CN109143123A - 一种基于磁流体选择填充微结构光纤的磁场传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于磁流体选择填充微结构光纤的磁场传感器，包括：微结构光纤MOF、磁流体，微结构光纤MOF背景材料为石英，包层为四边形气孔结构，纤芯周围对称设置有四个直径为d2的第二空气孔，相邻的第二空气孔之间的水平间距为Λ1；在第二空气孔的水平对称位置的中心点上方设置有一个直径为d3的第三空气孔，在第三空气孔正上方设置有直径为d5的第五空气孔，第五空气孔填充磁流体形成缺陷芯，在缺陷芯左右两侧设置有直径为d4的第四空气孔，包层通过直径为的第一空气孔填充，相邻的第一空气孔之间的平间距为Λx，竖直间距为Λy。本发明只需将该结构放有磁场的空间区域内即可实现对磁场强度大小的测量和检测。

Description

一种基于磁流体选择填充微结构光纤的磁场传感器
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及到一种基于磁流体选择填充微结构光纤的磁场传感器，该磁场传感器可用于测量磁场强度。
背景技术
磁流体是将包裹在表面活性剂中的纳米量级的磁性颗粒均匀分散在液体溶剂中的单畴胶体溶液。常用的磁性颗粒包括Fe3O4，Fe2O3，Ni，Co及其合金等。溶剂主要有水，煤油，庚烷等。磁流体的折射率主要依赖于磁性颗粒和溶剂，与磁性颗粒浓度成线性关系。当经过磁流体的磁场方向与入射光方向平行时，磁流体的折射率随着磁场的增加而增加，满足郎之万方程。当磁场方向与入射光方向垂直时，对于入射光来说，磁流体表现为各向异性。相对于两个正交偏振方向的入射光，磁流体具有了不同的折射率。
由于具有折射率可调、双折射、二向色性、法拉第效应，场依赖传输等特性，磁流体得到了广泛的重视和研究。现有技术中已有将磁流体覆盖在锥形和错位熔接的光纤上实现了磁场测量，在250-475Oe测量范围内的灵敏度为26pm/Oe。现有技术中也已有将磁流体涂敷在沟槽状光纤上实现了磁场调制器，使用多个沟槽时调制深度可达20％。Sagnac传感器具有高灵敏度，在磁流体磁场传感中也得到了应用。此外，已有将磁流体薄膜插入到Sagnac传感器中实现了磁场测量，最高灵敏度达592.8pm/Oe。而由于磁流体较高的传输损耗，磁流体薄膜的厚度往往只有几十微米。
微结构光纤在包层中存在周期性空气孔分布，这些孔为功能材料填充提供了天然通道。陈海良等在微结构光纤气孔中选择填充磁流体，实现了基于模式耦合效应的磁场传感器。祖鹏等在微结构光纤中完全填充高折射率磁流体，实现了带隙传导。在微结构光纤包层气孔中填充磁流体，通过利用外场调节磁流体的折射率来调节光传输特性，避免了光在磁流体中传输。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于磁流体选择填充微结构光纤的磁场传感器，将磁流体填充到微结构光纤包层空气孔中，可以通过利用磁场调节磁流体的折射率来实现对微结构光纤纤芯模式的折射率调控。再将该磁流体填充的微结构连接到光路中，可以实现磁场强度的测量。
为了解决上述存在的技术问题，本发明所述方法的是通过以下技术方案实现的：
一种基于磁流体选择填充微结构光纤的磁场传感器，其特征在于，包括：微结构光纤MOF、磁流体，其中，所述微结构光纤MOF背景材料为石英，包层为四边形气孔结构，纤芯周围对称设置有四个直径为d2的第二空气孔，相邻的第二空气孔之间的水平间距为Λ1；在第二空气孔的水平对称位置的中心点上方还设置有一个直径为d3的第三空气孔，在第三空气孔的正上方设置有直径为d5的第五空气孔，第五空气孔填充磁流体形成缺陷芯，在所述缺陷芯左右两侧设置有直径为d4的第四空气孔，包层还通过直径为d1的第一空气孔填充，其中相邻的第一空气孔之间的平间距为Λx，竖直间距为Λy。
上述技术方案中，d1的范围为1.4至1.46μm，d2的范围为0.8至0.86μm，d3的范围为0.6至0.66μm，d4的范围为2.94至3.0μm，d5的范围为1.4至1.46μm，Λx为3μm，Λy为2.6μm，Λ1为2.4μm。
上述技术方案中，d1为1.4μm，d2为0.8μm，d3为0.6μm，d4为3.0μm，d5为1.4μm。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
微结构光纤缺陷芯左右两侧分布了两个大直径的空气孔，增大了缺陷芯的双折射。在两个大空气孔中间的空气孔中填充磁流体充当缺陷芯，利用磁场可以调节磁流体的折射率，从而可以调节微结构光纤的缺陷芯模式的变化，而调节光纤结构参数使纤芯模和缺陷模相应的发生变化，最终，造成纤芯模和缺陷模的耦合损耗峰发生变化，本发明通过测量纤芯的损耗峰处波长的变化来实现对磁场的测量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1是本发明实施例1的微结构光纤横截面图；
图2是本发明实施例1填充磁流体的折射率随磁场大小不同的变化分布图；
图3(a)和图3(b)分别是本发明实施例1的微结构光纤分别在x和y方向的模场耦合分布图；
图4是本发明实施例1的在磁场为25奥斯特下，x和y方向上纤芯和缺陷芯限制损耗随波长的变化分布图；
图5(a)和图5(b)分别是本发明实施例1的在不同磁场下，x和y方向上纤芯模式限制损耗随波长的变化分布图；
图6是本发明实施例1的两个正交x和y方向上耦合波长随磁场的变化分布图；
图7是本发明实施例1的品质因数随磁场变化的分布图；
图8是本发明实施例2的改变微结构光纤的某一参数而引起损耗峰位置的变化分布图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1
在图1所示的本发明实施例1的微结构光纤横截面图，其相应的结构参数、纤芯和缺陷芯都详细进行了标明，其中，本发明的基一种基于磁流体选择填充微结构光纤的磁场传感器，包括：微结构光纤MOF、磁流体，其中，所述微结构光纤MOF背景材料为石英，包层为四边形气孔结构，纤芯周围对称设置有四个直径为d2的第二空气孔，相邻的第二空气孔之间的水平间距为Λ1，，相邻的第二个空气孔之间的竖直距离为2Λy；在第二空气孔的水平对称位置的中心点上方还设置有一个直径为d3的第三空气孔，在第三空气孔的正上方设置有直径为d5的第五空气孔，第五空气孔填充磁流体形成缺陷芯，在所述缺陷芯左右两侧设置有直径为d4的第四空气孔，包层还通过直径为d1的第一空气孔填充，其中相邻的第一空气孔之间的平间距为Λx，竖直间距为Λy。
本发明中，d1的范围为1.4至1.46μm，d2的范围为0.8至0.86μm，d3的范围为0.6至0.66μm，d4的范围为2.94至3.0μm，d5的范围为1.4至1.46μm，Λx为3μm，Λy为2.6μm，Λ1为2.4μm。
其中，针对本发明的具体实施例1中，在图1所示的微结构光纤横截面图中，本发明的具体参数尺寸如下：d1为1.4μm，d2为0.8μm，d3为0.6μm，d4为3.0μm，d5为1.4μm，Λx为3μm，Λy为2.6μm，Λ1为2.4μm。
在图2所示的填充磁流体的折射率随磁场大小不同的变化分布图。磁流体折射率的变化与磁性颗粒的浓度、载液种类、磁场大小和温度有关，在本发明应用的是在磁性颗粒一定时，其磁流体的折射率随磁场强度的变化是线性关系，图中磁场的变化范围从25到175奥斯特而相应的折射率变化从1.462到1.466。
在图3(a)和图3(b)所示的本发明实施例1的微结构光纤分别在x和y方向的模场耦合分布图。电场分布在纤芯中形成纤芯模式，分布在缺陷芯中形成缺陷芯模式，当其满足一定条件时就会使纤芯模式和缺陷芯模式发生耦合，而图3(a)是磁场在25奥斯特下，纤芯模和缺陷芯模在波长1.052μm时的x方向的电场耦合分布，图3(b)是磁场在25奥斯特下，纤芯模和缺陷芯模在波长1.142μm时的y方向的电场耦合分布。
在图4所示的本发明实施例1的在磁场为25奥斯特下，x和y方向上纤芯和缺陷芯限制损耗随波长的变化分布图。在磁场为定值时，纤芯和缺陷芯的损耗关系分布图。纤芯损耗先变大后减小，缺陷芯损耗先减小后增大，纤芯和缺陷芯x方向模式损耗在1.052μm相交，纤芯和缺陷芯y方向模式损耗在1.142μm相交。
在图5(a)和图5(b)所示的本发明实施例1的在不同磁场下，x和y方向上纤芯模式限制损耗随波长的变化分布图，在不同的磁场下其纤芯模式和缺陷芯模式的耦合位置会发生相应的改变，图5(a)和图5(b)是不同磁场下，损耗峰随波长的变化，图5中纤芯模式的损耗都是随着波长的增大先增大后减小的，并且损耗峰都随磁场的增大出现了红移和损耗也逐渐增大。
在图6所示的本发明实施例1的两个正交x和y方向上耦合波长随磁场的变化分布图。图6是在不同磁场下，x和y方向上耦合波长随磁场变化，所以我们可以看到该结构可以从两个方向上同时测量磁场的大小，可以起到互相检测的目的。
在图7所示的本发明实施例1的品质因数随磁场变化的分布图。品质因数是传感器的另一个参数，是传感性能的一个重要标志。
实施例2
本发明实施例2与实施例1的其它方面都相同除了该微结构光纤的一个参数即d4变化外，其它各个参数都不会发生任何变化。图8是本发明实施例2的改变微结构光纤的某一参数而引起损耗峰位置的变化分布图，磁场相同，改变d4空气孔的直径，从3.0μm变到2.94μm，损耗峰出现相应的红移，并且限制损耗峰的损耗大小也逐渐变大。调整微结构光纤的参数，可以对该传感器进行相应的控制可优化。
本发明利用这种微结构光纤，可以研究其传感特性，只需将该结构放有磁场的空间区域内即可实现对磁场强度大小的测量和检测。本发明在光纤传感系统中使用，可以实现不同磁场外部大小的的变化范围为25-175.9奥斯特。最高灵敏度在x方向上可达到1620pm/Oe，在y方向上的灵敏度可以达到1790pm/Oe。这种四边形的微结构光纤传感器不仅结构设计简单，而且在实际操作上很容易实现对磁场强度大小的测量。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (3)

1.一种基于磁流体选择填充微结构光纤的磁场传感器，其特征在于，包括：微结构光纤MOF、磁流体，其中，所述微结构光纤MOF背景材料为石英，包层为四边形气孔结构，纤芯周围对称设置有四个直径为d2的第二空气孔，相邻的第二空气孔之间的水平间距为Λ1，相邻的第二个空气孔之间的竖直距离为2Λy；在第二空气孔的水平对称位置的中心点上方还设置有一个直径为d3的第三空气孔，在第三空气孔的正上方设置有直径为d5的第五空气孔，第五空气孔填充磁流体形成缺陷芯，在所述缺陷芯左右两侧设置有直径为d4的第四空气孔，包层还通过直径为d1的第一空气孔，其中相邻的第一空气孔之间的平间距为Λx，竖直间距为Λy。
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，d1的范围为1.4至1.46μm，d2的范围为0.8至0.86μm，d3的范围为0.6至0.66μm，d4的范围为2.94至3.0μm，d5的范围为1.4至1.46μm，Λx为3μm，Λy为2.6μm，Λ1为2.4μm。
3.根据权利要求2所述的微结构光纤磁场传感器，其特征在于，d1为1.4μm，d2为0.8μm，d3为0.6μm，d4为3.0μm，d5为1.4μm。
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