CN107607891A - 磁性离子液体填充的微结构光纤磁场传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于磁性离子液体填充的微结构光纤磁场传感器，该传感器的工作原理如下：利用折射率匹配耦合原理实现纤芯模式与离子液体柱中模式的耦合；利用透射光传输方向与磁场方向相垂直时，离子液体对透射光的衰减系数将随着外界磁场强度的增加而改变；利用不同磁场强度下磁性离子液体衰减系数的改变，继而光谱谐振峰强度出现明显变化可以实现对外界磁场强度变化的精确测量。本发明可用于新型光纤磁场传感器研究工作的开展，与以往报道的光纤磁场传感器相比，磁性离子液体的性质相比磁流体更加稳定，测量结果不受基液性质浮动所影响，因此具有更高的准确性。

Description

磁性离子液体填充的微结构光纤磁场传感器
技术领域
本发明属于光纤传感领域，具体涉及对外界磁场变化的测试方法及基于磁性离子液体填充实现的微结构光纤磁场传感器的功能性重组装。
背景技术
磁场是传递磁性物体间磁力作用客观存在的场，是物理学中一个基本的物理量。由于磁场在航海领域、地球物理学以及现代安全监测领域的重要性，对外界磁场的测量成为近年来的一个研究热点，研究者提出了各种磁场的测量方法，包括：平面磁通门，霍尔效应，超导磁体，核磁共振，热电自旋阀，以及近几年逐渐发展起来的光纤磁场传感器。相比传统的磁场测量器件，光纤传感器具有体积小、成本低廉、灵敏度高以及易于调试的优点，因此利用磁流体的可调折射率特性与光纤模式耦合技术相结合实现高灵敏度的静磁场强度的测量技术受到广泛重视。
微结构光纤(Microstructured Optical Fiber，MOF)又称光子晶体光纤(Photonics Crystal Fiber，PCF)，是基于光子晶体理论提出的一类新型光纤。由于其光纤截面存在周期性的空气微孔，与传统光纤相比，其结构设计更为灵活，且具有传统光纤无法比拟的无截止单模传输、大模场尺寸/小模场尺寸、高非线性以及色散可控等一系列新奇的光学特性，近年来成为光纤光学领域的研究热点，极大地促进了光纤通信和光纤传感领域的发展和进步。根据其导光机理可分为折射率引导型和光子带隙引导型。折射率引导型是纤芯折射率大于包层折射率的一类光纤，其传导机制类似于传统光纤，是由全内反射形成波导，被广泛应用于色散控制、非线性光学、多芯光纤、有源光纤器件和光纤传感等领域。光子带隙引导型是利用光子带隙效应把光场束缚在比包层折射率低的纤芯内传播的一类光纤，可用于高功率导光等。
受材料技术的限制，目前用于与微结构光纤结合的磁性液体材料主要是磁流体，磁流体是一种胶体，由分散剂包裹的表面修饰的10～100nm量级的磁纳米颗粒(Fe3O4，γ-Fe2O3，Fe，α-Fe3N，γ-Fe4N等)均匀分散于基液(水，石油醚，癸二酸二异辛酯等)当中。其在静态时无磁性吸引力，当施以外加磁场时，才表现出磁性。因此其既拥有强磁性又有液体的流动性。磁流体的磁响应主要源于分散其中的磁纳米颗粒，但是基液对外界环境的响应会影响磁场的测量精度，从而也限制了其应用领域。因此急需一种新型功能材料从而实现对外界磁场稳定且精确测量的方法和装置。
发明内容
本发明的目的是解决对外界磁场变化的精准、稳定测量的问题，结合磁性离子液体的功能特异性和微结构光纤光场传输技术，提出一种新型微结构光纤磁场传感器。
本发明的技术方案
一种磁性离子液体填充的微结构光纤磁场传感器，该传感器包括：微结构光纤，磁性离子液体，单模光纤。其中微结构光纤与单模光纤呈“三明治”结构，磁性离子填充入微结构光纤包层空气孔中，所使用的其中一种微结构光纤以石英玻璃为基底材料，包层空气孔形状是圆形，按六角形网格排列；中间纤芯位于六角形网格的结点上，同时位于所述微结构光纤的几何中心区域，所述微结构光纤包层中至少一个空气微孔中填充折射率高达1.5651的磁性离子液体；微结构光纤的两端分别与单模光纤熔接，用于透射光的输入与输出。所述的光纤磁场传感器是利用微结构光纤纤芯与磁性离子液体柱的空间结构分布；实现光场能量在纤芯与离子液体柱之间的相互耦合，增加了纤芯光场能量分布与磁性离子液体的交叠面积，继而实现对外界磁场的高灵敏度测量。
其中所述的磁性离子液体能够对外界磁场产生明显反应，当透射光方向与磁场方向相垂直时，随着外界磁场增加，离子液体中的磁性阴离子将会沿着外磁场方向团簇排列成链状结构，相对透射光的衰减系数会显著增大，这将导致光谱谐振峰强度的变化，此处所用的离子液体必须具有磁敏感性，在外磁场作用下能够发生聚集作用。
所述的微结构光纤提供光场与磁性离子液体的作用空间，通过将离子液体选择性填充进入微结构光纤最内层空气孔中的一个实现模式耦合并增大纤芯模式模场分布面积，实现透射光与离子液体的直接接触，会极大地增大测量灵敏度。
所述的单模光纤用于透射光的输入与输出，通过与微结构光纤的熔接可以防止离子液体的损耗。
所述的微结构光纤包括包层中有空气孔的所有光纤，如保偏微结构光纤或简化空心微结构光纤等。
所述的磁性离子液体填充的微结构光纤磁场传感器的实现手段包括如下：
S1.利用直接选择性填充法实现微结构光纤与磁性离子液体的填充，在离子液体柱激发起多个高阶模式；
S2.基于纤芯与离子液体柱的空间分布结构实现纤芯模式与离子液体柱模式的交叉耦合；
S3.利用纤芯模式与液柱模式的耦合可增加耦合波长处纤芯模式的模场分布；
S4.利用磁性离子液体与纤芯模式模场的交叠，当外界磁场变化时，离子液体对透射光的衰减系数随之变化，继而根据光谱强度的变化可以实现对外界磁场变化的高灵敏度测量。
其中在步骤S4中，该型微结构光纤磁场传感器是外磁场下离子液体的吸收散射率发生改变继而衰减系数改变，导致光透射率降低而不是离子液体折射率的改变，这是与基于磁流体的光纤磁场传感器最大的区别。
本发明的优点和有益效果：
传统的基于磁流体的光纤磁场传感器的测量精度会受到磁流体基液的影响，磁流体是一种混合物，基液包括水，石油醚等，这些物质会对外界温度响应，从而使得磁场的测量结果并不稳定，本发明的优点在于利用离子液体的纯净物特性，可以减弱外界其他参量对磁场测量的影响。此外，根据离子液体衰减系数随外磁场的变化，可以实现对外界磁场的强度解调，且具有较高灵敏度。
附图说明
图1是依据本发明的磁性离子液体填充的微结构光纤磁场传感器的截面示意图，ABCDEF代表各种传感器结构的微结构光纤截面示意图。
图中：1、微结构光纤；2、磁性离子液体，是一种常温下呈液态分布的纯净物。
图2是本发明的磁性离子液体填充的微结构光纤磁场传感器的结构示意图。
图3为依据本发明的基于磁性离子液体填充实现的微结构光纤磁场传感系统示意图，。
图中：3、电磁铁；4、光谱仪；5、磁性离子液体填充的微结构光纤磁场传感器；6、可调电压源；7、高斯计；8、超连续光源；9、单模光纤；。
图4为依据本发明的基于磁性离子液体填充实现的微结构光纤磁场传感器光谱变化。
图5为依据本发明的基于磁性离子液体填充实现的微结构光纤磁场传感器强度变化拟合曲线。
具体实施方式
磁性离子液体填充的微结构光纤磁场传感器的具体实施方案如图2所示，包括微结构光纤、磁性离子液体和单模光纤，所述的光纤磁场传感器类似于“三明治”结构，微结构光纤1在中间，两端是单模光纤9，其中微结构光纤包层空气孔填充磁性离子液体2。磁性离子液体会对外界磁场响应，是一种在室温或室温附近温度下呈液态的由离子构成的物质，填充进入光纤后的磁性离子液体柱可实现多个高阶模式的激发，可实现离子液体柱中模式与纤芯模式的相互耦合，通过模式耦合增大纤芯模式的模场分布面积，实现纤芯传输的光场与离子液体的直接接触，当外界磁场变化时，磁性离子液体的衰减系数增大继而可实现对光谱的调制，利用光谱强度的变化可反映出外界磁场的变化。
在本实施例中离子液体柱只有1个，但是本发明所提出的方法和装置可以对2个或更多的离子液体柱进行研究(如图1中给出了6种空间分布结构)，且不限于最内层空气微孔的填充，通过变换填充方式可实现更高灵敏度的探测或者增加作用带宽。
当微结构光纤空气孔中填充离子液体时，纤芯模式将会与离子液体柱中模式实现相互耦合，纤芯中光能量会部分的转移到离子液体柱中，由于离子液体本身对光的吸收损耗，光谱必然会出现多个谐振耦合峰，由于离子液体柱的存在，纤芯对光的束缚能力显著下降，导致纤芯模场分布的扩大，尤其是在耦合波长处，纤芯中透射光与离子液体交叠面积最大，将呈现出最大的磁场测量敏感度。
本实施例中基于磁性离子液体填充实现的微结构光纤磁场传感系统可采用如图3所示测量结构。超连续光源8发出的连续光经单模光纤9耦合进入磁性离子液体填充后的微结构光纤磁场传感器5，由于单模光纤与微结构光纤存在的模场失配，将会引入一定的损耗，透射光在微结构光纤纤芯中传输，会受到离子液体柱的影响，随着外界磁场增大，磁性离子液体的衰减系数变大，会增加透射光的损耗，通过光谱仪4上谐振峰强度的变化可实现对外界磁场强度变化的监测。其中外界磁场的产生可由可调电压源6和电磁铁3完成，高斯计7用于对外界磁场的实时监控，并与光谱检测的强度做对比。
如图4所示，随着外界磁场增加，磁性离子液体衰减系数变大，光谱损耗明显增加，特征峰A的拟合结果如图5所示，强度呈非线性变化，在0Oe—440Oe范围内可拟合成直线，磁场测量的灵敏度达到-0.019dB/Oe.。

Claims (8)

1.一种磁性离子液体填充的微结构光纤磁场传感器，其特征在于，包括：微结构光纤，磁性离子液体，单模光纤，其中磁性离子液体是填充进入微结构光纤，微结构光纤两端用单模光纤连接；所述微结构光纤包层中至少一个空气微孔中填充磁性离子液体；微结构光纤的两端分别与单模光纤熔接，用于透射光的输入与输出；所述磁场传感器基于离子液体柱实现与微结构光纤纤芯光场能量相互耦合，增加了纤芯光场能量分布与磁性离子液体的交叠面积，继而实现对外界磁场的高灵敏度测量。
2.根据权利要求1所述的微结构光纤磁场传感器，其特征在于：所述磁性离子液体的折射率高达1.5651。
3.根据权利要求1所述的微结构光纤磁场传感器，其特征在于：所使用的其中一种微结构光纤以石英玻璃为基底材料，包层空气孔形状是圆形，按六角形网格排列；中间纤芯位于六角形网格的结点上，同时位于所述微结构光纤的几何中心区域。
4.根据权利要求1所述的微结构光纤磁场传感器，其特征在于：磁性离子液体柱与微结构光纤的空间分布结构中，磁性离子液体柱既可以靠近纤芯，也可以远离纤芯。
5.根据权利要求1所述的微结构光纤磁场传感器，其特征在于：当微结构光纤空气孔中填充离子液体时，能够实现纤芯与离子液体柱中光场能量的转移，光谱出现多组谐振耦合峰，利用谐振峰对磁场的响应，能够实现对外界磁场的测量。
6.根据权利要求1所述的微结构光纤磁场传感器，其特征在于：所述磁性离子液体包括所有具有磁性的离子液体。
7.根据权利要求1所述的微结构光纤磁场传感器，其特征在于：所述的微结构光纤包括包层中有空气孔的所有光纤。
8.根据权利要求7所述的微结构光纤磁场传感器，其特征在于，所述的微结构光纤为固体芯微结构光纤、保偏微结构光纤以及简化空心微结构光纤。
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