CN115420312B - Nv色心均布的光纤传感前端、制作方法及磁场传感系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及量子传感技术领域，方案为一种NV色心均布的光纤传感前端，包括传感光纤，所述传感光纤包含载体光纤和若干金刚石微粒，所述金刚石微粒均匀分布在载体光纤的纤芯中；本发明中的光纤传感前端能够实现较大空间内的无遗漏式传感测量，由于金刚石微粒位于纤芯内，因而金刚石微粒能够获得足够激光激发效果，且通过对金刚石微粒与纤芯直径进行设计，使得激发光的损耗控制在合理范围内，同时，本发明中设计在包层外的反光层能够提高荧光信号的采集效率。
Description
技术领域
本发明涉及量子传感技术领域，具体涉及到一种NV色心均布的光纤传感前端、制作方法及磁场传感系统。
背景技术
金刚石NV色心在激光的泵浦下表现出较强的荧光，并在室温下可观测到其零声子线，因而可作为纳米尺寸的传感器，用于磁场、电场、温度等物理量的测量，其中，利用NV色心进行无损检测的研究也越来越多。
公开号为CN109270478A的中国专利公开了一种基于纳米钻石NV色心的光纤磁场传感器，该发明极大地减小了传感器体积，有利于传感器的纤维集成；提高了光纤磁场传感器的灵敏度，发展了纳米钻石在光纤传感领域内的应用，此专利中介绍了一种磁场传感光纤，其将纳米级金刚石NV色心批量分布于靠近纤芯的位置，因而该磁场传感光纤能够对一个较大范围的空间进行磁场探测，但是该种方式因照射在金刚石NV色心上的倏逝波较弱，从而导致金刚石NV色心被激发的效果较差，影响探测精度；另外，在公开号为CN114459512A的中国专利中公开了一种基于脉冲光的分布式量子传感器，相比于现有技术，该发明利用同一种量子点即可实现一根载体光纤的分布式传感，此专利中金刚石NV色心在传感光纤的纤芯内部，因而能够获得足够强度的激光照射，获取较好的激发效果，但是其金刚石NV色心颗粒是间隔式设计的，不能做到无遗漏式的磁场检测。
基于此，本发明设计了一种NV色心均布的光纤传感前端、制作方法及磁场传感系统，以解决上述问题。
发明内容
本发明提出了一种NV色心均布的光纤传感前端、制作方法及磁场传感系统，以解决背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种NV色心均布的光纤传感前端，包括传感光纤，所述传感光纤包含载体光纤和若干金刚石微粒，所述金刚石微粒均匀分布在载体光纤的纤芯中；
其中，所述金刚石微粒均内含NV色心，且金刚石微粒的尺寸小于500nm；
其中，所述载体光纤的包层表面设有反光层。
如前所述的光纤传感前端，还有更进一步的设计：所述传感光纤对于波长为500nm~800nm的工作光的光传输衰减值低于0.5db/m。
如前所述的光纤传感前端，还有更进一步的设计：所述反光层为镀银层或镀金层。
如前所述的光纤传感前端，还有更进一步的设计：每厘米长度内的传感光纤中存在的金刚石微粒数量不低于100颗。
如前所述的光纤传感前端，还有更进一步的设计：所述反光层为非金属反光镀层，所述光纤传感前端还包括微波波导，所述微波波导沿着传感光纤轴向排布，所有金刚石微粒均位于微波波导的微波作用区间内。
如前所述的光纤传感前端，还有更进一步的设计：所述反光层为金属反光镀层，所述金属反光镀层作为微波波导。
如前所述的光纤传感前端，还有更进一步的设计：所述金刚石微粒的尺寸为5~100nm。
同时，本发明还提供了一种磁场传感系统，应用了如前所述的光纤传感前端，包括传感光纤、环形器、532nm激光器、第一光纤光栅、第一光电探测器、处理器、第二光纤光栅以及第二光电探测器，所述532nm激光器发出532nm激发光并通过环形器进入传感光纤，其内金刚石微粒受激发产生红色荧光，部分红色荧光及532nm激发光沿原路返回，经环形器后进入第一光纤光栅，经第一光纤光栅过滤532nm激发光后被第一光电探测器采集红色荧光，第一光电探测器将采集的信息传输至处理器中进行后续处理，另一部分红色荧光及532nm激发光从传感光纤的另一端传输进入第二光纤光栅中，第二光纤光栅将532nm激发光过滤掉，剩下的红色荧光被第二光电探测器采集，第二光电探测器将采集的信息传输至处理器中进行后续处理。
最后，本发明还提供了一种NV色心光纤传感前端的制作方法，包含以下步骤：
S1、制备芯混合溶液：取一定量含NV色心的金刚石微粒以及纤芯原材料溶液，二者按比例混合均匀后形成芯混合溶液；
S2、塑料光纤制作：取一根低折射率的透明的毛细软管，通过微泵将芯混合溶液泵入毛细软管中，待芯混合溶液凝固后，形成纤芯含金刚石微粒的塑料光纤；
S3、增设反光层：对毛细软管的外表面通过化学法镀高反光率的金属层，形成一层反光层；
S4、光损耗检测：在塑料光纤中打入特定频段的检测激光，通过光电探测设备检测其光传输衰减值，若光传输衰减值低于设定值则传感光纤制作合格。
优选的，毛细软管的内径在区间0.5~1.5mm内，金刚石微粒尺寸在5-50nm内。
优选的，检测激光为波长分别532nm以及800nm的两种激光，光传输衰减值的设定值为0.5db/m。
优选的，金属层为镀银层或镀金层。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明中的光纤传感前端能够实现较大空间内的无遗漏式传感测量，由于金刚石微粒位于纤芯内，因而金刚石微粒能够获得足够激光激发效果，且通过对金刚石微粒与纤芯直径进行设计，使得激发光的损耗控制在合理范围内，同时，本发明中设计在包层外的反光层能够提高荧光信号的采集效率；
2、本发明中的磁场传感系统，考虑了长光纤在磁场检测时光纤两端产生的反馈荧光强度因损耗存在差异的特征，通过设计两组检测单元分别采集光纤两端的反馈荧光信号，通过一次采集两组反馈荧光信号进行综合处理分析，能够更稳定的标定磁场测量结果，且具备更高的容错性，能避免一侧采集单元受损导致检测误差较大的问题；
3、本发明公开了一种较为简单的传感光纤制作方法，其能够使得金刚石微粒在纤芯中混合均匀得到一根均布金刚石微粒的塑料光纤，相较于现有技术，其制作难度低、制作速度快。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例一中传感光纤的示意图；
图2为实施例二中传感光纤与微波波导结合的的第一种结构示意图；
图3为实施例二中传感光纤与微波波导结合的的第二种结构示意图；
图4为实施例三中金属反光镀层的第一种结构示意图；
图5为实施例三中金属反光镀层的第二种结构示意图；
图6为实施例四中磁场传感系统的示意图；
图7为实施例五中传感光纤的制作方法流程图；
图8为实施例五中传感光纤的结构示意图。
实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
光纤与金刚石NV色心结合的检测原理：根据现有技术可知，532nm的激光能够对金刚石NV色心进行激发，使其产生红色荧光，而金刚石NV色心周边的环境（如磁场、温度等）会使得其自身产生的红色荧光产生对应的变化，因而可以根据采集的红光强弱分析出金刚石NV色心所处位置的环境因素；而考虑到光纤是激光传输的良好载体，现有技术中已有将光纤与金刚石NV色心结合作为一个传感前端的研究（参考背景技术中所提及的公开号为CN109270478A的专利）。
实施例一
参见附图1，本实施例提供一种NV色心均布的光纤传感前端，包括传感光纤1，所述传感光纤1包含载体光纤11和若干金刚石微粒12，所述金刚石微粒12均匀分布在载体光纤11的纤芯111中；
其中，所述金刚石微粒12均内含NV色心，且金刚石微粒12的尺寸小于500nm（小于532nm激发光的波长，这样会减少对激发光的传输阻碍），在本例中，载体光纤11为塑料光纤，其纤芯111直径为1mm，所采用的金刚石微粒12的尺寸为5nm，每厘米长度内的传感光纤中存在的金刚石微粒数量不低于100颗，这样能够使得传感光纤具备极高的分布式探测精度，同时为保证光纤制作的低成本、较低的光传输衰减（要求传感光纤对于波长为500nm~800nm的工作光的光传输衰减值低于0.5db/m，这样会获得较高的光传输/采集效果）以及足够的采集光强度，本例优选每厘米长度内的传感光纤中存在的金刚石微粒数量为150~200颗；
其中，所述载体光纤11的包层112表面设有反光层114，其能够反射散射光，从而能够提高光传输/收集效率。
更进一步，可在反光层114外添加一层涂覆层113，其能够提高传感光纤的柔韧性，还能够避免反光层114被刮蹭。
实施例二
基于实施例一，本例具备以下改进：所述反光层114为非金属反光镀层，所述光纤传感前端还包括微波波导13，所述微波波导13沿着传感光纤1轴向排布，所有金刚石微粒12均位于微波波导13的微波作用区间内（关于微波的具体作用，其已经为现有技术，具体参考背景技术中所提及的公开号为CN109270478A的专利）。
作为其中一种结构设计，微波波导13为一与传感光纤1并排的铜线，参见附图2；
在本例中，还提供一种螺旋状的微波波导13的结构设计，具体参见附图3，此微波波导13可以是缠绕在传感光纤1外围的铜线。
本例中，反光层114为非金属反光镀层，因为其不会对外部微波的作用产生阻碍。
实施例三
基于实施例一，本例具备以下改进：所述反光层114为金属反光镀层，所述金属反光镀层直接作为微波波导13使用。
考虑到全包覆式的金属反光镀层作为微波波导的效果较差，本例此处公开一种波导传导效果较佳的结构设计，具体参见附图4，金属反光镀层分为上下分隔的两部分，上侧部分的金属反光镀层为微波波导单元131，下侧部分的金属反光镀层为接地单元132，本例中，金属反光镀层优选为镀银层或镀金层。
又考虑到上述金属反光镀层的制作工艺较为麻烦（很难保证上下侧的镀层是分隔的），本例此处还提供一种改进结构，具体参见附图5，在上下金属反光镀层之间增加一层涂覆层113，在制作时，先在包层112表面增加镀层作为微波波导单元131，再在其外侧增设一层涂覆层113，最后再在涂覆层113表面增设另一镀层作为接地单元132。
实施例四
参见附图6，本例介绍了一种磁场传感系统，应用了如实施例一所述的光纤传感前端，包括传感光纤1、环形器2、532nm激光器3、第一光纤光栅4、第一光电探测器5、处理器6、第二光纤光栅7以及第二光电探测器8，532nm激光器3发出532nm激发光并通过环形器2进入传感光纤1，其内金刚石微粒受激发产生红色荧光，部分红色荧光及532nm激发光沿原路返回，经环形器2后进入第一光纤光栅4，经第一光纤光栅4过滤532nm激发光后被第一光电探测器5采集红色荧光，第一光电探测器5将采集的信息传输至处理器6中进行后续处理，另一部分红色荧光及532nm激发光从传感光纤1的另一端传输进入第二光纤光栅7中，第二光纤光栅7将532nm激发光过滤掉，剩下的红色荧光被第二光电探测器8采集，第二光电探测器8将采集的信息传输至处理器6中进行后续处理。
此种磁场传感系统具备更高的容错性，对于两组光电探测器而言，其中一个损坏依然能够使得系统正常运转；
更进一步的，对于较长尺寸的传感光纤1而言，由于其两端输出的反馈荧光强度存在强弱之差（靠近激光激发单元3的一端比较强），因而两端光电探测器采集的数据存在一定差值，因而通过该差值可以判断传感光纤1本身是否存在缺陷，如在使用前，探测该数值差可直接发现传感光纤1的状态。
实施例五
参见附图7和8，本实施例提供一种NV色心光纤传感前端的制作方法，包含以下步骤：
S1、制备芯混合溶液：取一定量含NV色心的金刚石微粒以及纤芯原材料溶液，二者按比例混合均匀后形成芯混合溶液；
其中，金刚石微粒的尺寸在5-50nm之间，本例优选为10nm的金刚石微粒，纤芯原材料溶液为制作塑料光纤纤芯的处于液态的高透明聚合物，本例中优选为聚甲基丙烯酸甲酯（含聚合引发剂和链转移剂等），每毫升的纤芯原材料溶液中配置1300~1500颗金刚石微粒；
S2、塑料光纤制作：取一根低折射率的透明的毛细软管，通过微泵将芯混合溶液泵入毛细软管中，待芯混合溶液凝固后，形成纤芯含金刚石微粒的塑料光纤；
其中，毛细软管的折射率比纤芯原材料的折射率低（本例中毛细软管为氟塑料），其内径尺寸为1mm，长度为1m；
S3、增设反光层：对毛细软管的外表面通过化学法镀高反光率的金属层，形成一层反光层；
其中，本例中优选金属层为镀银层，当然，也可为镀金层，其能够对光进行高效反射，从而提高激光以及反馈荧光的激发及采集效率，作为一种优选，可在反光层外侧添加涂覆层以进行保护。
S4、光损耗检测：在塑料光纤中打入特定频段的检测激光，通过光电探测设备检测其光传输衰减值，若光传输衰减值低于设定值则传感光纤制作合格；
具体的，检测激光为波长分别532nm以及800nm的两种激光，若光传输衰减值小于0.5db/m，则制得的传感光纤为合格品。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”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一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (3)
1.一种NV色心均布的光纤传感前端，其特征在于，包括传感光纤，所述传感光纤包含载体光纤和若干金刚石微粒，所述金刚石微粒均匀分布在载体光纤的纤芯中；
其中，所述金刚石微粒均内含NV色心，且金刚石微粒的尺寸为5～100nm；
其中，所述载体光纤的包层表面设有反光层，所述反光层为金属反光镀层，所述金属反光镀层作为微波波导，所述金属反光镀层分为上下分隔的两部分，上侧部分的金属反光镀层为微波波导单元，下侧部分的金属反光镀层为接地单元，且上下侧的金属反光镀层之间设有涂覆层；
其中，每厘米长度内的传感光纤中存在的金刚石微粒数量为150～200颗；
其中，所述传感光纤对于波长为500nm～800nm的工作光的光传输衰减值低于0.5db/m。
2.一种磁场传感系统，应用了如权利要求1所述的一种NV色心均布的光纤传感前端，其特征在于，包括传感光纤、环形器、532nm激光器、第一光纤光栅、第一光电探测器、处理器、第二光纤光栅以及第二光电探测器，所述532nm激光器发出532nm激发光并通过环形器进入传感光纤，其内金刚石微粒受激发产生红色荧光，部分红色荧光及532nm激发光沿原路返回，经环形器后进入第一光纤光栅，经第一光纤光栅过滤532nm激发光后被第一光电探测器采集红色荧光，第一光电探测器将采集的信息传输至处理器中进行后续处理，另一部分红色荧光及532nm激发光从传感光纤的另一端传输进入第二光纤光栅中，第二光纤光栅将532nm激发光过滤掉，剩下的红色荧光被第二光电探测器采集，第二光电探测器将采集的信息传输至处理器中进行后续处理。
3.一种如权利要求1所述的NV色心光纤传感前端的制作方法，其特征在于，包含以下步骤：
S1、制备芯混合溶液：取一定量含NV色心的金刚石微粒以及纤芯原材料溶液，二者按比例混合均匀后形成芯混合溶液，其中，纤芯原材料溶液为制作塑料光纤纤芯的处于液态的高透明聚合物，每毫升的纤芯原材料溶液中配置1300～1500颗金刚石微粒，金刚石微粒尺寸在5-50nm内；
S2、塑料光纤制作：取一根低折射率的透明的毛细软管，通过微泵将芯混合溶液泵入毛细软管中，待芯混合溶液凝固后，形成纤芯含金刚石微粒的塑料光纤，其中毛细软管的内径在区间0.5～1.5mm内；
S3、增设反光层：对毛细软管的外表面通过化学法镀高反光率的金属层，形成一层反光层；
S4、光损耗检测：在塑料光纤中打入特定频段的检测激光，通过光电探测设备检测其光传输衰减值，若光传输衰减值低于设定值则传感光纤制作合格，其中检测激光为波长分别532nm以及800nm的两种激光，光传输衰减值的设定值为0.5db/m。
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