CN112130249A - 基于磁流体的可编程光纤光栅 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种基于磁流体的可编程光纤光栅。其特征是：它由用户控制端1、恒流源2、光栅周期控制系统3、微型电磁铁控制阵列4、毛细管光纤5、磁流体6和微型电磁铁贴片阵列7组成。本发明可用于光栅周期可控的光纤光栅器件的制作，如：光学滤波器、色散补偿器和光纤延时器等，可广泛用于光纤传感和光纤通信领域。
Description
(一)技术领域
本发明涉及的是一种基于磁流体的可编程光纤光栅，可用于光栅周期可控的光纤光栅器件的制作，如：光学滤波器、色散补偿器和光纤延时器等，属于光纤传感和光纤通信技术领域
(二)背景技术
光纤光栅是一种通过外界微扰使得光纤纤芯的折射率产生沿纤芯轴向的周期性变化，从而具有固定空间相位的无源光学器件，其实质是光纤纤芯内折射率随着光强度空间分布发生相应变化的特性，相当于在纤芯内形成一个窄带(透射或反射)的滤波器或反射镜，具有波长选择性优良、附加损耗低、带宽范围宽和耦合特性好等优良特性。
目前，由于光纤光栅具有体积小、熔接损耗小、能埋入智能材料等优点，其谐振波长对温度、折射率和外界应变等外部环境敏感，因此在光纤通信和光纤传感等领域具有广泛的应用。同时利用光纤光栅可制备一系列光学器件，比如光纤放大器、色散补偿器、模式转换器、隔离滤波器以及各种各样的光纤传感器件。
通常情况下，光纤光栅应用于上述器件时，均需先设定固定的波长和栅距，从而完成一个光栅的制作，因此只能应用于特定的场合或者固定的器件中，限制了光纤光栅类光学器件的应用。
以目前使用最为广泛的光纤布拉格光栅和长周期光纤光栅为例，无论是均匀光纤光栅还是非均匀光纤光栅，一旦完成制作，其光栅周期就不能改变，即其光栅周期均不能根据实际情况进行调整，只能对应于特定的情况使用，这大大的限制了单个光纤光栅的使用范围。
磁流体是指由纳米级的强磁颗粒高度弥漫在某种基液中形成的稳定胶状液体，是一种兼具磁性和流动性的悬浮液。磁流体是一种新型的纳米智能材料，当有外加磁场时，具有光透射效应、热透镜效应、磁光效应和折射率可控性等优秀的光学特性。
经过对比文献和专利发现，目前不曾有人将磁流体注入毛细管光纤纤芯内，通过利用磁流体有外加磁场时，具有折射率变化的特点，使用微型电磁铁控制阵列控制微型电磁铁贴片阵列中各个微型电磁铁贴片的通电状态，使得光栅周期发生可受控制的变化，从而制作一种基于磁流体的光栅周期可控的光纤光栅。
本发明公开了一种基于磁流体的可编程光纤光栅，可对光纤光栅周期进行实时控制，极大的扩展了单个光纤光栅类光学器件的适用范围，可广泛应用于光纤传感和光纤通信领域。本发明使用光栅周期控制系统及微型电磁铁控制阵列实现贴附在毛细管光纤表面的微型电磁铁贴片阵列中各个微型电磁铁贴片的通电状态的调整，使得毛细管光纤纤芯内的磁流体折射率发生变化，进而实现光纤光栅周期可控的目的。这种光纤光栅使用灵活，可大幅提升基于光纤光栅的传感系统的动态测量范围及其在多变环境下的稳定性。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种具有光栅周期可控功能的基于磁流体的可编程光纤光栅。
本发明的目的是这样实现的：
基于磁流体的可编程光纤光栅是由用户控制端1、恒流源2、光栅周期控制系统3、微型电磁铁控制阵列4、毛细管光纤5、磁流体6和微型电磁铁贴片阵列7组成。所述系统中用户控制端1通过光栅周期控制系统3控制微型电磁铁控制阵列4，由恒流源2供电的微型电磁铁控制阵列4与贴附在毛细管光纤 5表面的微型电磁铁贴片阵列7相连，毛细管光纤5的纤芯内部充满磁流体6。通过操控用户控制端1控制贴附在毛细管光纤5表面的微型电磁铁贴片阵列7 中各个微型电磁铁贴片的通电状态，使得毛细管光纤5纤芯内部的磁流体的折射率形成周期性变化，从而达到控制光纤光栅周期的目的。
毛细管光纤5纤芯中填充的物质的是磁流体6，本发明中使用毛细作用法、低压抽入法或加压注入法中的任意一种方法将磁流体6注入毛细管光纤5 的纤芯内部。
磁流体6由基液，磁性固体颗粒和表面活性剂分子组成。磁性固体颗粒分子粒度大小不超过10nm，使得磁性固体颗粒可以一直处于运动的布朗状态中，从而阻止磁性固体颗粒的团聚和沉淀；基液会根据不同的材料进行选择，在很大程度上决定了磁流体基本的物理化学性质；表面活性剂分子是由亲水基团和憎水基团构成，具有两亲性(亲水性和亲油性)，从而保证磁性固体颗粒完全均匀的分散在基液中而不发生沉淀。
在充满磁流体6的毛细管光纤5表面贴附微型电磁铁贴片阵列7，该阵列中两个微型电磁铁贴片为一组，对称分布在毛细管光纤5的两个侧表面，所有的微型电磁铁贴片(组)均匀分布在毛细管光纤5的表面，这些微型电磁铁贴片大小完全一致。
恒流源2通过微型电磁铁控制阵列4给微型电磁铁贴片阵列7中的各个微型电磁铁贴片(组)供电。当恒流源2供电时，毛细管光纤5表面的微型电磁铁贴片(组)就会处于通电状态，从而产生感应磁场。
磁流体6在外磁场的作用下，其磁性固体颗粒的磁矩会非常快的转向与外加磁场的方向保持一致，固体磁性颗粒互相吸引而排列成磁链，使得磁流体6 呈现光学各向异性，在微型电磁铁贴片(组)产生的感应磁场区域形成弱的凝絮结构，使磁流体的等效介电常数发生变化，从而导致磁流体6的折射率发生变化。
磁流体折射率可以由S.Y.Yang提出的公式计算：
磁流体的有效介电常数可以表示为：
εliq|Mseff(H)＝n2 MF(Ms|H＝0)＝(0.1573Ms+1.3283)2 (2)
其中εcol表示固相，即磁链的介电常数，εliq是液相的介电常数，与磁流体的有效浓度Mseff相关，Ms表示磁流体6的初始浓度。
f是磁场的函数，可以由公式f＝(Acol/A)(1-Acol/A)计算可得，其中A表示磁流体6所占区域，Acol/A表示磁链所占区域。
结合公式(1)和(2)，则磁流体的εMF在不同的磁场下被估算，同时磁流体6的折射率可以通过
计算可得。
当外界感应磁场撤去时，由表面活性剂分子包裹的固体磁性颗粒会在基液中处于不停的热运动中，使得磁性固体颗粒分子处于杂乱无章的运动中，但是由于磁流体具有粘性，所以从外磁场撤去到恢复至初始状态需要一定的时间，但这个滞后时间一般来说比较短，不影响应用。
光栅周期控制系统3通过微型电磁铁控制阵列4控制微型电磁铁贴片阵列7中各个微型电磁铁贴片(组)的通电状态，即当光栅控制系统3输出信号“1”至微型电磁铁控制阵列4时，会使得与微型电磁铁控制阵列4连接的微型电磁铁阵列7中的微型电磁铁贴片(组)处于通电状态，从而产生感应磁场；当光栅控制系统输出信号“0”至微型电磁铁控制阵列4时，与微型电磁铁控制阵列4连接的微型电磁铁贴片阵列7中的微型电磁铁贴片(组)处于断电状态，无磁场产生。
将贴附在毛细管光纤5表面的微型电磁铁贴片阵列7中的各个微型电磁铁贴片(组)编号，分别为1N、2N、3N、……。当N＝1时，贴附在毛细管光纤5表面的微型电磁铁贴片阵列7中所有的微型电磁铁贴片(组)均有电流通过，此时形成了一个光栅周期固定的光纤光栅。
当N＝2时，此时只有贴附在毛细管光纤5表面的微型电磁铁贴片阵列7 中编号为2、4、6、……、2n的微型电磁铁贴片(组)有电流通过，产生感应磁场，从而导致光纤光栅的周期发生改变。
同理，当N＝3、4、5、……时，通过控制贴附在毛细管光栅5表面的微型电磁铁贴片7中各个微型电磁铁贴片的通电状态，光栅周期也会发生相应的改变，从而达到光纤光栅周期可控的目的。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的发明效果：
本发明制备的基于磁流体的可编程光纤光栅同时具有多种不同的光栅周期，可以用单个可编程光纤光栅代替多个不同光栅周期固定的光纤光栅，从而满足工作人员对于周期可控的光纤光栅类光学器件不同的需求，极大的减少了仪器中附件的数目；同时，这种光纤光栅使用灵活，可大幅提升基于光纤光栅的传感系统的动态测量范围及其在多变环境下的稳定性。
(四)附图说明
图1是一种基于磁流体的可编程光纤光栅的结构示意图。由用户控制端 1、直流恒流源2、光栅周期控制系统3、微型电磁铁控制阵列4、毛细管光纤5、磁流体6和微型电磁铁贴片阵列7组成。
图2是一种基于磁流体的可编程光纤光栅的实施例示意图。由用户控制端21、恒流源22、光栅周期控制系统23、微型电磁铁控制阵列24、毛细管光纤25、磁流体26和微型电磁铁贴片阵列27组成。磁流体26由固体磁性颗粒 261、基液262和表面活性剂分子263组成。
图3(a)是基于磁流体的可编程光纤光栅未通电时的毛细管光纤的纤芯内部磁流体分布状况；图3(b)是基于磁流体的可编程光纤光栅通电时的毛细管光纤的纤芯内部磁流体分布状况。由毛细管光纤5、磁流体6、微型电磁铁贴片阵列7、和感应磁场8组成。
图4是基于磁流体的可编程光纤光栅在微型电磁铁贴片的感应磁场下的截面图。由光毛细管光纤5、磁流体6、微型电磁铁贴片阵列7和感应磁场8组成。
(五)具体实施方式
下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。
图2给出了基于磁流体的可编程光纤光栅的实施例示意图，它是由用户控制端21、恒流源22、光栅周期控制系统23、微型电磁铁控制阵列24、毛细管光纤25、磁流体26和微型电磁铁贴片阵列27组成。所述系统中用户控制端 21通过光栅周期控制系统3控制微型电磁铁控制阵列24，由恒流源22供电的微型电磁铁控制阵列24与贴附在毛细管光纤25表面的微型电磁铁贴片阵列27 相连，毛细管光纤25的纤芯内部充满磁流体26，磁流体26由固体磁性颗粒261、基液262和表面活性剂分子263组成。通过操控用户控制端21控制贴附在毛细管光纤25表面的微型电磁铁贴片阵列27中各个微型电磁铁贴片的通电状态，使得毛细管光纤25纤芯内部的磁流体的折射率形成周期性变化，从而达到控制光纤光栅周期的目的。
本实施例中磁流体选择的磁性固体颗粒261是四氧化三铁(Fe3O4)，基液262选择的是煤油，表面活性剂分子263选择的是油酸，通过化学共沉淀法制备得到磁流体26。
将已经制备好的磁流体26通过低压抽入法注入毛细管光纤25的纤芯内部，使毛细管光纤25的纤芯内部充满磁流体26。
参考图3(a)，在充满磁流体26的毛细管光纤25表面贴附微型电磁铁贴片阵列27，该阵列中两个微型电磁铁贴片为一组，对称分布在毛细管光纤 25的两个侧表面，所有的微型电磁铁贴片(组)均匀分布在毛细管光纤5的表面，这些微型电磁铁贴片大小完全一致。
本实施例所用的微型电磁铁贴片阵列由50(组)微型电磁铁贴片组成，贴附在毛细管光纤25的表面，这些微型电磁铁贴片(组)之间的距离为100nm，其中微型电磁铁贴片宽度为100nm。
对贴附在毛细管光纤25表面的微型电磁铁阵列27中的50(组)微型电磁铁贴片分别编号：1N、2N、3N、……、50N。为了保证光栅的性能的可靠性，N的取值范围为1到10。
参考图3(b),当N＝1时，用户控制端21通过光栅周期控制系统输出信号“1”至微型电磁铁贴片阵列27，使得微型电磁铁阵列27中的所有微型电磁铁贴片(组)处于通电状态，产生感应磁场，此时形成光栅周期为100nm的光纤光栅。
当N＝2时，用户控制端21通过光栅周期控制系统输出信号“1”至微型电磁铁贴片阵列27，使得微型电磁铁阵列27中编号为2、4、6、……、50 的微型电磁铁贴片(组)处于通电状态，产生感应磁场，此时形成光栅周期为 300nm的光纤光栅。
同理，通过用户控制端21也可以使得N取3到10之中的任意数字，从而改变微型电磁铁贴阵列27中各个微型电磁铁贴片(组)的通电状态，通过这种方式就可以达到光纤光栅周期可控的目的，从而满足不同的情况和参数需求。
Claims (6)
1.一种基于磁流体的可编程光纤光栅。其特征是：它由用户控制端1、恒流源2、光栅周期控制系统3、微型电磁铁控制阵列4、毛细管光纤5、磁流体6和微型电磁铁贴片阵列7组成。所述系统中用户控制端1通过光栅周期控制系统3控制微型电磁铁控制阵列4，由恒流源2供电的微型电磁铁控制阵列4与贴附在毛细管光纤5表面的微型电磁铁贴片阵列7相连，毛细管光纤5的纤芯内部充满磁流体6。通过操控用户控制端1控制贴附在毛细管光纤5表面的微型电磁铁贴片阵列7中各个微型电磁铁贴片的通电状态，使得毛细管光纤5纤芯内部的磁流体的折射率形成周期性变化，从而达到控制光纤光栅周期的目的。
2.根据权利要求1所述的基于磁流体的可编程光纤光栅。其特征是：所述的恒流源2通过微型电磁铁控制阵列4给微型电磁铁贴片阵列7供电，可以是直流恒流源、交流恒流源或者电流发生器的任何一种。
3.根据权利要求1所述的基于磁流体的可编程光纤光栅。其特征是：所述的光栅周期控制系统3通过微型电磁铁控制阵列4控制贴附在毛细管光纤5表面的微型电磁铁贴片阵列7中各个微型电磁铁贴片的通电状态。
4.根据权利要求1所述的基于磁流体的可编程光纤光栅。其特征是：所述的毛细管光纤5是其纤芯内部为空心结构的光纤。
5.根据权利要求1所述的基于磁流体的可编程光纤光栅。其特征是：所述的磁流体6由基液、表面活性剂分子和固体磁性颗粒组成，作为一种特殊的功能材料，是把纳米数量级(10nm左右)的固体磁性颗粒包裹一层长链的表面活性剂，均匀的分散在基液中形成的均匀稳定的胶体溶液。磁流体中的基液可以是水、煤油或有机物中的一种；表面活性剂分子可以是油酸、丁二酸或亚酸油中的一种；固体磁性颗粒可以是四氧化三铁(Fe3O4)、三氧化二铁(Fe2O3)或锰、钴、镍等金属的氧化物中的一种。
6.根据权利要求1所述的基于磁流体的可编程光纤光栅。其特征是：所述的微型电磁铁贴片阵列7中两个微型电磁铁贴片为一组，等间距的对称分布在毛细管光纤5的两个侧表面，微型电磁铁贴片阵列7中的所有微型电磁铁贴片大小完全一致。
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