CN109975923B - 一种用于磁场传感的磁流体双芯微结构光纤 - Google Patents

一种用于磁场传感的磁流体双芯微结构光纤 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种用于磁场传感的磁流体双芯微结构光纤。包括：双芯微结构光纤及磁流体；所述磁流体填充在所述双芯微结构光纤的一个空气孔中，用于调节纤芯模式的有效折射率以进行磁场的检测；其中，所述双芯微结构光纤的中心设有用于填充所述磁流体的第一空气孔，所述微结构光纤中在两个纤芯上下的四个气孔为第二空气孔，所述第二空气孔的直径大于所述第一空气孔的直径；所述第二空气孔的环周设有多个第三空气孔，多个所述第三空气孔构成四边形，相邻两个所述第三空气孔的水平间距相等，相邻两个所述第三空气孔的竖直间距相等。本发明提供了一种用于磁场传感的磁流体双芯微结构光纤，通过测量传输谱波谷波长的变化来实现对磁场的精确测量。

Description

一种用于磁场传感的磁流体双芯微结构光纤
技术领域
本申请涉及光纤传感领域，尤其涉及一种用于磁场传感的磁流体双芯微结构光纤。
背景技术
磁流体是由直径为纳米量级(10纳米以下)的磁性固体颗粒、基载液(也叫媒体)以及界面活性剂三者混合而成的一种稳定的胶状液体。磁流体既具有液体的流动性又具有固体磁性材料的磁性，磁流体在静态时无磁性吸引力，当外加磁场作用时，才表现出磁性。
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，通过磁流体覆盖在锥形和错位熔接的光纤上实现了磁场测量，或者在微结构光纤气孔中填充磁流体，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。
现有技术中主要在微结构光纤包层气孔中填充磁流体，光在磁流体中传输，通过利用外场调节磁流体的折射率来调节光传输特性，进而进行外界磁场的测量。
发明内容
本申请旨在通过研究磁流体双芯微结构光纤中磁场对超模间模式耦合的调控机理，提供一种用于磁场传感的磁流体双芯微结构光纤，实现对磁场的高灵敏度测量。
本申请提供一种用于磁场传感的磁流体双芯微结构光纤，包括：
双芯微结构光纤及磁流体；所述磁流体填充在所述双芯微结构光纤的空气孔中，用于调节纤芯模式的有效折射率以进行磁场的检测；
其中，所述双芯微结构光纤的中心设有用于填充所述磁流体的第一空气孔，微结构光纤中在两个纤芯上下的四个气孔为第二空气孔，所述第二空气孔的直径大于所述第一空气孔的直径；
所述第二空气孔的环周设有多个第三空气孔，多个所述第三空气孔构成四边形，相邻两个所述第三空气孔的水平间距相等，相邻两个所述第三空气孔的竖直间距相等。
在一种可能的设计中，位于所述第一空气孔上方的两个所述第二空气孔水平布置；
在一种可能的设计中，沿水平方向上设置的两个第二空气孔之间设有一个第三空气孔。
在一种可能的设计中，多个所述第三空气孔沿水平方向和竖直对称分布。
在一种可能的设计中，所述双芯微结构光纤的基底材料为石英。
在一种可能的设计中，所述第一空气孔的直径范围为1.16-1.24μm，所述第二空气孔的直径范围为1.56-1.64μm，所述第三空气孔的直径范围为1.16-1.24μm。
在一种可能的设计中，所述第一空气孔的直径为1.2μm，所述第二空气孔的直径为1.6μm，所述第三空气孔的直径为1.2μm。
在一种可能的设计中，所述水平间距和所述竖直间距相等，均为2μm。
本申请提供的一种用于磁场传感的磁流体双芯微结构光纤，包括双芯微结构光纤及磁流体，所述磁流体填充在所述双芯微结构光纤的空气孔中，用于调节纤芯模式的有效折射率以进行磁场的检测；所述双芯微结构光纤的中心设有用于填充所述磁流体的第一空气孔，所述微结构光纤中在两个纤芯上下的四个气孔为第二空气孔，第二空气孔的直径大于所述第一空气孔的直径，所述第二空气孔的环周设有多个第三空气孔，多个所述第三空气孔构成四边形，相邻两个所述第三空气孔的水平间距相等，相邻两个所述第三空气孔的竖直间距相等。本申请提供的一种用于磁场传感的磁流体双芯微结构光纤，双芯微结构光纤的中心设有用于填充所述磁流体的第一空气孔和四个第二空气孔的设置，用于调节纤芯模式的有效折射率，使磁场的变化更加灵敏，实现高灵敏度的静磁场强度的测量。实际应用中，由于磁场可以调节磁流体的折射率，而填充磁流体的第一空气孔可以调节双芯微结构光纤的纤芯模式，故可以通过外界磁场对纤芯模式进行调节作用，实现造成纤芯之间的耦合的波长位置发生变化。反之，可以通过测量双芯之间耦合波长的变化来实现对磁场的测量。同时，双芯微结构光纤易于将传感信号的输入和输出分离，有利于降低串扰，为磁场传感器的研究提供了重要平台。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
图1是本发明实施例1的磁流体双芯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是本发明实施例1的磁流体双芯微结构光纤分别在磁场强度为80奥斯特下，波长为1.55μm处的y方向上的偶模分布图；
图4是本发明实施例1的磁流体双芯微结构光纤分别在磁场强度为80奥斯特下，波长为1.55μm处的y方向上的奇模分布图；
图5是本发明实施例1的磁流体双芯微结构光纤分别在磁场强度为80奥斯特下，波长为1.55μm处的x方向上的偶模分布图；
图6是本发明实施例1的磁流体双芯微结构光纤分别在磁场强度为80奥斯特下，波长为1.55μm处的x方向上的奇模分布图；
图7是本发明实施例1的在磁场为80奥斯特下，x和y方向上的耦合长度随波长的变化分布图；
图8是本发明实施例1的在磁场为80奥斯特下，x和y方向上纤芯模式间有效折射率的差值随波长的变化分布图；
图9是本发明实施例1的在磁场为80-260奥斯特下，传输长度为160.8μm时；传输谱随波长的变化分布图；
图10是本发明实施例1的在磁场为80-260奥斯特下，传输长度为482μm时；传输谱随波长的变化分布图；
图11是本发明实施例1的在磁场为80-260奥斯特下，传输长度为160.8μm时；波长位移量随磁场变化的分布图；
图12是本发明实施例1的在磁场为80-260奥斯特下，输长度为482μm时；波长位移量随磁场变化的分布图；
图13是本发明实施例2的在传输长度为482μm时，第三空气孔直径为1.16μm时；波长变化量随磁场的变化分布图；
图14是本发明实施例2的在传输长度为482μm时，第三空气孔直径为1.24μm时；波长变化量随磁场的变化分布图；
图15是本发明实施例2的在传输长度为482μm时，第二空气孔直径为1.56μm时；波长变化量随磁场的变化分布图；
图16是本发明实施例2的在传输长度为482μm时，第二空气孔直径为1.64μm时；波长变化量随磁场的变化分布图；
图17是本发明实施例2的在传输长度为482μm时，在第一空气孔直径为1.16μm时，波长变化量随磁场的变化分布图；
图18是本发明实施例2的在传输长度为482μm时，在第一空气孔直径为1.24μm时，波长变化量随磁场的变化分布图。
通过上述附图，已示出本公开明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本公开构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本公开的概念。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
本文中属于“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示，单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况，另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
此外，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。
下面以具体地实施例对本申请的技术方案以及本申请的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例中不再赘述。下面将结合附图，对本申请的实施例进行描述。
图1为本发明实施例1的一种用于磁场传感的磁流体双芯微结构光纤的横截面图，如图1所示，包括双芯微结构光纤及磁流体；所述磁流体填充在所述双芯微结构光纤的空气孔中，调节纤芯模式的有效折射率以进行磁场的检测。
其中，磁流体双芯微结构光纤的中心设有用于填充磁流体的第一空气孔d1，微结构光纤中在两个纤芯上下的四个气孔为第二空气孔d2，第二空气孔d2的直径大于第一空气孔d1的直径；第二空气孔d2的环周设有多个第三空气孔d3，多个第三空气孔d3构成四边形，相邻两个所述第三空气孔d3的水平间距Λx相等，相邻两个第三空气孔d3的竖直间距Λy相等。
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胶体溶液。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。可选地，磁性颗粒包括下述中任意一项：Fe3O4，Fe2O3，Ni，Co及其合金，液体溶剂包括下述中任意一项：水，煤油，庚烷。
微结构光纤(Microstructured Optical Fiber，MOF)又称光子晶体光纤，是基于光子晶体理论提出的一类新型光纤，其光纤截面存在周期性的空气微孔，该空气微孔为磁流体的填充提供了天然通道。实际应用中，双芯微结构光纤两端分别与单模光纤融接，用于光信号的输入和输出，利用微结构光纤纤芯与磁流体的空间结构分布，实现光场能量在纤芯与磁流体之间的相互耦合，本实施例中空气孔的设置，增加了磁流体对纤芯模式折射率的调控作用，实现了对外界磁场的高灵敏度测量。具体地，可以通过外界磁场对微结构光纤的纤芯模式进行调节作用，实现造成纤芯与磁流体之间的耦合的波长位置发生变化，通过监测波长位置，实现对外界磁场的测量。
外界磁场对纤芯的调节具体体现在，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。填充磁流体的折射率随磁场大小不同的变化分布图如图2所示。该磁流体的临界磁场为80奥斯特,初始折射率为1.3411，最大折射率为1.3901，拟合系数0.143，温度为20摄氏度。本实施例中通过四大大直径的第二空气孔的设置，使得磁场传感器对磁场的更加灵敏。
如图1所示，在一种可能的设计中，磁流体双芯微结构光纤的中心设有用于填充磁流体的第一空气孔，位于所述微结构光纤中在两个纤芯A、B上下的四个气孔为第二空气孔，沿水平方向上设置的两个第二空气孔之间设有一个第三空气孔。多个所述第三空气孔沿水平方向和竖直对称分布。
在一种可能的设计中，所述双芯微结构光纤的基底材料为石英。
在一种可能的设计中，所述第一空气孔的直径范围为1.16-1.24μm，所述第二空气孔的直径范围为1.56-1.64μm，所述第三空气孔的直径范围为1.16-1.24μm。优选地，所述第一空气孔的直径为1.2μm，所述第二空气孔的直径为1.6μm，所述第三空气孔的直径为1.2μm。所述水平间距和所述竖直间距相等，均为2μm。
本申请提供了一种用于磁场传感的磁流体双芯微结构光纤，包括双芯微结构光纤及磁流体，所述磁流体填充在所述双芯微结构光纤的空气孔中，用于调节纤芯模式的有效折射率以进行磁场的检测。；所述双芯微结构光纤的中心设有用于填充所述磁流体的第一空气孔，所述微结构光纤中在两个纤芯上下的四个气孔为第二空气孔，第二空气孔的直径大于所述第一空气孔的直径，所述第二空气孔的环周设有多个第三空气孔，多个所述第三空气孔构成四边形，相邻两个所述第三空气孔的水平间距相等，相邻两个所述第三空气孔的竖直间距相等。本申请提供的一种可用于磁场传感的磁流体双芯微结构光纤，双芯微结构光纤的中心设有用于填充所述磁流体的第一空气孔和四个第二空气孔的设置，用于调节纤芯模式的有效折射率，使磁场的变化更加灵敏，实现高灵敏度的静磁场强度的测量。实际应用中，由于磁场可以调节磁流体的折射率，而填充磁流体的第一空气孔可以调节双芯微结构光纤的纤芯模式，故可以通过外界磁场对纤芯模式进行调节作用，实现造成纤芯之间的耦合的波长位置发生变化。反之，可以通过测量双芯之间耦合波长的变化来实现对磁场的测量。同时，双芯微结构光纤易于将传感信号的输入和输出分离，有利于降低串扰，为磁场传感器的研究提供了重要平台。
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。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。应用本结构计算的磁场范围为80-260奥斯特，而此时对应的磁流体折射率分别为1.3411-1.3601。
图3至图6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。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。其中，图3为在磁场强度为80奥斯特下，波长为1.55μm处的y方向上的偶模分布图。图4为80奥斯特下，波长为1.55μm处的y方向上的奇模分布图。图5是在磁场强度为80奥斯特下，波长为1.55μm处的x方向上的偶模分布图。图6是在磁场强度为80奥斯特下，波长为1.55μm处的x方向上的奇模分布图。
图7是在磁场为80奥斯特下，x和y方向上的耦合长度随波长的变化分布图。从图7可以看到耦合长度随波长是逐渐变小的。
图8是本发明实施例1的在磁场为80奥斯特下，x和y方向上纤芯模式间有效折射率的差值随波长的变化分布图。图中x方向上的奇模与偶模的差值比y方向上的大，同时随着波长增大，其差值均呈递增的趋势。
已知光在光纤中的传输长度不同，光的输出方向不同，波长位移量不同。具体地，图9是本发明实施例1的在磁场为80-260奥斯特下，传输长度为160.8μm时；传输谱随波长的变化分布图。从该图中可以看到在传输长度一定时，随着磁场的增大，耦合波长呈现蓝移的特点。图10是本发明实施例1的在磁场为80-260奥斯特下，传输长度为482μm时；传输谱随波长的变化分布图。图11是本发明实施例1的在磁场为80-260奥斯特下，传输长度为160.8μm时；波长位移量随磁场变化的分布图。图12是本发明实施例1的在磁场为80-260奥斯特下，输长度为482μm时；波长位移量随磁场变化的分布图。
进一步地，为了获得双芯微结构光纤的中心孔的大小对线性拟合度(R2)的影响，如图13至图16所示，保持光的传输长度不变为482μm，调整各空气孔的直径大小。
具体地，图13是本发明实施例2的在传输长度为482μm时，d3为1.16μm时；波长变化量随磁场的变化分布图。从该图可以看到当第二空气孔的直径d2为1.6μm，第一空气孔的直径d1为1.2μm，第三空气孔的水平间距Λx与竖直间距Λy相等为2μm且保持不变时，第三空气孔直径d3为1.16μm与其直径为1.2μm时相比，灵敏度要小，但是线性拟合度(R2)要大。即第三空气孔的直径变小，灵敏度减小，线性拟合度(R2)增大。
图14是本发明实施例2的在传输长度为482μm时，d3为1.24μm时；波长变化量随磁场的变化分布图。从该图可以看到当第二空气孔的直径d2为1.6μm，第一空气孔的直径d1为1.2μm，第三空气孔的水平间距Λx与竖直间距Λy相等为2μm且保持不变时，第三空气孔直径d3为1.24μm与其直径为1.2μm时相比，灵敏度要大，但是线性拟合度(R2)要小，即第三空气孔的直径变大，灵敏度增大，线性拟合度(R2)减小。
进一步地，保持第一空气孔和第三空气孔的直径与图13的实施例相同，调整第二空气孔的直径大小，如图15所示，图15是本发明实施例2的在传输长度为482μm时，第二空气孔直径d2为1.56μm时；波长变化量随磁场的变化分布图。由图15可知，当第二空气孔d2为1.56μm时，即第二空气孔直径减小时，传感器的灵敏度降低，线性拟合度(R2)也降低。
图16是本发明实施例2的在传输长度为482μm时，第二空气孔直径d2为1.64μm时；波长变化量随磁场的变化分布图。当第二空气孔直径d2为1.64μm时，传感器的灵敏度比第二空气孔直径d2为1.6μm大，但线性拟合度(R2)降低。
为了进一步说明波长变化量对磁场的变化，请参阅图17和图18，具体地，图17是本发明实施例2的在传输长度为482μm时，在第一空气孔直径d1为1.16μm时，波长变化量随磁场的变化分布图。图18是本发明实施例2的在传输长度为482μm时，在第一空气孔直径d1为1.24μm时，波长变化量随磁场的变化分布图。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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：其依然可以对前述各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各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种用于磁场传感的磁流体双芯微结构光纤，其特征在于，包括：
双芯微结构光纤及磁流体；所述磁流体填充在所述双芯微结构光纤的空气孔中，用于调节纤芯模式的有效折射率以进行磁场的检测；
其中，所述双芯微结构光纤的中心设有用于填充所述磁流体的第一空气孔，所述微结构光纤中在两个纤芯上下的四个气孔为第二空气孔，所述第二空气孔的直径大于所述第一空气孔的直径；
所述第二空气孔的环周设有多个第三空气孔，多个所述第三空气孔构成四边形，相邻两个所述第三空气孔的水平间距相等，相邻两个所述第三空气孔的竖直间距相等。
2.根据权利要求1所述的磁流体双芯微结构光纤，其特征在于，位于所述第一空气孔上方的两个所述第二空气孔水平布置。
3.根据权利要求2所述的磁流体双芯微结构光纤，其特征在于，沿水平方向上设置的两个第二空气孔之间设有一个第三空气孔。
4.根据权利要求2所述的磁流体双芯微结构光纤，其特征在于，多个所述第三空气孔沿水平方向和竖直方向对称分布。
5.根据权利要求1所述的磁流体双芯微结构光纤，其特征在于，所述双芯微结构光纤的基底材料为石英。
6.根据权利要求1所述的磁流体双芯微结构光纤，其特征在于，所述第一空气孔的直径范围为1.16-1.24μm，所述第二空气孔的直径范围为1.56-1.64μm，所述第三空气孔的直径范围为1.16-1.24μm。
7.根据权利要求6所述的磁流体双芯微结构光纤，其特征在于，所述第一空气孔的直径为1.2μm，所述第二空气孔的直径为1.6μm，所述第三空气孔的直径为1.2μm。
8.根据权利要求1-7任一项所述的磁流体双芯微结构光纤，其特征在于，所述水平间距和所述竖直间距相等，均为2μm。
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