[发明专利]一种基于磁流体及微纳光纤倏逝场的磁场传感器

说明书

技术领域

本发明属于光纤元件及光纤传感领域，具体涉及一种基于磁流体及微纳光纤倏逝场的磁场传感器。

背景技术

磁场测量是电磁测量技术的一个重要分支。在工业生产和科学研究的许多领域都要涉及到磁场测量问题。如：电流测量、磁探矿、磁悬浮列车、地质勘探、同位素分离、质谱仪、电子束和离子束加工装置、受控热核反应，以及人造地球卫星等，甚至在医学和生物学方面也有应用。例如，磁场疗法治病，用“心磁图”、“脑磁图”来诊断疾病，环境磁场对生物和人体的作用，以及磁现象与生命现象的研究等都需要磁场测量技术和测磁仪器的研制，因此，磁场的测量技术与人们的生活密切相关。

传统的磁场传感器是以电测试原理为主，如霍尔效应和电磁感应原理，已经有成熟产品。但作为电测原理的传感器往往易受电磁干扰、容易磁饱和等，因而光学式的磁场传感器越来越受到关注。光纤作为一种本质绝缘的材料在磁场传感方面有着独有的优点，除了不受电磁干扰还有体积轻、重量小、精度高,易于形成分布式测量等优点。所以在过去的几年里已经得到了广泛的研究，并且在传感应用中发挥着重大的作用。亚波长直径微纳光纤是指光纤直径小于传输波长在微米或纳米量级的光纤，微纳光纤表现出一些不同于普通光纤的光学特性。亚波长直径微纳光纤的大比例倏逝波传输的光学特性，使得微纳光纤对附近及表面介质的变化非常敏感，具有极高的灵敏度。

磁流体即磁性流体，简称磁液。它是一种光学特性随外加磁场强度变化的特殊的新型纳米功能材料。它在静态时无磁性吸引力；当外加磁场作用时，才表现出磁性。这种胶状液体既有固体磁性材料的强磁性，又有液体的流动性。同时，在外磁场的作用下，磁流体中的纳米磁性粒子的磁矩会沿外磁场取向，并彼此相吸而排列成链[3]，从而表现出多变的微结构。理论和实验证明，磁流体这种复杂多变的微结构使其具有各种奇特的光学性质，如：可调谐折射率、二向色性、磁致双折射、起偏特性、Faraday效应等

磁流体这些独特的光学性质在制作高性能可调谐光子器件方面表现出很好的应用潜力。随着光纤光子学的迅速发展，磁流体的磁光特性作为一种重要的物理现象和操控光波传输的手段逐渐在光纤技术中得到广泛的研究。然而，光纤作为磁流体的重要载体，其结构特征和模场特性在很大程度上影响着磁流体磁光特性物理内涵的丰富性。

发明内容

本发明的目的解决现有技术中结构单一且灵敏度不高的问题，本发明是结合微纳光纤倏逝场传输的光学特性和磁流体的可调谐折射率，提出一种基于磁流体及微纳光纤倏逝场的磁场传感器。该传感器具有灵敏度高、结构简单、体积小、结构紧凑等优点，具有广泛的应用前景。

本发明提供的基于磁流体及微纳光纤倏逝场的磁场传感器，包括激光光源、单模光纤、磁流体、微纳光纤、光电探测器、基于熔接形成的模式耦合元件；所述的激光光源通过单模光纤与浸没在磁流体中的微纳光纤连接，微纳光纤的另一端与基于熔接形成的模式耦合元件连接，基于熔接形成的模式耦合元件再通过单模光纤连接光电探测器；

由于微纳光纤的作用，激光光源发出的一部分光通过单模光纤纤芯继续传播，另一部分光以倏逝场的形式在微纳光纤与磁流体界面上传导，入射到后端的单模光纤后耦合入单模光纤的包层中，这两部分光经过基于熔接形成的模式耦合元件处的包层模式耦合到纤芯，然后会与剩余的纤芯模式发生干涉，最终进入光电探测器中。

所述的微纳光纤外套装有毛细管，在毛细管中浸入磁流体，毛细管的两端以石蜡封装。

所述的基于熔接形成的模式耦合元件是在熔接机上完成，包括：错位熔接，双锥体放电熔接（UFBT），花生形状熔接（peanut fusion），锥形熔接等。

所述的磁流体作为敏感介质，在被测磁场作用下，其折射率将发生变化，导致单模光纤的包层模式的相位发生变化，即干涉光强发生变化，从而实现磁场检测。

本发明制作的基于磁流体及微纳光纤倏逝场的磁场传感器的工作原理：

本发明是基于磁流体及微纳光纤倏逝场的磁场传感器。当光沿着微纳光纤传输时有一大部分能量以倏逝场的形式进行传输，微纳光纤增强了光场与外界物质相互作用，外界磁场的变化会引起浸入在微纳光纤的磁流体的折射率的变化，即微纳光纤周围环境的折射率发生变化，在经过基于熔接形成的模式耦合元件时，包层模式耦合到纤芯并与剩余的纤芯模式发生干涉。