[发明专利]金属衬底支撑的微纳光纤高灵敏的磁场探针及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种磁场探测传感器，尤其是一种金属衬底支撑的微纳光纤用于高灵敏度的磁场探测。

背景技术

随着电力系统的发展，系统对安全及稳定性的要求也越来越高。 电流互感器作为电力系统中进行电能计量和继电保护的重要设备 ，其准确度及可靠性与电力系统的安全、可靠和经济运行密切相关。

传统的电磁式电流互感器存在着诸多缺点，越来越难适应电力系统发展的需求。例如：绝缘结构复杂、体积大、易产生磁饱和铁磁谐振、存在磁滞等。虽然传统的电磁式电流互感器也在不断的改进，但这并不能从根本上改变其存在的缺点。与传统的电磁式电流互感器相比，光学电流互感器在以下几个方面都存在优势，例如：无铁心、高低压隔离、体积小、频率响应宽、适合数字化变电站要求。

因此，人们将目光转向新型电流互感器的研究，光学电流传感器在此背景下产生。光学电流传感器的种类很多，原理也各有不同。本文研究和分析基于法拉第(Michal Faraday)磁光效应的光学电流传感器。尽管有不少学者对基于法拉第磁光效应的光学电流传感器进行了大量研究，但大多数文献都从光学和磁性材料特性方面进行研究，鲜有文献对光电流微纳传感器的系统的研究 。

光纤磁场传感器属于典型的偏振态调制传光型光纤传感器，它是利用磁敏器件测量磁场，然后由光纤进行数据的传输。半导体激光器发出的光在经过光纤进入磁场后，通过偏振片变成线偏振光若有磁场存在且磁场方向和光传播矢量方向平行时，由于磁光晶体的法拉第磁致旋光效应，光的偏振方向将要发生旋转，通过光强记录数据可以显示相位的偏移，并计算出偏振度，由此可以侧面反映磁场强度的变化。由此，即可实现金属衬底的微纳光纤的磁感应强度探测器。

发明内容

本发明是要提供一种金属衬底支撑的微纳光纤高灵敏的磁场探针及其方法，目的在于使用金属衬底支撑的微纳光纤进行对磁场的高灵敏度探测。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种由金属衬底支撑的微纳光纤高灵敏的磁场探针，包括：光源，用于产生在探头与磁场相作用的初级光信号；光纤探针针体，将收到的光源发射来的光引入磁场，起传输作用；光纤探针探头，与针体相衔接，置于磁场内部，在与磁场发生作用的同时，输出光信号用于检测；金属衬底，置于光纤探针探头下方，与光纤探针探头紧密贴合，用于将磁场作用范围以微纳级别靠近探头；偏振片，置于光纤探针探头前方，使光纤探针探头输出的光信号通过偏振片后经遮蔽和透过作用，提升偏振度；光强探测仪，置于偏振片后方，用于检测通过偏振片输出的光信号大小。

所述光源为638 nm半导体激光，光源温度为25 ℃，光强为61.5 μw。

所述光纤探针探头由手工拉伸普通单模光纤而成，其直径在1-6μm之内，光纤头部探出衬底约10-20 μm。

所述金属衬底由对光的损耗极小的MgF₂材料制成，其表面镀厚度为100nm的金膜以及厚度为100nm的镍膜。

一种金属衬底支撑的微纳光纤高灵敏的磁场探针的制备方法，包括以下工序：

（1）    制备微纳光纤探针工序

第一步，光纤的熔接，用熔接机将两根光纤熔接在一起，将套好光纤热缩套管的光纤放到加热器中对其加热固定，至此完成光纤的焊接工作；

第二步，光纤探针探头的拉制，采用普通单模光纤并高温手工拉伸法拉制出尖端直径在1~6 μm的光纤探头；

第三步，金属衬底的制作，选择对光的损耗极小的MgF₂材料，通过对其表面镀不同的金属层来调节光的偏振度，达到增强偏振的效果，制作好的衬底用底架来支撑，保证探头呈水平状态，不发生弯折，将制作好的衬底粘在载玻片的前端并探出一半长度。

第四步，光纤探针探头与金属衬底的组合，在显微镜的低倍镜下找到金属衬底的边缘处，将拉制好的微纳光纤固定在三维调节架上，通过反复调节三维调节架使光纤前端与衬底紧密接触，光纤头部探出衬底10-20 μm，光纤后端用胶水将其固定在两小块玻璃片上；

（2）    构建实验平台

将光纤探针针体与光源相连接，将载有光纤探针探头的载玻片置于搭建好的平板上，使金属衬底部分位于磁场中心位置，并将360°偏振片，光强探测仪依次固定在磁场发生装置后端，使其都置于同一平面上，并使其中心位于同一直线，完成装置构建。

一种金属衬底支撑的微纳光纤高灵敏的磁场探针的使用方法，包括以下步骤：