CN106932739B - 基于f-p结构的光纤微悬桥磁场传感探头 - Google Patents

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Abstract

本发明针对在狭窄空间的磁场测量，设计了一种基于F‑P结构的超磁致伸缩镀膜光纤微悬桥磁场传感探头。结构包括：光纤、固支端、光纤微悬桥、中间反射体、法布里‑珀罗谐振腔、铬金属膜和超磁致伸缩薄膜。光纤微悬桥位于光纤端面，通过固支端与光纤连接，光纤微悬桥与光纤端面构成法布里‑珀罗谐振腔，光纤微悬桥外表面依次镀铬金属膜和超磁致伸缩膜。本发明采用法布里‑珀罗谐振腔结构可以达到高精度检测磁场的需要，中间反射体能有效保持法布里‑珀罗谐振腔两个极板平行，增加量程。

Description

基于F-P结构的光纤微悬桥磁场传感探头
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种基于F-P结构的光纤微悬桥磁场传感探头。
背景技术
目前的磁场传感器主要基于霍尔效应、磁阻效应、磁通门效应等机理。霍尔效应是利用自由电子在外磁场作用下有向两边聚集的倾向，形成与磁感应强度成正比的电势差；磁阻传感器是继霍尔传感器后派生的另一种磁敏传感器，采用的半导体材料与霍尔传感器大体相同，但这种传感器对磁场的作用机理不同，传感器内载流子运动方向与被检磁场在同一平面内；磁通门检测仪器是利用磁芯在交变磁场激励下发生导磁特性变化从而调制被测磁场，通过对调制信号的检测实现对外磁场的测量。
这些传统的磁场传感器均需要电信号激励，电信号激励产生的磁场通常会对被测磁场产生附加干扰，从而影响了该类传感器检测精度的进一步提高。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明在光纤端面加工基于F-P结构的光纤微悬桥，实现光纤一体化结构，中间反射体增加法布里-珀罗谐振腔极板的面积，并有效保持两极板平行，在光纤微悬桥外表面镀有超磁致伸缩薄膜(GMF：Giant Magnetostrictive Thin Film)，构成一种基于中间反射体的超磁致伸缩镀膜光纤微悬桥磁场传感探头，该磁场传感探头不需要电信号激励，因而没有激励电信号对待测电磁场的干扰的问题，可以实现微型化，并且有效地提高了检测精度和测量范围。
采用的技术方案为：本发明包括激光光源、探测器、光纤定向耦合器、匹配液和传感探头。激光光源与光纤定向耦合器一侧的一个光纤端口光连接，探测器与光纤定向耦合器一侧的另一个光纤端口光连接，光纤定向耦合器另一侧的一个光纤端口与光纤微悬梁谐振子光连接，光纤定向耦合器另一侧的另一个端口通过光纤浸入匹配液。
所述的基于中间反射体的光纤微悬桥位于光纤端面，包括对称的固支端和微悬桥。形成光纤一体化结构。
所述的微悬桥外侧面缓冲膜材料选用铬金属，厚度为30nm-50nm，磁致伸缩薄膜镀在铬金属外表面，为TbDyFe材料，厚度为1μm-1.5μm。
所述的基于中间反射体的光纤微悬桥长度为95μm-105μm，其中中间反射体长为35μm-45μm，宽为35μm-45μm，微悬桥厚度为3μm-5μm。
所述的固支端长度为10μm-15μm，固支端宽度为20μm-30μm，光纤微悬桥与光纤端面通过固支端连接，光纤微悬桥与光纤端面构成F-P腔。
本发明检测磁场的基本原理为：在磁场中，超磁致伸缩薄膜发生伸缩，使基于中间反射体的微悬桥发生挠曲，法布里-珀罗腔的腔长发生相应改变，中间反射体部分增加了F-P腔的面积，两对称固支端使F-P腔在腔长变化时仍较大程度保持两端面平行，从而增加了对待测磁场的测量范围。由激光光源发出的调制光经过耦合进入光纤，入射到法布里-珀罗腔中，在法布里-珀罗腔中反射后沿原路返回、相遇而产生干涉，最后由光电探测器接收，如图3所示。磁场强度越大，超磁致伸缩材料的收缩程度越大，光纤微悬桥的挠曲程度越大，法布里-珀罗腔的腔长变化越大，因此光电探测器接收到的干涉输出信号也发生相应变化。通过对光电探测器接收到的干涉输出信号进行信号调解可得外界磁场的大小。
本发明的有益效果是：
1、器件结构简单，无需外加电信号激励，不会对待测磁场产生干扰。光纤传感探头体积小，满足传感器微型化要求，适用于狭小空间检测。
2、基于中间反射体的微悬桥与光纤端面形成法布里-珀罗谐振腔，腔内空气折射率约为1，其检测精度可达亚纳米精度，可有效提高传感探头的检测精度。
3、两对称固支端使F-P腔在腔长变化时仍保持两端面平行，从而增加了对待测磁场的测量范围。
4、在光纤悬臂桥外表面镀有铬金属膜，作为缓冲层，在铬金属膜上镀一层具有较大磁致伸缩系数的超磁致伸缩薄膜，能够产生较大的磁致伸缩，提高了对磁场的检测精度。
附图说明
图1为本发明基于F-P结构的光纤微悬桥磁场传感探头的正视图。
图2为本发明基于F-P结构的光纤微悬桥磁场传感探头的俯视图。图2中：1为光纤，2为两边对称的固支端，5为超磁致伸缩薄膜；
图3为基于F-P结构的光纤微悬桥磁场传感探头检测原理图。
具体实施方式
所述的基于中间反射体的光纤微悬桥3位于光纤1的端面，长度为95μm-105μm，其中中间反射体长为35μm-45μm，宽为35μm-45μm，微悬桥厚度为3μm-5μm，形成光纤一体化结构。
所述的固支端2长度为10μm-15μm，固支端宽度与光纤微悬桥3的宽度相同为20μm-30μm，高为5μm-10μm。光纤悬微桥与光纤端面通过固支端连接，基于中间反射体的光纤微悬桥与光纤端面构成法布里-珀罗谐振腔。
所述的铬金属膜4镀在光纤微悬桥3的外表面，其厚度为30nm-50nm，作为超磁致伸缩薄膜的缓冲层，对入射光有较大的反射率。
所述的超磁致伸缩薄膜材料为TbDyFe材料，厚度为1μm-1.5μm。在磁场的作用下会产生伸缩。
本发明中光纤微悬桥制作工艺采用聚焦等离子束加工方法(FIB)，工艺流程如下：(a)光纤端面进行抛光和清洁，采用磁控溅射法在光纤端面上镀铬金属膜和超磁致伸缩薄膜；(b)在光纤端面一侧平行于光纤端面方向进行聚焦等离子束磨铣加工，直到达到光纤微悬桥及中间反射体所需沿直径方向的宽度和高度；(c)将光纤沿轴向转过90°角，再进行沿光纤端面平行方向的聚焦离子束掏蚀加工，并且保留光纤微悬桥两端对称的固支端部分，则基于中间反射体的光纤微悬桥与光纤端面形成法布里-珀罗谐振腔；(d)沿光纤端面平行方向用飞秒激光加工出固支端与中间硬块的连接部分；(e)对光纤微悬桥进行聚焦等离子束磨铣减薄至所需厚度。
图3所示，激光光源与光纤耦合器一侧的一个光纤端口连接，光电探测器与光纤耦合器一侧的另一个光纤端口连接，光纤耦合器另一侧的一个光纤端口与光纤传感探头连接，另一个端口通过光纤浸入匹配液。

Claims (1)

1.一种基于F-P结构的光纤微悬桥磁场传感探头，包括：光纤(1)、对称固支端(2)、基于中间反射体的光纤微悬桥(3)、铬金属膜(4)、超磁致伸缩薄膜(5)，其特征是光纤微悬桥(3)位于光纤端面，光纤微悬桥(3)长度为95μm-105μm，其中中间反射体长为35μm-45μm，宽为35μm-45μm，光纤微悬桥(3)厚度为3μm-5μm，对称固支端(2)长度为10μm-15μm，宽度与光纤微悬桥的宽度相同，为20μm-30μm，对称固支端(2)高度为5μm-10μm，光纤微悬桥(3)与光纤端面通过对称固支端(2)连接，并且构成法布里-珀罗谐振腔，形成光纤一体化结构，光纤微悬桥(3)外表面依次镀铬金属膜和超磁致伸缩薄膜，铬金属膜厚度为30nm-50nm，超磁致伸缩薄膜材料为TbDyFe材料，厚度为1μm-1.5μm。
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