CN107807338B

CN107807338B - 基于光子晶体光纤和光栅的磁场传感器及测量方法

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Publication number: CN107807338B
Application number: CN201711260749.XA
Authority: CN
Inventors: 英宇; 许可
Original assignee: Shenyang Jianzhu University
Current assignee: Shenyang Jianzhu University
Priority date: 2017-12-04
Filing date: 2017-12-04
Publication date: 2023-08-04
Anticipated expiration: 2037-12-04
Also published as: CN107807338A

Abstract

本发明提供一种基于光子晶体光纤和光栅的磁场传感器及测量方法，所述磁场传感器由D型光子晶体光纤、纳米金层、纳米光栅和磁流体薄膜组成，纳米金层耦合在D型光子晶体光纤的轴向延伸的平滑表面，纳米光栅刻写在纳米金层上，磁流体薄膜覆盖在纳米光栅上，D型光子晶体光纤与纳米光栅的结构会增强倏逝波的强度。磁流体的折射率随着磁场强度的变化而变化，同时纳米金层表面自由电子共振产生吸收峰，其共振波长会发生偏移，通过观测共振波长的偏移过程实现对磁场的传感测量，采用的是表面等离子共振原理，只需分析磁流体与纳米金层的共振关系，吸收峰与磁场存在较明显的线性关系，解决了利用磁流体折射率特性所制备光纤磁场传感器线性度较差的问题。

Description

基于光子晶体光纤和光栅的磁场传感器及测量方法

技术领域：

本发明涉及光电子技术领域，尤其涉及基于光子晶体光纤和光栅的磁场传感器及测量方法。

背景技术：

磁场，作为信息的载体，成为当今人类社会获取信息的重要手段。因此，磁场传感技术在信息技术中占重要地位。光纤磁场传感器更是以结构简单、抗干扰、高灵敏等优点得到人们广泛关注。20世纪90年代，Russell P等人提出光子晶体光纤(文献1.RussellP.Photonic crystal,fibers[J].Science,2003,299(5605):358-362.)，这种结构具有低损耗、可控非线性、极强双折射以及无截止单模特性等优点(文献2.Knight J C,Birks TA,Russell P S J,et al.Properties of photonic crystal fiber and the effectiveindex model[J].Journal of the Optical Society of America A,1998,15(3):748-752.)。目前，人们研制出很多基于光子晶体光纤的磁场传感结构(文献3.Zhao Y,Lv R Q,Ying Y,et al.Hollow-core photonic crystal fiber Fabry–Perot sensor formagnetic field measurement based on magnetic fluid[J].Optics&LaserTechnology,2012,44(4):899-902；文献4.Mahmood A,Kavungal V,Ahmed S S,etal.Magnetic-field sensor based on whispering-gallery modes in a photoniccrystal fiber infiltrated with magnetic fluid.[J].Optics Letters,2015,40(21):4983；文献5.刘剑飞,刘帆,曾祥烨,等.基于磁流体填充的光子晶体光纤传感特性研究[J].激光与光电子学进展,2016(7):102-107.)，为光子晶体光纤在磁场传感领域的应用提供了新的思路。然而，这类结构大多基于光吸收型传感方式，较大的传输路径以及吸收系数会影响光信号的观测。

D型光纤，作为一种特殊的光纤，最初是由著名学者Wang S F和Chiu M H提出的一种结构(文献6.Wang S F,Chiu M H,Chang R S.Numerical simulation of a D-typeoptical fiber sensor based on the Kretchmann's configuration and heterodyneinterferometry[J].Sensors&Actuators B Chemical,2006,114(1):120-126.)。这种结构大多与表面等离子体共振技术(Surface Plasmon Resonance,SPR)相结合，用于溶液折射率的测量。对这种结构经过进一步研究，发现将光子晶体光纤加工成D型结构时，光经过纤芯所产生的倏逝波明显增强(文献7.Santos D F,Guerreiro A,Baptista J M.SPRMicrostructured D-Type Optical Fiber Sensor Configuration for RefractiveIndex Measurement[J].IEEE Sensors Journal,2015,15(10):5472-5477.)。人们对这种SPR结构的优化特性进行研究，发现引入光栅结构能够增强与待测物的相互作用，进而提高传感特性(文献8.Liao C,Wang Q,Xu L,et al.D-shaped fiber grating refractiveindex sensor induced by an ultrashort pulse laser[J].Applied Optics,2016,55(7):1525-1529.)。

本发明致力于提出一种基于D型光子晶体光纤和一维光栅的SPR结构，同时结合磁流体的磁场传感器，所述磁流体的折射率随着磁场强度的变化而变化，所述D型光子晶体光纤的纳米金层表面自由电子共振时产生吸收峰的共振波长会发生偏移，通过观察共振波长的偏移实现对磁场的传感测量，这样不仅可以增强表面等离子波，实现磁场传感，而且可以得到较好的线性度和灵敏度。

发明内容：

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种具有更优良传感性能、高线性的基于光子晶体光纤和光栅的磁场传感器。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：提供一种基于光子晶体光纤和光栅的磁场传感器，由D型光子晶体光纤、纳米金层、纳米光栅和磁流体薄膜组成，所述纳米金层耦合在所述D型光子晶体光纤的轴向延伸的平滑表面，所述纳米光栅刻写在所述纳米金层上，所述磁流体薄膜覆盖在所述纳米光栅上。

进一步地，所述磁流体薄膜是由体积分数为1.5％的磁流体填充到玻璃槽中组成；所述磁流体薄膜的厚度范围为6～300μm；所述D型光子晶体光纤的直径D＝125μm，气孔直径d＝8μm，气孔中心间距Λ＝10μm，所述D型光子晶体光纤的轴向延伸的平滑表面到其纤芯的距离h_d＝13μm；所述纳米金层的厚度H_g＝50nm；所述纳米光栅的光栅周期Λ_g＝536nm，光栅厚度h_g＝25nm，光栅宽度W_g＝100nm。

本发明还提供一种采用所述基于光子晶体光纤和光栅的磁场传感器测量磁场的方法：

首先，选定磁流体薄膜的体积分数，确定磁场的测量范围；将所述基于光子晶体光纤和光栅的磁场传感器放置于铜线圈与可调谐直流电源组成的可变磁场环境中，采用宽带光源发出入射光，投射到所述基于光子晶体光纤和光栅的磁场传感器上；

之后根据步骤1中确定好的磁场测量范围，调节所述可调谐直流电源增强磁场强度，所述磁流体的折射率n_MF(H,T)随着磁场强度H的变化而变化，变化关系为：

其中，H_c,n为磁性粒子聚集形成磁链时的磁场强度，n_s为磁流体形成磁链时的折射率，T为环境温度；n₀为磁流体未呈链状结构时的折射率，α为拟合系数；

根据公式(1)，计算出随着磁场强度H变化的磁流体的折射率n_MF(H,T)；同时，在所述磁场强度H变化过程中，所述纳米金层表面自由电子共振时产生吸收峰的共振波长λ_r会发生偏移，共振波长λ_r与磁场强度之间的变化关系为：

其中，k为磁流体的磁光系数，d为纳米光栅的光栅厚度h_g与纳米金层的厚度H_g之和，n_g为纳米光栅的折射率；

进一步根据公式(2)计算出随着磁场强度H变化的共振波长λ_r，得出共振波长λ_r的偏移过程；

因此，通过观测共振波长λ_r的偏移过程，进而实现对磁场的传感测量。

上述测量方法中，采用的所述D型光子晶体光纤的直径D＝125μm，气孔直径d＝8μm，气孔中心间距Λ＝10μm，所述D型光子晶体光纤的轴向延伸的平滑表面到其纤芯的距离h_d＝13μm；所述纳米金层的厚度H_g＝50nm；所述纳米光栅的光栅周期Λ_g＝536nm，光栅厚度h_g＝25nm，光栅宽度W_g＝100nm；所述磁流体薄膜体积分数为1.5％；环境温度为20℃。对所述基于光子晶体光纤和光栅的磁场传感器施加外磁场作用时，磁场强度由0Oe增加到270Oe。

此外，通过选择不同物理性质的磁流体，可以改变磁场的测量范围。

本发明与现有技术相比，具有的有益效果：

(1)利用D型光子晶体光纤与纳米光栅相结合的方式不仅能够增加倏逝波强度，还能增强纳米金层与磁流体的相互作用，这种结构增强了信号的强度。

(2)本发明提出的基于光子晶体光纤和光栅的磁场传感器测量磁场的方法，与其他磁流体与光纤相结合的磁场传感方法相比，采用的是表面等离子共振原理，即光无需穿透磁流体，只需分析磁流体与纳米金层的共振关系，吸收峰与磁场存在较明显的线性关系，解决了利用磁流体折射率特性所制备光纤磁场传感器线性度较差的问题。

附图说明：

图1是本发明实施例提供的一种基于光子晶体光纤和光栅的磁场传感器的结构示意图；

图2是本发明实施例中，采用体积分数为1.5％的磁流体的折射率与磁场强度的变化示意图；

图3是本发明实施例中，采用comsol软件得出的磁流体折射率与所述磁场传感器透射谱示意图，反映共振吸收峰的共振波长的偏移过程；

图4是本发明实施例中，共振波长随磁场强度变化示意图。

本实施例中，1-D型光子晶体光纤；2-纳米金层；3-纳米光栅；4-磁流体薄膜。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，本发明提供的一种基于光子晶体光纤和光栅的磁场传感器，由D型光子晶体光纤1、纳米金层2、纳米光栅3和磁流体薄膜4组成。所述纳米金层2耦合在所述D型光子晶体光纤1的轴向延伸的平滑表面，所述纳米光栅3刻写在所述纳米金层2上，所述磁流体薄膜4覆盖在所述纳米光栅3上。所述磁流体薄膜4是由体积分数为1.5％的磁流体填充到玻璃槽中组成，所述磁流体薄膜的厚度范围为6～300μm，本实施例中采用的厚度为6μm，所述纳米光栅3采用金光栅。

所述D型光子晶体光纤1的直径D＝125μm，气孔直径d＝8μm，气孔中心间距Λ＝10μm，所述D型光子晶体光纤的轴向延伸的平滑表面到其纤芯的距离h_d＝13μm；所述纳米金层的厚度H_g＝50nm；所述纳米光栅的光栅周期Λ_g＝536nm，光栅厚度h_g＝25nm，光栅宽度W_g＝100nm。

上述基于光子晶体光纤和光栅的磁场传感器的制备过程：抛磨光子晶体光纤表面，使抛磨后的平滑表面距光纤圆心的距离为13μm，在D型光子晶体光纤平滑表面镀50nm纳米金层，然后在纳米金层表面耦合周期为536nm的一维纳米光栅，最后将磁流体薄膜覆盖在纳米金层表面。

采用上述基于光子晶体光纤和光栅的磁场传感器测量磁场的方法，包括以下步骤：

首先，选定磁流体薄膜的体积分数，确定磁场的测量范围：磁流体薄膜的体积分数为1.5％，磁场的测量范围由0Oe增加到270Oe；将所述基于光子晶体光纤和光栅的磁场传感器放置于铜线圈与可调谐直流电源组成的可变磁场环境中，环境温度为T＝20℃，采用宽带光源发出入射光，投射到所述基于光子晶体光纤和光栅的磁场传感器上；

之后调节所述可调谐直流电源，在0Oe到270Oe范围增强磁场强度，所述磁流体的折射率n_MF(H,T)随着磁场强度H的变化而变化，变化关系为：

其中，H_c,n为磁性粒子聚集形成磁链时的磁场强度，n_s为磁流体形成磁链时的折射率，T为环境温度；n₀为磁流体未呈链状结构时的折射率，α为拟合系数；本实施例中，H_c,n＝30Oe、n_s＝1.461、n₀＝1.456和α＝0.985，是通过对体积分数为1.5％的磁流体进行折射率测量实验观测得到的数据；

根据公式(1)，计算出随着磁场强度H变化的磁流体的折射率n_MF(H,T)，如图2所示为体积分数为1.5％的磁流体的折射率n_MF(H,T)与磁场强度H的变化示意图，当磁场强度H从0Oe增加到30Oe时，磁流体中的磁性粒子没有发生磁响应，磁流体的折射率n_MF(H,T)保持在1.45656，当磁场强度H从30Oe增大到270Oe时，磁流体的折射率n_MF(H,T)从1.45656增加到1.47444；

同时，在所述磁场强度H变化过程中，当宽带光源入射光进入纤芯时，在纳米金层与磁流体的分界面之间产生倏逝波，而D型光子晶体光纤与纳米光栅的结构会增强倏逝波的强度，所述纳米金层表面自由电子共振时产生吸收峰的共振波长λ_r会发生偏移，共振波长λ_r与磁场强度H之间的变化关系为：

其中，k为磁流体的磁光系数，d_∑为纳米光栅的光栅厚度h_g与纳米金层的厚度H_g之和，n_g为纳米光栅的折射率；本实施例中，k＝1.5×10^-5RIU/Oe，d＝h_g+H_g＝75nm，n_g＝-13.4+0.4i；

进一步根据公式(2)，利用comsol软件，计算出不同磁场强度H下的透射谱，如图3所示，当磁场强度范围为0～30Oe，磁流体的折射率为1.45656，此时透射光在3230nm波长处存在共振产生吸收峰，当磁场强度增加，磁流体折射率增加到1.47444时，光吸收峰蓝移至2405nm处，此为共振波长λ_r的偏移过程。通过磁场强度H与磁流体折射率n_MF(H,T)的关系以及磁流体折射率n_MF(H,T)与共振峰共振波长λ_r的关系，可以得出磁场强度H与共振峰共振波长λ_r的关系，如图4所示，磁场强度从30Oe增加到270Oe的过程中，共振峰与磁场强度的灵敏度为-3.433nm/Oe，线性相关系数为R²＝0.998。

因此，可以通过观测共振波长λ_r的偏移过程，进而实现对磁场的传感测量。

在其他实施例中，选取不同体积分数的磁流体，可测量不同范围的磁场强度变化。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims

1.一种基于光子晶体光纤和光栅的磁场传感器，其特征在于：由D型光子晶体光纤、纳米金层、纳米光栅和磁流体薄膜组成，所述纳米金层耦合在所述D型光子晶体光纤的轴向延伸的平滑表面，所述纳米光栅刻写在所述纳米金层上，所述磁流体薄膜覆盖在所述纳米光栅上；所述磁流体薄膜是由体积分数为1.5％的磁流体填充到玻璃槽中组成；所述磁流体薄膜的厚度范围为6～300μm；所述D型光子晶体光纤的直径D＝125μm，气孔直径d＝8μm，气孔中心间距Λ＝10μm，所述D型光子晶体光纤的轴向延伸的平滑表面到其纤芯的距离hd＝13μm；所述纳米金层的厚度Hg＝50nm；所述纳米光栅的光栅周期Λg＝536nm，光栅厚度hg＝25nm，光栅宽度Wg＝100nm。

2.采用权利要求1所述的基于光子晶体光纤和光栅的磁场传感器测量磁场的方法，其特征在于：

之后根据步骤1中确定好的磁场测量范围，调节所述可调谐直流电源增强磁场强度，所述磁流体的折射率nMF(H,T)随着磁场强度H的变化而变化，变化关系为：

其中，Hc,n为磁性粒子聚集形成磁链时的磁场强度，ns为磁流体形成磁链时的折射率，T为环境温度；n0为磁流体未呈链状结构时的折射率，α为拟合系数；

根据公式(1)，计算出随着磁场强度H变化的磁流体的折射率nMF(H,T)；同时，在所述磁场强度H变化过程中，所述纳米金层表面自由电子共振时产生吸收峰的共振波长λr会发生偏移，共振波长λr与磁场强度H之间的变化关系为：

其中，k为磁流体的磁光系数，d∑为纳米光栅的光栅厚度hg与纳米金层的厚度Hg之和，ng为纳米光栅的折射率；

进一步根据公式(2)计算出随着磁场强度H变化的共振波长λr，得出共振波长λr的偏移过程；

因此，通过观测共振波长λr的偏移过程，进而实现对磁场的传感测量。

3.根据权利要求2所述的测量磁场的方法，其特征在于：采用的所述D型光子晶体光纤的直径D＝125μm，气孔直径d＝8μm，气孔中心间距Λ＝10μm，所述D型光子晶体光纤的轴向延伸的平滑表面到其纤芯的距离hd＝13μm；所述纳米金层的厚度Hg＝50nm；所述纳米光栅的光栅周期Λg＝536nm，光栅厚度hg＝25nm，光栅宽度Wg＝100nm；所述磁流体薄膜体积分数为1.5％；环境温度为20℃。

4.根据权利要求3所述的测量磁场的方法，其特征在于：对所述基于光子晶体光纤和光栅的磁场传感器施加外磁场作用时，磁场强度由0Oe增加到270Oe。