折射率，Λ为θ＝0°时的光栅周期，ΛT为倾斜光纤光栅(6)的有效光栅周期。
磁流体(9)的折射率与纳米磁性颗粒的排列方式有关。在磁场下，纳米磁性颗粒形成磁场方向上的链状结构，导致磁流体(9)有效介电常数的变化，因而具备可调谐折射率的光学特性。其折射率与外磁场强度、温度的关系为
式中，ns为饱和磁场下的折射率，no为临界磁场下的折射率，H为外界磁场强度，Hc，n为临界磁场强度，T为热力学温度，α为拟合参数。
蝶形锥(5)的形状左右对称，两侧为两个尖锥，中间为球形纤芯。当包层模进入锥区时，在球形纤芯的会聚作用下耦合进入单模光纤(4)的纤芯。该结构可通过改变制作参数调整纤芯与包层的能量耦合比，加强回收包层模的作用，且对波长没有选择性适用于配合倾斜光纤光栅(6)使用。
外界磁场强度引起磁流体(9)有效折射率改变，导致表面等离子波的谐振波长漂移，在反射光谱上定量地监测峰值波长的漂移量进而解调出外界磁场强度信息。
本发明的有益效果是：(1)调整蝶形锥(5)的制作参数方便地控制纤芯与包层的能量耦合比，由于没有波长选择性可以耦合宽波长范围的包层模；(2)代表着倾斜光纤光栅特性的离散的包层模被统一的SPR共振模所取代，并对其进行回收，大幅提升了该新型光纤磁场传感器的灵敏度和稳定性。因此，本发明的突出优点是灵敏度高，体积小巧，灵活性高，响应速度快，是一种较为优化的方案。
附图说明
图1是一种基于镀银倾斜光纤光栅包覆磁流体的磁场传感器的特征装置示意图。
图2是一种基于镀银倾斜光纤光栅包覆磁流体的磁场传感器的探头结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
参见附图1，一种基于镀银倾斜光纤光栅包覆磁流体的磁场传感器由宽带光源(1)，偏振控制器(2)，光纤环行器(3)，单模光纤(4)，蝶形锥(5)，倾斜光纤光栅(6)，银膜(7)，毛细管(8)，磁流体(9)，环氧树脂(10)，磁场发生器(11)和光纤光谱仪(12)组成；宽带光源(1)通过偏振控制器(2)与光纤环行器(3)的a端口相连，光纤环行器(3)的b端口与单模光纤(4)的左端相连；参见附图2，单模光纤(4)，蝶形锥(5)，倾斜光纤光栅(6)依次连接，倾斜光纤光栅(6)包层外均匀镀有银膜(7)，一起置于毛细管(8)的轴心处；毛细管(8)内部填充磁流体(9)，两端用环氧树脂(10)密封，置于磁场发生器(11)的中部；光纤环行器(3)的c端口与光纤光谱仪(12)相连。
进一步的，蝶形锥(5)的锥区直径为70μm～80μm，锥区长度为90μm～95μm，球形纤芯半径为20μm～25μm；倾斜光纤光栅(6)的有效倾斜角度为10°～12°，栅区长度为10mm～12mm，栅区前端与蝶形锥(5)中心的距离为5mm～10mm；银膜(7)的膜厚为50nm～60nm，镀膜长度为30mm～80mm；磁流体(9)的密度为1.8g/cc，饱和磁化强度为220Gauss，纳米磁性颗粒的平均直径为10nm。
蝶形锥(5)利用锥形熔接制作，采用的光纤熔接机型号为Fujikura 60s。将两端面切割平整的单模光纤(4)和倾斜光纤光栅(6)放入V型槽内固定好。修改SM-SM熔接模式的参数：对芯方式调整为手动，切割限定调整为3.00，设定光纤端面间隔为8μm～12μm，重叠为10μm～12μm，调整放电1功率为标准+2bit，放电时间1500ms～2000ms，打开锥形熔接，设定熔接等待和锥形熔接长度分别为100ms～200ms和14μm～18μm，放电熔接得到蝶形锥(5)。
本发明的工作原理是：宽带光源(1)经过偏振控制器(2)产生一束偏振光经光纤环行器(3)，单模光纤(4)和蝶形锥(5)进入倾斜光纤光栅(6)。倾斜光纤光栅(6)激励出一系列与波长有关的包层模以不同角度入射到包层-银膜(7)分界面，其倏逝波激发自由电子产生表面等离子共振。包层模进一步被蝶形锥(5)回收，被光纤光谱仪(12)接收和解调。当外界磁场强度发生变化，磁流体(9)的有效折射率随之改变，表面等离子波的谐振波长漂移，可以在反射光谱上定量地监测到峰值波长的漂移，进而解调出外界磁场强度信息。
Claims (5)
1.一种基于镀银倾斜光纤光栅包覆磁流体的磁场传感器，其特征在于：由宽带光源(1)，偏振控制器(2)，光纤环行器(3)，单模光纤(4)，蝶形锥(5)，倾斜光纤光栅(6)，银膜(7)，毛细管(8)，磁流体(9)，环氧树脂(10)，磁场发生器(11)和光纤光谱仪(12)组成；宽带光源(1)通过偏振控制器(2)与光纤环行器(3)的a端口相连，光纤环行器(3)的b端口与单模光纤(4)的左端相连；单模光纤(4)，蝶形锥(5)，倾斜光纤光栅(6)依次连接，倾斜光纤光栅(6)包层外均匀镀有银膜(7)，一起置于毛细管(8)的轴心处；毛细管(8)内部填充磁流体(9)，两端用环氧树脂(10)密封，置于磁场发生器(11)的中部；光纤环行器(3)的c端口与光纤光谱仪(12)相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于镀银倾斜光纤光栅包覆磁流体的磁场传感器，其特征在于：所述的蝶形锥(5)的锥区直径为70μm～80μm，锥区长度为90μm～95μm，球形纤芯半径为20μm～25μm。
3.根据权利要求1所述的一种基于镀银倾斜光纤光栅包覆磁流体的磁场传感器，其特征在于：所述的倾斜光纤光栅(6)的有效倾斜角度为10°～12°，栅区长度为10mm～12mm，栅区前端与蝶形锥(5)中心的距离为5mm～10mm。
4.根据权利要求1所述的一种基于镀银倾斜光纤光栅包覆磁流体的磁场传感器，其特征在于：所述的银膜(7)的膜厚为50nm～60nm，镀膜长度为30mm～80mm。
5.根据权利要求1所述的一种基于镀银倾斜光纤光栅包覆磁流体的磁场传感器，其特征在于：所述的磁流体(9)的密度为1.8g/cc，饱和磁化强度为220Gauss，纳米磁性颗粒的平均直径为10nm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20170613 |