[发明专利]一种利用双光子飞秒激光直写技术3D打印的高灵敏度磁场传感器及其制作方法

说明书

本发明公开了一种利用双光子飞秒激光直写技术3D打印的高灵敏度磁场传感器及其制作方法，包含入射单模光纤、双Y分支微结构和出射单模光纤；双Y分支微结构直接打印在入射单模光纤一端面和出射单模光纤一端面上，双Y分支微结构包括参考臂和测量臂，测量臂内包含有一段空心微腔体和微流通道用于填充磁流体材料。测量臂中导模的有效折射率与磁流体折射率密切相关，导致通过参考臂和测量臂上的传播光在公共端干涉后产生较大的相位差，干涉后的光谱由于参考臂和测量臂有效折射率不同而产生周期性的变化，当外界磁场变化时，干涉后光谱的谷产生漂移，通过测量该漂移可以实现对磁场的测量。该传感器具有体积小、灵敏度高、耐腐蚀等明显优势。

技术领域

本发明涉及光学传感技术领域，具体涉及一种利用双光子飞秒激光直写技术3D打印的高灵敏度磁场传感器及其制作方法。

背景技术

磁场测量在电力系统、航空航天、深海探测等领域具有重要的应用前景。当前已经提出了用于检测磁场的各种类型的基于光学和电学的磁场传感器，其中基于磁流体(MF)的光纤磁场传感器是一种有潜力的磁场传感器，这种传感器使用磁流体作为敏感物质，磁流体由包裹表面活性剂(油酸)的磁性纳米颗粒(如Fe₃O₄，CoFe₂O₄或MnFe₂O₄等)悬浮分散在某些溶剂中混合而成。磁流体具有折射率可调、场传输依赖性、法拉第效应和双折射效应等磁光特性，可利用光学方法实现对外界磁场的精密检测。

基于磁流体实现对外界磁场检测的原理在于，当外界磁场存在时，磁流体的折射率发生相应的变化。现有的利用光学原理与磁流体结合的磁场测量方法包括回音壁模式磁场传感器、表面等离振子共振磁场传感器、干涉式磁场传感器、基于光栅的磁场传感器。这些磁场传感器利用磁流体的存在改变了波导中传输光的倏逝场或导模，改变了传输光的强度或共振波长。这些工作主要通过优化光-磁流体相互作用，设计高磁场灵敏度的传感器。

通过将磁流体灌入光子晶体光纤的微型孔中，已实现许多基于磁流体的光纤磁场传感器，例如长周期光栅和马赫-曾德干涉仪，这显示了高灵敏度传感应用的潜力。现有技术通常在传统的光纤中制作微加工孔来填充磁流体，但是，光纤中的微加工孔往往导致光-磁流体的相互作用的空间有限，因此在有限的空间内仅通过优化光-磁流体相互作用难以较大的提升传感器的磁场灵敏度，且稳定性较差。若要进一步提升传感器的磁场灵敏度和稳定性，需要从根本上解决光-磁流体的相互作用空间过小的问题，同时保证填充磁流体的孔具备耐腐蚀性的特点。

发明内容

为了解决现有的基于磁流体(MF)的光纤磁场传感器中光-磁流体的相互作用空间有限、灵敏度和稳定性较低、光纤材料耐腐蚀性较差的问题，本发明提出了一种利用双光子飞秒激光直写技术3D打印的高灵敏度磁场传感器及其制作方法。采用双光子激光直写技术制造3D电子器件，具有高分辨率和快速写入速度的优势，能够从根本上解决波导器件中的光-磁流体相互作用空间过小的问题，同时保证填充磁流体的孔具备耐腐蚀性，能够进一步提升磁场传感器的灵敏度和稳定性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种利用双光子飞秒激光直写技术3D打印的高灵敏度磁场传感器，其特征在于，包含入射单模光纤、双Y分支微结构和出射单模光纤；所述的双Y分支微结构的入射端和出射端分别与入射单模光纤和出射单模光纤的一端相连，所述的入射单模光纤和出射单模光纤的另一端分别连接宽谱光源和光谱分析仪；

所述的双Y分支微结构包括平行且等长的参考臂和测量臂，参考臂和测量臂位于同一侧的两端连通形成入射Y分支微结构，参考臂和测量臂位于另一侧的两端连通形成出射Y分支微结构，所述的入射Y分支微结构的入射端与入射单模光纤的出射端由3D打印直接打印连接；所述的出射Y分支微结构的出射端与出射单模光纤的入射端由3D打印直接打印连接；所述的测量臂内部设有空心微腔体，所述的空心微腔体内充满磁流体，空心微腔体的两端分别通过第一微流通道和第二微流通道与外部接通，第一微流通道和第二微流通道的端口处由紫外胶密封。