CN111443312B - 一种利用双光子飞秒激光直写技术3d打印的高灵敏度磁场传感器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用双光子飞秒激光直写技术3D打印的高灵敏度磁场传感器及其制作方法，包含入射单模光纤、双Y分支微结构和出射单模光纤；双Y分支微结构直接打印在入射单模光纤一端面和出射单模光纤一端面上，双Y分支微结构包括参考臂和测量臂，测量臂内包含有一段空心微腔体和微流通道用于填充磁流体材料。测量臂中导模的有效折射率与磁流体折射率密切相关，导致通过参考臂和测量臂上的传播光在公共端干涉后产生较大的相位差，干涉后的光谱由于参考臂和测量臂有效折射率不同而产生周期性的变化，当外界磁场变化时，干涉后光谱的谷产生漂移，通过测量该漂移可以实现对磁场的测量。该传感器具有体积小、灵敏度高、耐腐蚀等明显优势。
Description
技术领域
本发明涉及光学传感技术领域，具体涉及一种利用双光子飞秒激光直写技术3D打印的高灵敏度磁场传感器及其制作方法。
背景技术
磁场测量在电力系统、航空航天、深海探测等领域具有重要的应用前景。当前已经提出了用于检测磁场的各种类型的基于光学和电学的磁场传感器，其中基于磁流体(MF)的光纤磁场传感器是一种有潜力的磁场传感器，这种传感器使用磁流体作为敏感物质，磁流体由包裹表面活性剂(油酸)的磁性纳米颗粒(如Fe3O4，CoFe2O4或MnFe2O4等)悬浮分散在某些溶剂中混合而成。磁流体具有折射率可调、场传输依赖性、法拉第效应和双折射效应等磁光特性，可利用光学方法实现对外界磁场的精密检测。
基于磁流体实现对外界磁场检测的原理在于，当外界磁场存在时，磁流体的折射率发生相应的变化。现有的利用光学原理与磁流体结合的磁场测量方法包括回音壁模式磁场传感器、表面等离振子共振磁场传感器、干涉式磁场传感器、基于光栅的磁场传感器。这些磁场传感器利用磁流体的存在改变了波导中传输光的倏逝场或导模，改变了传输光的强度或共振波长。这些工作主要通过优化光-磁流体相互作用，设计高磁场灵敏度的传感器。
通过将磁流体灌入光子晶体光纤的微型孔中，已实现许多基于磁流体的光纤磁场传感器，例如长周期光栅和马赫-曾德干涉仪，这显示了高灵敏度传感应用的潜力。现有技术通常在传统的光纤中制作微加工孔来填充磁流体，但是，光纤中的微加工孔往往导致光-磁流体的相互作用的空间有限，因此在有限的空间内仅通过优化光-磁流体相互作用难以较大的提升传感器的磁场灵敏度，且稳定性较差。若要进一步提升传感器的磁场灵敏度和稳定性，需要从根本上解决光-磁流体的相互作用空间过小的问题，同时保证填充磁流体的孔具备耐腐蚀性的特点。
发明内容
为了解决现有的基于磁流体(MF)的光纤磁场传感器中光-磁流体的相互作用空间有限、灵敏度和稳定性较低、光纤材料耐腐蚀性较差的问题，本发明提出了一种利用双光子飞秒激光直写技术3D打印的高灵敏度磁场传感器及其制作方法。采用双光子激光直写技术制造3D电子器件，具有高分辨率和快速写入速度的优势，能够从根本上解决波导器件中的光-磁流体相互作用空间过小的问题，同时保证填充磁流体的孔具备耐腐蚀性，能够进一步提升磁场传感器的灵敏度和稳定性。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种利用双光子飞秒激光直写技术3D打印的高灵敏度磁场传感器，其特征在于，包含入射单模光纤、双Y分支微结构和出射单模光纤；所述的双Y分支微结构的入射端和出射端分别与入射单模光纤和出射单模光纤的一端相连，所述的入射单模光纤和出射单模光纤的另一端分别连接宽谱光源和光谱分析仪；
所述的双Y分支微结构包括平行且等长的参考臂和测量臂，参考臂和测量臂位于同一侧的两端连通形成入射Y分支微结构，参考臂和测量臂位于另一侧的两端连通形成出射Y分支微结构，所述的入射Y分支微结构的入射端与入射单模光纤的出射端由3D打印直接打印连接；所述的出射Y分支微结构的出射端与出射单模光纤的入射端由3D打印直接打印连接；所述的测量臂内部设有空心微腔体，所述的空心微腔体内充满磁流体，空心微腔体的两端分别通过第一微流通道和第二微流通道与外部接通，第一微流通道和第二微流通道的端口处由紫外胶密封。
作为本发明的优选，所述的第一微流通道和第二微流通道的开口方向相反。
作为本发明的优选，所述的参考臂和测量臂的材质为聚合物。
作为本发明的优选，所述的参考臂和测量臂的横截面为正方形，且参考臂的横截面与测量臂的横截面边长相等。
作为本发明的优选，所述的空心微腔体的壁厚为1μm。
作为本发明的优选，所述的空心微腔体(8)的长度为150～170μm。
本发明还公开了一种上述的利用双光子飞秒激光直写技术3D打印的高灵敏度磁场传感器的制作方法，包含如下步骤：
1)将入射单模光纤和出射单模光纤的一个端面进行切割，将两个切割端面分别作为入射单模光纤的出射端和出射单模光纤的入射端；然后将入射单模光纤的出射端和出射单模光纤的入射端分别固定在基板的两侧，预留距离等于双Y分支微结构的长度，并使得入射单模光纤和出射单模光纤的纤芯在同一条直线上；
2)利用双光子飞秒激光直写仪直接将所述的双Y分支微结构3D打印在入射单模光纤的出射端和出射单模光纤的入射端之间，使得所述的入射Y分支微结构的入射端与入射单模光纤的出射端连接，所述的出射Y分支微结构的出射端与出射单模光纤的入射端连接；
3)将吸入磁流体的注射器与空心光纤的一端连通，空心光纤的另一端与第一微流通道或第二微流通道连通，使磁流体充满所述测量臂内部的空心微腔体；利用紫外固化胶密封第一微流通道和第二微流通道，高灵敏度磁场传感器制作完成。
作为本发明的优选，在3D打印过程中，打印材料采用聚合物流体材料。
作为本发明的优选，3D打印的参考臂和测量臂的横截面为正方形，所述正方形的边长范围为10～50μm；打印的空心微腔体长度范围为10～200μm，空心微腔体(8)的壁厚为1μm。
本发明的有益效果在于：
本发明提出了一种高灵敏度磁场传感器，该传感器采用双光子飞秒激光直写技术3D打印的工艺，具有高分辨率和快速写入速度的优势，能够从根本上解决波导器件中的光-磁流体相互作用空间过小的问题，易于加工，稳定性高；此外，该传感器中的双Y分支微结构打印于两根单模光纤端面上，具有小型化的优点，能够通过改变打印流体材料保证填充磁流体的孔具备耐腐蚀性，能够进一步提升磁场传感器的灵敏度和稳定性。
附图说明
图1是本发明中利用双光子飞秒激光直写技术3D打印的高灵敏度磁场传感器在工作过程中的原理示意图；
图2是本发明中双Y分支(马赫-曾德)微结构示意图；
图3为本发明中双Y分支(马赫-曾德)微结构的截面图；
图4为本发明中双Y分支(马赫-曾德)微结构的侧面图；
图5为本发明的实验测试结果图；
图中：1.宽谱光源，2.入射单模光纤，3.双Y分支微结构，4.出射单模光纤，5.光谱分析仪，6.参考臂，7.测量臂，8.空心微腔体，9.第一微流通道，10.第二微流通道。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
如图1-3所示，本发明的一种利用双光子飞秒激光直写技术3D打印的高灵敏度磁场传感器，包含入射单模光纤2、双Y分支微结构3和出射单模光纤4；所述的双Y分支微结构3的入射端和出射端分别与入射单模光纤2和出射单模光纤4的一端相连。所述的高灵敏度磁场传感器在工作时，如图1所示，入射单模光纤2和出射单模光纤4的另一端分别连接宽谱光源1和光谱分析仪5。
如图2、3和4所示，所述的双Y分支微结构3包括平行且等长的参考臂6和测量臂7，参考臂6和测量臂7位于同一侧的两端连通形成入射Y分支微结构，参考臂6和测量臂7位于另一侧的两端连通形成出射Y分支微结构，所述的入射Y分支微结构的入射端与入射单模光纤2的出射端由3D打印直接打印连接；所述的出射Y分支微结构的出射端与出射单模光纤4的入射端由3D打印直接打印连接；所述的测量臂7内部设有空心微腔体8，所述的空心微腔体8内充满磁流体，空心微腔体8的两端分别通过第一微流通道9和第二微流通道10与外部接通，第一微流通道9和第二微流通道10的端口处由紫外胶密封。
在本发明的一种具体实施中，如图2所示，所述的第一微流通道9和第二微流通道10的开口方向相反；所述的参考臂6和测量臂7的横截面为正方形，且参考臂6的横截面与测量臂7的横截面边长相等。
一种典型的实例中，使用芯/包层直径为8/125μm的康宁公司型号为SMF-28的单模光纤，参考臂的材质为Nanoscrip公司的IP-DIP聚合物，其折射率为1.52，参考臂总长度为340μm，截面形状为正方形，截面边长为40μm；测量臂材质为聚合物，截面形状为正方形，截面边长为40μm，测量臂内部包含一段空心微腔体，空心微腔体长度为160μm，空心微腔体处壁厚为1μm。
双Y分支微结构的制作过程包括：将入射单模光纤和出射单模光纤的一个端面进行切割，然后将这两个端面分别固定在基板的两侧，预留距离等于双Y分支微结构的长度，并使得入射单模光纤和出射单模光纤的纤芯在同一条直线上；利用双光子飞秒激光直写仪直接将所述的双Y分支微结构3D打印在两个端面之间，打印材料采用聚合物流体材料。为了获得高分辨率，以浸没模式执行激光直写，其中显微镜物镜浸入聚合物流体中。
初步制作完成后，分四个步骤进行测量准备。第一，用丙二醇单甲醚乙酸酯(PGMEA)处理微结构打印过程中残留的聚合物，然后用异丙醇冲洗；第二，使用带有CCD摄像头的显微镜、多轴位移台和纤心直径为50μm的空芯光纤对齐测量臂中的第一微流通道9或第二微流通道10，空芯光纤通过密封的软管连接到注射器，借助注射器，将磁流体填充到空心微腔体中；第三，使用带有CCD摄像头的显微镜，多轴位移台和纤心直径为50um的空芯光纤分别对准测量臂的第一微流通道9和第二微流通道10，空芯光纤通过密封的软管连接到注射器，借助注射器，将紫外固化胶涂抹在第一微流通道9和第二微流通道10上；第四，撤出空芯光纤，使用紫外灯固化密封第一微流通道9和第二微流通道10。
本发明的工作过程为：
宽谱光源1出射宽谱光，经由入射单模光纤2进入打印在其端面上的双Y分支微结构3，光信号经由入射Y分支微结构分为两束，分别沿参考臂6和测量臂7传输，参考臂6由聚合物制成，折射率恒定，光信号在参考臂上传输时光程恒定；测量臂内包含一段空心微腔体8，空心微腔体连接有第一微流通道9和第二微流通道10，通过两通道填充磁流体材料至空心微腔体内，并将填充完磁流体的第一微流通道9和第一微流通道10使用固化胶密封。外界磁场发生变化时，测量臂空心微腔体内的磁流体折射率发生相应的变化，导致测量臂的有效折射率变化，使得测量臂上传输光信号的光程发生相应的变化。参考臂6和测量臂7上的传输光经由出射Y分支微结构合束，产生干涉，干涉信号通过出射单模光纤4传输至光谱分析仪5。
干涉后光信号的光谱会产生周期性变化，磁场的变化导致干涉光谱的波谷产生漂移，通过光谱分析仪测量光谱波谷的漂移大小即可实现对磁场的测量。
本发明的工作原理为：
在双Y分支(马赫-曾德)微结构参考臂和测量臂中传输的两束光信号IR和IM发生干涉后，干涉光信号可以表示为：
其中λ是波长、L是测量臂中空心微腔体的长度、Δn＝nR-nM是参考臂与测量臂之间的有效折射率差，其中nR和nM分别是参考臂和测量臂的有效折射率、φ0是初始相位。由式(1)可知，在以下条件下输出强度达到最小值：
2πLΔn/λm＝(2m+1)π+φ0 (2)
其中m是整数、λm是干涉谱的第m阶条纹倾角的波长。测量臂和参考臂之间的绝对光程差为：
OPD＝ΔnL＝(λmλm+1)/Δλ (3)
其中Δλ是λm和λm+1处的干涉光谱的自由光谱范围。因此，可以通过计算干涉光谱光程的变化来得到磁流体的有效折射率，根据磁流体折射率与磁场的关系即可得到外界磁场的信息。
磁场实验中使用的SLED宽谱光源的光波段为1480nm到1700nm，磁场通过两个相互平行的电磁铁产生，磁场探头(双Y分支微结构)放置于两电磁铁中心位置，高斯计(F.W.BELL，6010)的磁场传感头放置于电磁铁中心，磁场大小通过电流源在0-10高斯范围内可调，调节精度0.1高斯，实验过程中环境温度25℃。
实验结果如图5所示，实验中分别施加了2高斯、4高斯、6高斯、8高斯、10高斯的磁场，从图中可知，随着磁场的增加，谐振波长变小，从式(2)可知，这与理论结果是一致的；在磁场从2高斯变化到10高斯的范围内，谐振波长蓝移56.28nm，对应的磁场灵敏度为-7.035nm/高斯，对于分辨率为1pm的光谱仪，可检测到的磁场灵敏度为14.21nT：光的强度随着磁场的增加而减弱，原因在于磁场增加时，磁流体内纳米粒子形成的链条变长，光的吸收变大，与理论结果相符。
以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种利用双光子飞秒激光直写技术3D打印的高灵敏度磁场传感器，其特征在于，包含入射单模光纤(2)、双Y分支微结构(3)和出射单模光纤(4)；所述的双Y分支微结构(3)的入射端和出射端分别与入射单模光纤(2)和出射单模光纤(4)的一端相连，所述的入射单模光纤(2)和出射单模光纤(4)的另一端分别连接宽谱光源(1)和光谱分析仪(5)；
所述的双Y分支微结构(3)包括平行且等长的参考臂(6)和测量臂(7)，参考臂(6)和测量臂(7)位于同一侧的两端连通形成入射Y分支微结构，参考臂(6)和测量臂(7)位于另一侧的两端连通形成出射Y分支微结构，所述的入射Y分支微结构的入射端与入射单模光纤(2)的出射端由3D打印直接打印连接；所述的出射Y分支微结构的出射端与出射单模光纤(4)的入射端由3D打印直接打印连接；所述的测量臂(7)内部设有空心微腔体(8)，所述的空心微腔体(8)内充满磁流体，空心微腔体(8)的两端分别通过第一微流通道(9)和第二微流通道(10)与外部接通，第一微流通道(9)和第二微流通道(10)的端口处由紫外胶密封。
2.根据权利要求1所述的利用双光子飞秒激光直写技术3D打印的高灵敏度磁场传感器，其特征在于，所述的第一微流通道(9)和第二微流通道(10)的开口方向相反。
3.根据权利要求1所述的利用双光子飞秒激光直写技术3D打印的高灵敏度磁场传感器，其特征在于，所述的参考臂(6)和测量臂(7)的材质为聚合物。
4.根据权利要求1所述的利用双光子飞秒激光直写技术3D打印的高灵敏度磁场传感器，其特征在于，所述的参考臂(6)和测量臂(7)的横截面为正方形，且参考臂(6)的横截面与测量臂(7)的横截面边长相等。
5.根据权利要求1所述的利用双光子飞秒激光直写技术3D打印的高灵敏度磁场传感器，其特征在于，所述的空心微腔体(8)的壁厚为1μm。
6.根据权利要求1所述的利用双光子飞秒激光直写技术3D打印的高灵敏度磁场传感器，其特征在于，所述的空心微腔体(8)的长度为10～200μm。
7.一种权利要求2所述的利用双光子飞秒激光直写技术3D打印的高灵敏度磁场传感器的制作方法，其特征在于包含如下步骤：
1)将入射单模光纤(2)和出射单模光纤(4)的一个端面进行切割，将两个切割端面分别作为入射单模光纤(2)的出射端和出射单模光纤(4)的入射端；然后将入射单模光纤(2)的出射端和出射单模光纤(4)的入射端分别固定在基板的两侧，预留距离等于双Y分支微结构(3)的长度，并使得入射单模光纤(2)和出射单模光纤(4)的纤芯在同一条直线上；
2)利用双光子飞秒激光直写仪直接将所述的双Y分支微结构(3)3D打印在入射单模光纤(2)的出射端和出射单模光纤(4)的入射端之间，使得所述的入射Y分支微结构的入射端与入射单模光纤(2)的出射端连接，所述的出射Y分支微结构的出射端与出射单模光纤(4)的入射端连接；
3)将吸入磁流体的注射器与第一微流通道(9)或第二微流通道(10)连通，使磁流体充满所述测量臂(7)内部的空心微腔体(8)；利用紫外固化胶密封第一微流通道(9)和第二微流通道(10)，高灵敏度磁场传感器制作完成。
8.根据权利要求7所述的利用双光子飞秒激光直写技术3D打印的高灵敏度磁场传感器的制作方法，其特征在于，在3D打印过程中，打印材料采用聚合物流体材料。
9.根据权利要求7所述的利用双光子飞秒激光直写技术3D打印的高灵敏度磁场传感器的制作方法，其特征在于，3D打印的参考臂(6)和测量臂(7)的横截面为正方形，所述正方形的边长范围为10～50μm；打印的空心微腔体长度范围为10～200μm，空心微腔体(8)的壁厚为1μm。
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