CN113156575A - 一种利用强磁场提高掺杂光纤磁光特性与发光效率的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用强磁场提高掺杂光纤磁光特性与发光效率的方法，将掺杂光纤放置于螺线圈中心，螺线圈与电源相连接，开启电源后在螺线圈中心产生强磁场，在强磁场环境下，光纤内掺杂离子便受到磁场作用，其掺杂光纤的磁光特性发生变化。强磁场达到一定的强度时，光纤中掺杂离子的电子能级结构会发生改变，从而影响掺杂离子的电子跃迁几率和磁偶极矩。因此，强磁场作用将诱导改变掺杂光纤的磁矩增强，吸收特性增强，发光效率增强或能级发生劈裂，从而使得掺杂石英光纤的磁光特性增强，费尔德常数增加。因此，强磁场作为一种无接触，简易的方式改变了掺杂离子的微观结构，在用作为提高光纤电流传感器磁光灵敏度的方法上，将有广泛的应用前景。

Description

一种利用强磁场提高掺杂光纤磁光特性与发光效率的方法
技术领域
本发明涉及特种光纤技术领域，特别是涉及一种利用强磁场提高掺杂光纤磁光特性与发光效率的方法。
背景技术
目前，光纤电流传感器主要以玻璃、陶瓷为主，虽然其磁光灵敏度很高，但是玻璃、陶瓷等材料具有体积大，易碎，成本高和不易与光纤熔接等问题，不适用于在线监测的新一代电力系统。相比之下，全光纤电流互感器其结构更加简单、形状可任意变化、重量轻、高绝缘性等优势，是光学电流互感器发展的前进方向。而标准单模石英光纤的磁光灵敏度低，其费尔德常数在660nm处只有2.41rad/T·m，不能满足电流传感器的灵敏度要求。
在石英光纤中掺杂进稀土离子或重金属离子，如铽离子与铋离子，可以提高光纤的费尔德常数。稀土离子拥有强的磁光特性是由于其最外层电子数不饱和，当施加外部磁场时，其最外层电子会发生从4fN到4fN-15d的跃迁。掺杂重金属离子可以提高费尔德常数的原因在于离子的能级分裂。尽管掺杂这些离子可以显著提高光纤的费尔德常数，但是掺杂浓度过高会破环光纤结构，并且目前还没有从外部条件来进一步的提高磁光灵敏度的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用强磁场提高掺杂光纤磁光特性与发光效率的方法，通过强磁场的处理会诱导掺杂光纤中电子自旋的方向改变，使得掺杂离子的外层不成对电子的自旋磁矩发生改变。同时，强磁场的处理也会改变光纤掺杂离子电子能级，即相应激发光的吸收增强，提高了电子跃迁的几率，增强了掺杂离子对应的荧光发射强度，从而增强了掺杂光纤的磁光特性。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种利用强磁场提高掺杂光纤磁光特性与发光效率的方法，其特征在于,包括以下步骤：将掺杂光纤引入强磁场环境中。
优选地，一种利用强磁场提高掺杂光纤磁光特性与发光效率的方法,包括以下步骤：
(1)将掺杂光纤放置于螺线圈的中心；
(2)将螺线圈与电源相连接，通过电源上的开关来施加电流，从而再螺线圈中心产生强磁场。
更优地，一种利用强磁场提高掺杂光纤磁光特性与发光效率的方法,包括以下步骤：
(1)将掺杂光纤剥去涂覆层；
(2)掺杂光纤放置于基管上，基管放置于螺线圈的中心；
(3)将螺线圈与电容式充电电源相连接，通过电源上的开关来施加脉冲电流，从而再螺线圈中心产生脉冲磁场；
(4)掺杂光纤在强磁场环境中停留10s-10min，取出后在常规条件下测试其法拉第效应与发光特性。
可选地,所述掺杂光纤为石英光纤或玻璃光纤制成。
可选地,所述掺杂光纤的制作方法包括MCVD改良化学气相沉积工艺，PCVD等离子体化学气相沉积工艺，OVD外部气相沉积工艺，VAD轴向气相沉积工艺，以及ALD原子层沉积掺杂工艺中的任意一种或几种的组合。
优选地,所述掺杂光纤的纤芯直径为5-100μm，所述掺杂光纤的包层直径为120-800μm。
优选地,所述掺杂光纤的消光比为0.5-35dB。
可选地,所述掺杂光纤的纤芯单掺或共掺铽、铈、铕、镧、钬、铒、铋、铅、镨、镱中的一种或几种。
可选地,所述强磁场为稳恒磁场、交变磁场或脉冲磁场中的一种。
优选地,所述稳恒磁场与交变磁场的强度为0.1-15T，所述脉冲磁场的强度为0.1-30T，每次施加的脉冲次数为1-20次。
一种检测掺杂光纤费尔德常数的装置，其特征在于，包括：光纤耦合光源、准直器、起偏器、四分之一玻片、起偏器、磁场发生器、偏振分析仪。所述光纤耦合光源发出的光依次经过准直器，起偏器，四分之一玻片和起偏器,得到线偏振光，通过10x的物镜和三维调整架注入光纤中，光纤放置于与直流电源相连的磁场发生器中，电源通电后螺线管中心产生磁场，在尾端通过偏振分析仪在电脑上观察结果。
本发明的有益效果在于：
1.相较于未经过强磁场处理的掺杂光纤，经过强磁场处理后其法拉第转角提高20％-600％，从而提高其磁光灵敏度。
2.相较于未经过强磁场处理的掺杂光纤，经过强磁场处理后其费尔德常数在入射光波长在633-2100nm下均有增加。
3.通过强磁场的处理，可以提高掺杂材料的电子跃迁几率，在掺杂离子的特征发射峰发射强度被提高30％-600％或者发生能级劈裂，增强了掺杂光纤的磁光特性。
附图说明
图1是本发明强磁场处理掺杂光纤的装置示意图。
其中：1-掺杂光纤，2-线圈，3-置物台，4-电容式充电电源。
图2是本发明检测掺杂石英光纤的费尔德常数的装置示意图。
图3是本发明检测实例中的掺铽石英光纤的费尔德常数的结果图。
图4是本发明强磁场诱导掺杂离子的外围不成对电子自旋磁矩发生变化的示意图。
其中：31-线圈，32-强磁场磁力线，33-掺杂光纤，34-未成对的电子，35-电子自旋方向，36-自旋磁矩
图5是本发明强磁场处理后的掺杂光纤发光效率提升的结果图。
具体实施方式
下面结合附图进一步描述本发明的具体实施例，但要求保护的范围并不局限于此。
实施例1
一种利用强磁场处理掺杂光纤的装置，具有如下过程：将10-30cm的掺杂光纤放置于螺线圈的中心。螺线圈与电源相连接，通过电源上的开关来施加电流，从而再螺线圈中心产生强磁场。
所述电源采用10000A的电流，螺线圈中心产生的稳恒磁场强度为15T。
所述光纤纤芯的直径为5-100um，包层的直径为120-800um。
如图2所示，一种测试掺杂光纤的费尔德常数的装置，具有如下过程：由光纤耦合光源21发出的光依次经过准直器22，第一起偏器23，四分之一玻片24和第二起偏器25，得到线偏振光，通过10x的物镜和三维调整架注入光纤中，光纤放置于与直流电源相连的螺线管26中，电源通电后螺线管中心产生磁场，在尾端通过偏振分析仪27在电脑上观察偏振光法拉第转角的变化。
所述磁场发生器的直流电源为0.1-6A，所产生的磁场强度为1-125mT。
所述的螺线管有效长度为30.4cm，射光的波长为660-2100nm。
实施例2
如图1所示，一种利用强磁场处理掺杂光纤的装置，具有如下过程：将掺杂光纤1剥去涂覆层，切成每段10-30cm长，固定于基管上，基管放置于螺线圈2的中心。螺线圈与电容式充电电源4相连接，通过电源上的开关来施加脉冲电流，从而再螺线圈中心产生脉冲磁场。
所述电源采用10000A的电流，螺线圈中心产生的脉冲磁场强度达到15T，施加的脉冲次数为10次。
所述光纤纤芯的直径为5-100um，包层的直径为120-800um。
采用如图2所示的测量装置在电脑上观察偏振光法拉第转角的变化。
所述经过第二起偏器5的线偏振光的消光比在34dB以上。
所述磁场发生器的直流电源为0.1-6A，产生的磁场强度为1-125mT，螺线管有效长度为30.4cm，入射光的波长为660-2100nm。
经过上述实施例表明，如图4所示，掺杂光纤其内部的非成对电子在强磁场处理前其自旋方向杂乱，导致自旋磁矩较小，而经过强磁场处理后，其自旋方向有序，自旋磁矩增大，从而增强了掺杂光纤的磁光特性。
实施例3
如图1所示，对掺杂浓度为1.07％wt的掺铽石英光纤剥去涂覆层，放置于基管表面，将基管放置于螺线圈中心，通过按下电容式充电电源的开关，对光纤样品施加十次脉冲处理后取出放置于试品盒中。
用相同规格的掺铽石英光纤在不经过磁场处理的情况下做对比。
另外用不掺任何稀土离子的单模光纤在不经过磁场处理的情况下做对比。
所述掺铽石英光纤中的内部组分由铽，锗，铝，氧，硅，磷元素组成。
采用如图2所示的装置测量掺铽石英光纤的费尔德常数。
所述光纤耦合光源入射波长为660nm。
如图3所示，经过强磁场处理后的掺铽石英光纤的法拉第偏转角提高了29％，即费尔德常数提高了29％。
实施例4
与实施例3的区别在于，所述光纤耦合光源入射波长为980nm。
如图3所示，经过强磁场处理后，掺铽石英光纤的法拉第偏转角增大27％，即费尔德常数提高了27％。
实施例5
与实施例3的区别在于，所述光纤耦合光源入射波长为1310nm。
如图3所示，经过强磁场处理后，掺铽石英光纤的法拉第偏转角增大26％，即费尔德常数提高了26％。
实施例6
利用图1所示的强磁场设备对掺杂光纤进行处理，经过荧光光谱仪测试得到激发发射谱。
如图5所示，激发谱的发射波长为542nm，发射谱的激发波长为245nm，经过强磁场处理后，掺杂光纤在485、542、585和624nm处的发射峰强度增强，尤其是在542nm处增大了48％。

Claims (10)

1.一种利用强磁场提高掺杂光纤磁光特性与发光效率的方法，其特征在于,包括以下步骤：将掺杂光纤引入强磁场环境中。
2.根据权利要求1所述的一种利用强磁场提高掺杂光纤磁光特性与发光效率的方法，其特征在于,包括以下步骤：
(1)将掺杂光纤放置于螺线圈的中心；
(2)将螺线圈与电源相连接，通过电源上的开关来施加电流，从而再螺线圈中心产生强磁场。
3.根据权利要求2所述的一种利用强磁场提高掺杂光纤磁光特性与发光效率的方法，其特征在于,包括以下步骤：
(1)将掺杂光纤剥去涂覆层；
(2)掺杂光纤放置于基管上，基管放置于螺线圈的中心；
(3)将螺线圈与电容式充电电源相连接，通过电源上的开关来施加脉冲电流，从而再螺线圈中心产生脉冲磁场；
(4)掺杂光纤在强磁场环境中停留10s-10min，取出后在常规条件下测试其法拉第效应与发光特性。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种利用强磁场提高掺杂光纤磁光特性与发光效率的方法，其特征在于,所述掺杂光纤由石英光纤或玻璃光纤制成。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的一种利用强磁场提高掺杂光纤磁光特性与发光效率的方法，其特征在于,所述掺杂光纤的纤芯直径为5-100μm，所述掺杂光纤的包层直径为120-800μm。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的一种利用强磁场提高掺杂光纤磁光特性与发光效率的方法，其特征在于,所述掺杂光纤的消光比为0.5-35dB。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的一种利用强磁场提高掺杂光纤磁光特性与发光效率的方法，其特征在于,所述掺杂光纤的纤芯单掺或共掺铽、铈、铕、镧、钬、铒、铋、铅、镨、镱中的一种或几种的组合。
8.根据权利要求1或2中所述的一种利用强磁场提高掺杂光纤磁光特性与发光效率的方法，其特征在于,所述强磁场为稳恒磁场、交变磁场或脉冲磁场中的一种，所述稳恒磁场与交变磁场的强度为0.1-15T。
9.根据权利要求3中所述的一种利用强磁场提高掺杂光纤磁光特性与发光效率的方法，其特征在于，所述脉冲磁场的强度为0.1-30T，每次施加的脉冲次数为1-20次。
10.一种检测掺杂光纤费尔德常数的装置，其特征在于，包括：光纤耦合光源(21)、准直器(22)、第一起偏器(23)、四分之一玻片(24)、第二起偏器(25)、磁场发生器(26)、偏振分析仪(27)，所述光纤耦合光源(21)发出的光依次经过准直器(22)，起偏器(23)，四分之一玻片(24)和起偏器(25),得到线偏振光，通过10x的物镜和三维调整架注入光纤中，将经过磁场处理后的光纤放置于与直流电源相连的磁场发生器(26)中，电源通电后螺线管中心产生磁场，在尾端通过偏振分析仪(27)在电脑上观察结果。
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