CN108646340A - 一种高磁场灵敏度的特种光纤 - Google Patents

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梁璀
舒晓武
刘承
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Abstract

本发明涉及一种高磁场灵敏度的特种光纤，包括不对称纤芯层a、b和包层c。不对称纤芯层a和b结构对称、材料不同，具有十分相近的折射率以及符号相反的磁光费尔德常数。包层折射率略小于芯层折射率。本发明所设计的特种光纤对磁场具有高灵敏度，在特定方向的磁场作用下能够产生非互易相位差，因此该光纤在微弱磁场探测方面具有良好的应用前景。

Description

一种高磁场灵敏度的特种光纤
技术领域
本发明涉及光纤领域，具体涉及一种具有磁光非互易特性的高磁场灵敏度的特种光纤。
背景技术
YIG(钇铁石榴石)是一种典型的磁光材料，它具有近红外波段吸收少、磁光系数大、饱和磁场小、稳定性好等优点，应用十分广泛。20世纪50年代，YIG被合成成功并显示出在近红外区域的磁光效应，60年代首次出现利用YIG研制成功的磁光器件，之后YIG材料一直被广泛研究和应用。Bi:YIG是Bi离子掺杂的YIG材料(掺铋钇铁石榴石)，其相对于普通的无掺杂YIG具有更大的磁光系数，且磁光系数符号相反。目前已经存在有较高费尔德常数的YIG和Bi:YIG材料。
晶体光纤的拉制方法已较为成熟，常用的包括导模法、毛细管固化法和加热基座法。导模法是指将晶体材料放入专用容器中加热融化后，在熔融晶体中放入特制的模具，利用籽晶通过模具引导熔融晶体进行定向生长；毛细管固化法是指将大量毛细管按照特定位置固定后，插入熔融晶体材料中，通过改变温度梯度使材料按照特定的方向结晶，从而固化成所需的光纤形状；加热基座法是指制作小体积晶体材料作为源材料，对其顶部进行加热后会出现熔融区，利用籽晶向上提拉熔融区以引导制成光纤。在已有晶体光纤制作工艺的基础上进行特定的改进应可满足本发明中所设计特种光纤的制作需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有高磁场灵敏度的特种光纤。
本发明提出以下技术方案：
一种高磁场灵敏度的的特种光纤，该光纤包括结构对称、材料不同的纤芯层a、b以及包覆在纤芯层上的包层c。纤芯层两部分材料的折射率差关系为|n1-n2|<0.005且材料的磁光费尔德常数符号相反。包层材料折射率n3与芯层的折射率差关系为0<(n1+n2)/2-n3<0.01。
优选地，纤芯层a采用YIG(钇铁石榴石)材料，折射率n1为2.30～2.31，材料费尔德常数符号为正；
优选地，纤芯层b采用Bi:YIG(掺铋钇铁石榴石)材料，折射率n2为2.30～2.31，材料费尔德常数符号为负；
优选地，包层c采用GGG(钆镓石榴石)材料，折射率n3为2.29～2.30；
优选地，纤芯层直径满足其中D为纤芯层直径，λ为该特种光纤中传输的光在自由空间的波长；
优选地，包层直径为>70μm。
该光纤具有结构对称、材料费尔德常数符号相反的特殊纤芯，以及折射率低于纤芯的包层。该光纤在特定方向磁场的作用下会产生明显的非互易效应，该特性使得本发明中的光纤对磁场具有极高灵敏度，因此在微弱磁场探测等方面具有良好的应用前景。
附图说明
图1表示的是高磁场灵敏度特种光纤的横截面结构图；
图2表示的是高磁场灵敏度特种光纤的磁场敏感方向示意图。
具体实施方式
本发明中的高磁场灵敏度特种光纤采用特殊结构、特殊材料的纤芯，其与常规光纤的纤芯相比具有以下区别：
常规光纤纤芯的结构为完整的圆柱体，且其材料为均质石英材料，而本发明中光纤的纤芯在结构上对称地分为两个部分，且两个部分分别使用不同的材料。为了降低光在纤芯中传播时的损耗，纤芯两部分的材料折射率差应满足|n1-n2|<0.005且包层材料折射率n3与芯层的折射率差应满足0<(n1+n2)/2-n3<0.01；为增强光纤所能产生的非互易效应，两部分材料应具有符号相反的磁光费尔德常数。
下面结合附图对本发明的高磁场灵敏度特种光纤作具体说明。
参照图1，本发明中的高磁场灵敏度特种光纤包括纤芯层a、b和包层c。光传输部分为整个芯层。纤芯层a的材质为YIG，折射率为2.30～2.31；纤芯层b的材质为Bi:YIG，折射率为2.30～2.31；包层c材质为GGG，折射率为2.29～2.30。根据本发明可生产外径>70μm、的具有高磁场灵敏度的特种光纤。如上所述材质和折射率的选择只是一种范例，主要基于目前现实存在的材料而言做了一个较优选择；纤芯层直径的选择是为了保证该特种光纤中传输的是单模光；包层直径的选择是遵循了常见单模光纤参数，实质上可根据应用需求进行适当调整。
参照图2，x、y、z为一直角坐标系，x、y平面与光纤横截面平行，z方向与光纤光轴方向平行。本发明中的特种光纤对于图中x方向(即平行于纤芯层a、b界面且垂直于光纤光轴方向)的磁场具有高灵敏度。该特种光纤用于磁场探测的工作原理为：当x方向磁场作用于该特种光纤上时，根据扰动理论，纤芯材料介电常数矩阵会出现非对角量εyz和εzy，此时根据麦克斯韦方程组推导可知，TM模式光在该光纤中进行传输时，正向(+z)和反向(－z)光具有非互易性，即正反向光之间会产生一个相位差Δβ，数值为其中ω和ε0为常数，δ代表一阶磁光效应，数值为δ＝nλθF/π，其中λ为真空中的波长，θF为法拉第旋转常数，同时有θF＝VH0，其中V为费尔德常数。为光纤中传输的单模光的模场分量，根据仿真结果，在积分面内Ey为实数且为偶函数(对称轴为x＝0轴，即纤芯两部分的界面)，Ez为纯虚数且为奇函数(对称轴同上)，因此纤芯两部分材料具有相反的磁光费尔德常数能够增大积分值，即增强该光纤的非互易效应。将该特种光纤作为磁测量的基本材料，绕制成光纤线圈并接入相位探测系统，如光纤Sagnac干涉系统等，通过测量与外界磁场强度具有固定关系的正反两束光的非互易相位差，实现对外界磁场的精密测量。作为一种新型磁场探测方案，具有工作环境要求低(常温)、可测量精度高(理想条件下可达到pT量级磁场)等优点，在生物医学、军事和工业检测等方面都具有十分广阔的应用前景。
以上所述，仅是本发明的一较佳实例，本发明所主张的权利范围并不局限于此。本发明还可以有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出相应的改变和变形，但这些改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种高磁场灵敏度的特种光纤，其特征在于，该特种光纤由纤芯层和包覆在纤芯层上的包层构成；
所述的纤芯层由a部分和b部分构成，a部分和b部分为结构对称、材料不同的半圆柱体，a部分材料的折射率为n1，b部分材料的折射率为n2，且满足|n1-n2|<0.005，a部分材料的磁光费尔德常数和b部分材料的磁光费尔德常数符号相反；所述包层材料的折射率n3与纤芯层a部分材料的折射率及b部分材料的折射率满足0<(n1+n2)/2-n3<0.01。
2.如权利要求1所述的高磁场灵敏度的特种光纤，其特征在于，所述纤芯层中的a部分材料为钇铁石榴石，折射率n1为2.30～2.31，材料的费尔德常数符号为正。
3.如权利要求1所述的高磁场灵敏度的特种光纤，其特征在于，所述的纤芯层中的b部分材料为掺铋钇铁石榴石，折射率n2为2.30～2.31，材料费尔德常数符号为负。
4.如权利要求1所述的高磁场灵敏度的特种光纤，其特征在于，所述的包层c的材料为钆镓石榴石，折射率n3为2.29～2.30。
5.如权利要求1所述的高磁场灵敏度的特种光纤，其特征在于，所述的纤芯层直径D满足其中λ为该特种光纤中传输的光在自由空间的波长。
6.如权利要求1所述的高磁场灵敏度的特种光纤，其特征在于，所述的包层直径为>70μm。
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