[发明专利]一种基于光学微腔的超灵敏度磁场传感器

说明书

本发明提供了一种基于光学微腔的超灵敏度磁场传感器。由固定封装在一起的微纳光纤、微管和磁流体而成光学微腔，微纳光纤环绕微管外壁一周，微管内部中空封装有磁流体，微纳光纤输入、出端分别连接宽谱光源和光谱分析仪，微纳光纤缠绕在微管外壁一圈并交叉重叠形成重叠区；电磁波由宽谱光源发出，经微纳光纤传输至光学微腔，再经微纳光纤输出至光谱分析仪。本发明中设置了将微纳光纤围绕微管一圈的结构，大大增加了电磁波与磁流体的接触，从而使其具有更高的灵敏度。

技术领域

本发明涉及一种基于光学微腔的超灵敏度磁场传感器，具有极高灵敏度。

背景技术

光学微腔是一种重要的光子学器件，具有高品质因数和小模式体积的优点，在基础和应用领域受到广泛关注，例如腔量子电动力学、非线性光学、极低阈值微腔激光器、高灵敏度传感器等。具有回音壁谐振模式的光学微腔传感器体积小、灵敏度高、探测极限低，而且能对生物化学分子实现无标记检测，检测可信度高，非常具有实用价值。

磁流体是将包裹上表面活性剂的强磁性颗粒均匀分散在合适载液中所形成的一种稳定胶体溶液。作为一种新的功能性材料，磁流体有很多独特的磁光特性，如可调折射率特性、热透镜效应、法拉第效应、双折射效应、磁致伸缩效应等。磁流体的这些性质已经被开发应用到很多光学器件中，比如说滤光镜、可调光学开关、磁光调制器等等。诸多性质之中，可调谐折射率特性的应用最为广泛，利用这一特性制作的光学器件和实现的传感方案越来越多。

如果将回音壁模式光学微腔的高灵敏度特性和磁流体的可调谐折射率特性相结合，那么即可实现高灵敏度的磁场传感。其基本原理如下：光学微腔置于待测磁场下，在外加磁场的作用下，磁流体的折射率发生变化，即实现了整个装置的作为滤波器的调谐，最终导致输出光信号的谐振波长发生变化，通过对输出信号进行解调便可检测待测磁场的信息。

发明内容

本发明针对目前磁场传感器灵敏度不高的问题，提出了一种基于光学微腔的具有极高灵敏度的磁场传感器。

本发明采用的技术方案如下：

本发明包括固定封装在一起的微纳光纤、微管和磁流体而形成的光学微腔，光学微腔将磁场信号转化为光信号，微纳光纤缠绕在微管的外壁，并引出两端分别作为输入端和输出端，微管的内部中空封装有磁流体，微纳光纤的输入端和输出端分别连接宽谱光源和光谱分析仪，微纳光纤缠绕在微管外壁并形成重叠区，重叠区位于上方的微纳光纤为输入段，重叠区位于下方的微纳光纤为输出段，输入段和输出段形成重叠区；电磁波由宽谱光源发出，经过微纳光纤传输至重叠区，输入段中的电磁波一部分直接耦合至输出段，另一部分继续沿微纳光纤传播，在谐振腔内谐振后再到达输出段，叠加后的电磁波最终输出至光谱分析仪。

所述的微纳光纤的一圈缠绕在微管的外壁，一圈的输入端和输出端存在交叉重叠缠绕微管外壁的部分，并作为重叠区，重叠区的输入端和输出端的微纳光纤上下紧贴布置。

所述的微管为筒体结构，磁流体填充在筒体中，微管管壁和磁流体之间没有任何气泡或间隙。

所述的微纳光纤、微管和磁流体外面通过固化胶包裹固化，且固化胶折射率比所述微纳光纤纤芯的折射率小。将重叠区与微管完全封装固定的封装技术中，固化方法不仅限于紫外固化方法。

所述的微纳光纤横截面为圆形，直径在微米量级；微管的横截面为环形，管壁厚度在微米量级。

所述的重叠区长度根据光源波长、微管管壁及磁流体的参数优化计算获得。

进一步的，光学微腔的原理为：

(1)所述回音壁模式的光学微腔是一个滤波器，波长满足一定条件的电磁波更容易通过该结构并继续传播到光谱分析仪中，形成相应的频谱；