CN113820634B - 双增强的光子晶体腔交流磁场传感系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一个双增强的光子晶体腔交流磁场传感系统，本发明的信号发生器输出的信号送入可调谐激光器的电压调谐端口，可调谐激光器的发射端偏振控制器连接，偏振控制器通过锥形光纤与磁场传感单元连接。磁场传感单元探测到的交流磁场信号通过光电探测器接收；然后用电谱仪和网络分析仪将其频域信号显示并记录下来。其中磁场传感单元采用了光学晶体腔结构，腔内部填充了磁流体，腔外部镀有一层磁致伸缩介质，这种双增强的方式有助于获得较高的磁场灵敏度；发明具备体积小、集成度高、灵敏度高、低损耗、低功耗、抗电磁干扰的优点。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种基于光子晶体腔实现双增强的交流磁场传感系统，具体涉及的是由磁致伸缩介质或磁流体和光子晶体腔构建的磁场传感系统，属于光学领域。
背景技术
磁场传感器是信息产业之中不可缺少的基础元器件，在国防、交通、电力电子、医疗等领域都有广泛应用。其中基于光学谐振腔的磁场传感器由于其高灵敏度、宽频带、室温工作、低成本、低功耗等优点，有望在磁场传感领域发挥重要作用。以往利用光学谐振腔进行交流磁场传感时多数是利用实心的腔来和磁流体或磁致伸缩介质来构建传感器，但实际磁敏感介质硬度比较低，而一般腔的硬度比较高，因此用磁致伸缩介质去驱动腔以感知外界磁场时很难获得很好的效果。此外，已有的光子晶体腔磁场传感系统多数主要进行直流磁场传感，利用磁流体或磁致伸缩介质使腔对磁场产生响应，通过解调光学透射谱线中谐振波长的移动来解调直流磁场信息，这里为获得基于微腔的高灵敏度交流磁场传感系统，提出利用内部填充了磁流体，外部涂覆、粘结或镀了磁致伸缩介质的封装后的光子晶体腔结构去实现交流磁场传感。所设计的结构可以使磁敏感介质在磁场作用下更有效的驱动微腔，加大腔对磁场的响应，从而获得基于微腔的高灵敏度的交流磁场传感系统。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出了一种双增强的光子晶体腔交流磁场传感系统，可用于微弱交流磁场探测等。
一种双增强的光子晶体腔交流磁场传感系统，包括可调谐激光器、第一光纤偏振控制器、第一锥形光纤、磁场传感单元、第二锥形光纤、第二光纤偏振控制器、光电探测器、T型偏置器、分束器、电谱仪、网络分析仪、比例-积分-微分控制器、信号发生器、示波器；磁场传感单元包括磁致伸缩介质，光子晶体腔，磁流体、支架和胶水；
所述的可调谐激光器的光出射端与第一光纤偏振控制器输入端连接，第一光纤偏振控制器的输出端与第一锥形光纤连接，第一锥形光纤输出的光直接耦合进入磁场传感单元中的光子晶体腔内，光子晶体腔内的光场经过第二锥形光纤耦合输出至第二光纤偏振控制器，然后再输出至对应光电探测器的接收端，光电探测器输出的信号经T型偏置器分离交/直流信号，直流信号携带光子晶体腔的透射光谱信息送入示波器显示，交流信号经分束器分束，一部分送入电谱仪和网络分析仪显示、另一部分送入比例-积分-微分控制器用于将可调谐激光器输出的波长锁定到光子晶体腔的光学模式上；
信号发生器输出的三角波信号一路信号送往示波器显示，另一路送往比例-积分-微分控制器输入端，比例-积分-微分控制器输出的反馈电压信号送入可调谐激光器的电压调谐端口；传感系统中可调谐激光器、第一光纤偏振控制器、第一锥形光纤、光子晶体腔、第二锥形光纤、第二光纤偏振控制器和光电探测器之间的连接均采用光纤连接；光电探测器与T型偏置器之间使用电学线缆连接、T型偏置器与分束器之间使用电学线缆连接、分束器与电谱仪之间使用电学线缆连接、网络分析仪、分束器与比例-积分-微分控制器之间使用电学线缆连接、信号发生器与比例-积分-微分控制器之间使用电学线缆连接、T型偏置器与示波器之间使用电学线缆连接、比例-积分-微分控制器与可调谐激光器之间使用电学线缆连接；光子晶体腔的两端通过胶水固定在支架上，所述的光子晶体腔与第一锥形光纤及第二锥形光纤处于耦合状态。
作为优选，所述的光子晶体腔内部结构中的空气孔中填充有对磁场敏感的水基Fe3O4磁流体，磁流体填充的量和位置使得光子晶体腔在磁场作用下感受到的形变最大，且光场低损耗的进出腔的区域。
作为优选，所述的光子晶体腔外部使用了磁致伸缩介质，磁致伸缩介质位置在磁场作用下感受到的形变产生的应变最大。
作为优选，所述的磁致伸缩介质为Terfenol-D或其它的在磁场作用下能够伸缩的介质；在磁场作用下对光子晶体腔产生力的作用。
作为优选，所述的衰减器使得到达探测器的光功率在探测器的可接收的功率范围内。
作为优选，所述的偏振控制器的偏振状态要保证光学模式的光学品质因数最高。
作为优选，所述的光纤要保证所选波段内光信号的低损耗传输。
作为优选，所述的光子晶体腔是一维或二维的，一维的光子晶体腔结构是光子晶体纳米臂腔、二维的光子晶体腔结构是光子晶体L3微腔，或者其他的容易被磁致伸缩介质驱动的光子晶体结构，光子晶体腔的材料和结构保证其光学品质因数满足模式锁定的需求，满足探测到所需的磁场要求，光场通过在光子晶体腔外部的锥状光纤耦合进出光子晶体腔。
本发明的实质性效果是：本发明中的传感系统可以进行高灵敏度磁场传感。此外，该系统主要由光纤构建，体积小，易集成，可进行磁场信息的远程探测。
附图说明
图1为发明的双增强的光子晶体腔交流磁场传感系统示意图；
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步阐明本发明的实质性特点和显著进步，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施方式：
具体实施方式一：如图1所示，本实施方式所述的双增强的光子晶体腔交流磁场传感系统中可调谐激光器1的光出射端与第一光纤偏振控制器2输入端连接，第一光纤偏振控制器2的输出端与第一锥形光纤3连接，第一锥形光纤3输出的光直接耦合进入磁场传感单元4中的光子晶体腔16内。光子晶体腔16内的光场经过第二锥形光纤5耦合输出至第二光纤偏振控制器6，然后再输出至对应光电探测器7的接收端，光电探测器7输出的信号经T型偏置器8分离交/直流信号，直流信号携带光子晶体腔16的透射光谱信息送入示波器显示，交流信号经分束器9分束，部分送入电谱仪10和网络分析仪11显示、部分送入比例-积分-微分控制器12用于将可调谐激光器1输出的波长锁定到光子晶体腔16的光学模式上。
信号发生器13输出的三角波信号一路信号送往示波器14显示，另一路送往比例-积分-微分控制器12输入端。比例-积分-微分控制器12输出的反馈电压信号送入可调谐激光器1的电压调谐端口；传感系统中可调谐激光器1、第一光纤偏振控制器2、第一锥形光纤3、光子晶体腔16、第二锥形光纤5、第二光纤偏振控制器6、光电探测器7之间的连接均采用光纤连接；光电探测器7与T型偏置器8、T型偏置器8与分束器9、分束器9与电谱仪10、网络分析仪11、分束器9与比例-积分-微分控制器12、信号发生器13与比例-积分-微分控制器12、T型偏置器8与示波器14、比例-积分-微分控制器12与可调谐激光器1之间均使用电学线缆连接；其中光子晶体腔16的两端通过胶水19固定在支架18上。所述的光子晶体腔16与第一锥形光纤3及第二锥形光纤5始终处于耦合状态。
当外界待测交流磁场信号存在并作用在磁场传感单元4上时，磁场传感单元4中的光子晶体腔16内部的磁流体17和外部的磁致伸缩介质15发生形变，进而导致光子晶体腔16的腔长发生变化，从而改变光子晶体腔16的有效折射率，引起光谱参数的变化，这种变化可以通过电谱仪10和网络分析仪11的信号变化来观测，进而解调出待测交流磁场信号，通过进一步的数据处理可以解调待测磁场的强度和频率信息。磁流体填充的量和位置要保证腔在磁场作用下感受到的形变最大，且保证光场依然能够进出腔的区域；磁致伸缩介质位置要保证腔在磁场作用下感受到的形变产生的应变最大，其尺寸可根据实际的空间分辨率和灵敏度要求进行自由选择。
所述的光子晶体腔16可以是一维的也可以是二维的，一维的结构可以是光子晶体纳米臂腔、二维结构可以是光子晶体L3微腔，具体的结构和尺寸只要与入射光相匹配、保证光场低损耗传输即可。腔的材料和结构参数可以按照需求自由选择，只要保证其光学品质因数能够满足模式锁定的需求，能够探测到所需的磁场即可。光场通过在腔外部的锥状光纤耦合进出光子晶体微腔。也可以采用其他方式，只要耦合效率满足磁场探测需求即可。所述的可调谐激光器的调谐范围要覆盖实验所需的探测范围，波段选用通讯波段，且与探测器的接收波段相匹配。所述的磁致伸缩介质为Terfenol-D。形状和位置要保证在磁场作用下能够对腔产生力的作用。所述的光纤要保证所选波段内光信号的低损耗传输。所述的第一和第二光纤偏振控制器的偏振状态要保证光学模式的光学品质因数最高。
本实施例中的传感系统可以进行高灵敏度磁场传感。此外，该系统主要由光纤构建，体积小，易集成，可进行磁场信息的远程探测。
Claims (7)
1.一种双增强的光子晶体腔交流磁场传感系统，其特征在于：包括可调谐激光器、第一光纤偏振控制器、第一锥形光纤、磁场传感单元、第二锥形光纤、第二光纤偏振控制器、光电探测器、T型偏置器、分束器、电谱仪、网络分析仪、比例-积分-微分控制器、信号发生器、示波器；磁场传感单元包括磁致伸缩介质，光子晶体腔，磁流体、支架和胶水；
所述的可调谐激光器的光出射端与第一光纤偏振控制器输入端连接，第一光纤偏振控制器的输出端与第一锥形光纤连接，第一锥形光纤输出的光直接耦合进入磁场传感单元中的光子晶体腔内，光子晶体腔内的光场经过第二锥形光纤耦合输出至第二光纤偏振控制器，然后再输出至对应光电探测器的接收端，光电探测器输出的信号经T型偏置器分离交/直流信号，直流信号携带光子晶体腔的透射光谱信息送入示波器显示，交流信号经分束器分束，一部分送入电谱仪和网络分析仪显示、另一部分送入比例-积分-微分控制器用于将可调谐激光器输出的波长锁定到光子晶体腔的光学模式上；
信号发生器输出的三角波信号一路信号送往示波器显示，另一路送往比例-积分-微分控制器输入端，比例-积分-微分控制器输出的反馈电压信号送入可调谐激光器的电压调谐端口；传感系统中可调谐激光器、第一光纤偏振控制器、第一锥形光纤、磁场传感单元、第二锥形光纤、第二光纤偏振控制器和光电探测器之间的连接均采用光纤连接；光电探测器与T型偏置器之间使用电学线缆连接、T型偏置器与分束器之间使用电学线缆连接、分束器与电谱仪之间使用电学线缆连接、网络分析仪、分束器与比例-积分-微分控制器之间使用电学线缆连接、信号发生器与比例-积分-微分控制器之间使用电学线缆连接、T型偏置器与示波器之间使用电学线缆连接、比例-积分-微分控制器与可调谐激光器之间使用电学线缆连接；磁场传感单元中的光子晶体腔的两端通过胶水固定在支架上，所述的光子晶体腔与第一锥形光纤及第二锥形光纤处于耦合状态。
2.根据权利要求1所述的双增强的光子晶体腔交流磁场传感系统，其特征在于：所述的光子晶体腔内部结构中的空气孔中填充有对磁场敏感的水基Fe3O4磁流体，磁流体填充的量和位置使得光子晶体腔在磁场作用下感受到的形变最大，且光场低损耗的进出腔的区域。
3.根据权利要求1所述的双增强的光子晶体腔交流磁场传感系统，其特征在于：所述的光子晶体腔外部使用了磁致伸缩介质，磁致伸缩介质位置在磁场作用下感受到的形变产生的应变最大。
4.根据权利要求1所述的双增强的光子晶体腔交流磁场传感系统，其特征在于：所述的磁致伸缩介质为Terfenol-D；在磁场作用下对光子晶体腔产生力的作用。
5.根据权利要求1所述的双增强的光子晶体腔交流磁场传感系统，其特征在于：所述的光子晶体腔是一维或二维的，一维的光子晶体腔结构是光子晶体纳米臂腔、二维的光子晶体腔结构是光子晶体L3微腔，光子晶体腔的材料和结构保证其光学品质因数满足模式锁定的需求，满足探测到所需的磁场要求，光场通过在光子晶体腔外部的锥状光纤耦合进出光子晶体腔。
6.根据权利要求1所述的双增强的光子晶体腔交流磁场传感系统，其特征在于：所述的偏振控制器的偏振状态要保证光学模式的光学品质因数最高。
7.根据权利要求1所述的双增强的光子晶体腔交流磁场传感系统，其特征在于：所述的光纤要保证所选波段内光信号的低损耗传输。
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