一种具有微结构光纤的Sagnac磁场传感器的制作方法

本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及到一种具有微结构光纤的sagnac磁场传感器，用于测量磁场强度和磁场方向。

背景技术

磁流体是将包裹在表面活性剂中的纳米量级的磁性颗粒均匀分散在液体溶剂中的单畴胶体溶液。常用的磁性颗粒包括fe3o4，fe2o3，ni，co及其合金等。溶剂主要有水，煤油，庚烷等。磁流体的折射率主要依赖于磁性颗粒和溶剂，与磁性颗粒浓度成线性关系。当经过磁流体的磁场方向与入射光方向平行时，磁流体的折射率随着磁场的增加而增加，满足郎之万方程。当磁场方向与入射光方向垂直时，对于入射光来说，磁流体表现为各向异性。相对于两个正交偏振方向的入射光，磁流体具有了不同的折射率。

由于具有折射率可调、双折射、二向色性、法拉第效应，场依赖传输等特性，磁流体得到了广泛的重视和研究。现有技术中已有将磁流体覆盖在锥形和错位熔接的光纤上实现了磁场测量，在250-475oe测量范围内的灵敏度为26pm/oe。现有技术中也已有将磁流体涂敷在沟槽状光纤上实现了磁场调制器，使用多个沟槽时调制深度可达20％。sagnac传感器具有高灵敏度，在磁流体磁场传感中也得到了应用。此外，已有将磁流体薄膜插入到sagnac传感器中实现了磁场测量，最高灵敏度达592.8pm/oe。而由于磁流体较高的传输损耗，磁流体薄膜的厚度往往只有几十微米。

微结构光纤在包层中存在周期性空气孔分布，这些孔为功能材料填充提供了天然通道。陈海良等在微结构光纤气孔中选择填充磁流体，实现了基于模式耦合效应的磁场传感器。祖鹏等在微结构光纤中完全填充高折射率磁流体，实现了带隙传导。在微结构光纤包层气孔中填充磁流体，通过利用外场调节磁流体的折射率来调节光传输特性，避免了光在磁流体中传输。同时，相比于在光纤sagnac传感器中插入磁流体薄膜，将填充了磁流体的微结构光纤熔接进光纤sagnac传感器显著提高了装置稳健性。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是通过研究磁流体选择填充的石英基微结构光纤在不同光纤长度下的纤芯模相位差及磁场测量灵敏度特性，设计出基于该微结构光纤的高灵敏度sagnac磁场传感器。

针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种具有微结构光纤的sagnac磁场传感器。本发明将磁流体填充到微结构光纤包层空气孔中，可以通过利用磁场调节磁流体的折射率来实现对微结构光纤纤芯模式的折射率调控。再将该磁流体填充的微结构光纤熔接到sagnac传感器中，可以实现磁场强度及磁场方向的测量。

为了解决上述存在的技术问题，本发明所述方法的是通过以下技术方案实现的：

一种具有微结构光纤的sagnac磁场传感器，其特征在于，包括：宽带光源bbs、3db耦合器、偏振控制器pc、微结构光纤pcf、电磁铁及其电源和光谱仪osa，其中所述宽带光源bbs输出激光到所述3db耦合器，所述3db耦合器将宽带光源bbs输出的激光等分成沿顺时针方向和逆时针方向传播的两束线偏振光，所述偏振控制器pc使这两束线偏振光的偏振方向旋转90度，在所述微结构光纤pcf的两侧设置有由电源供电的电磁铁，所述电磁铁产生的磁场使磁流体中的磁性颗粒磁矩沿磁场方向取向，致使沿顺时针和逆时针方向传播的两束光在3db耦合器输出端发生干涉，所述光谱仪osa测量3db耦合器输出的干涉谱。

上述技术方案中，所述微结构光纤pcf长度为l，所述微结构光纤pcf背景材料为石英，所述微结构光纤pcf的包层为多个气孔构成的六角形气孔阵列结构，所述微结构光纤pcf的纤芯左右两侧有两个截面积为圆形的空气孔，空气孔的直径为d1，空气孔中填充磁流体。

上述技术方案中，所述微结构光纤pcf的包层的六角形气孔阵列结构的多个气孔的截面积为相同直径的圆形，直径为d2，六角形气孔阵列结构中相邻的气孔之间有相同的间距，设定间距为λ。

上述技术方案中，d1为2.4μm，d2为1.0μm，λ为2μm，长度l为5mm。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

本发明中的传感器头采用磁流体选择填充的保偏微结构光纤，磁场方向垂直于微结构光纤，磁流体相对于入射光为各向异性。磁流体在保偏微结构光纤的两个大空气孔中填充，填充方法为轴向分布填充截断法。磁流体在微结构光纤气孔中填充之后，可以通过磁场调控磁流体的折射率来调节光在光纤中的传输特性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中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它附图。

图1是本发明的sagnac磁场传感器的光路示意图；

图2是本发明的微结构光纤横截面示意图；

图3是本发明的磁流体的复介电常数与磁场的关系示意图；

图4是本发明的微结构光纤纤芯基模的有效折射率及位相差随波长的变化示意图；

图5是本发明的sagnac磁场传感器输出的光谱图；

图6是本发明的三个波谷波长随磁场强度的变化关系示意图；

图7是本发明的波谷iii分成三个磁场测量区域的波谷波长随磁场强度的变化关系示意图；

图8是本发明另一实施例在不同磁场角度时波谷i的波谷波长随磁场的变化关系示意图；

图9是本发明另一实施例的磁场强度为1000oe时波谷波长i的波谷波长随磁场角度的变化关系示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1所示，本发明的一种具有微结构光纤的sagnac磁场传感器，包括：宽带光源bbs、3db耦合器、偏振控制器pc、微结构光纤pcf、电磁铁及其电源和光谱仪osa，其中所述宽带光源bbs输出激光到所述3db耦合器，所述3db耦合器将宽带光源bbs输出的激光等分成沿顺时针方向和逆时针方向传播的两束线偏振光，所述偏振控制器pc使这两束线偏振光的偏振方向旋转90度，在所述微结构光纤pcf的两侧设置有由电源供电的电磁铁，所述电磁铁产生的磁场使磁流体中的磁性颗粒磁矩沿磁场方向取向，沿顺时针和逆时针方向传播的两束光在3db耦合器输出端发生干涉，所述光谱仪osa测量3db耦合器输出的干涉谱。

微结构光纤pcf长度为l，所述微结构光纤pcf背景材料为石英，所述微结构光纤pcf的包层为多个气孔构成的六角形气孔阵列结构，所述微结构光纤pcf的纤芯左右两侧有两个截面积为圆形的空气孔，空气孔的直径为d1，空气孔中填充磁流体。微结构光纤pcf的包层的六角形气孔阵列结构的多个气孔的截面积为相同直径的圆形，直径为d2，六角形气孔阵列结构中相邻的气孔之间有相同的间距，设定间距为λ。

其中，微结构光纤纤芯左右两侧分布了两个大直径的空气孔，为偏振保持光纤。通过在左右两个大空气孔中填充磁流体，利用磁场可以调节磁流体的折射率，从而可以调节微结构光纤的双折射特性，并导致sagnac磁场传感器的干涉谱发生移动。通过检测干涉谱的波谷波长变化可以用来测量磁场。

sagnac磁场传感器干涉谱的波谷波长随磁场强度和方向的改变而发生变化，三个波谷具有不同的变化规律。改变微结构光纤长度，使波谷波长接近群双折射为零的波长可以显著提高磁场测量灵敏度。

在图2所示的微结构光纤结构示意图中，微结构光纤pcf中d1为2.4μm，d2为1.0μm，λ为2μm，l为5mm，磁场方向为90°。

在图3所示的本发明实施例1的磁流体的复介电常数与磁场的关系中，磁流体的介电常数为各项异性。入射光电场方向与磁场平行时，介电常数实部随磁场增加而增加，并逐渐趋于饱和。入射光电场方向与磁场垂直时，介电常数实部随磁场增加而减小，并逐渐趋于饱和。磁流体介电常数虚部与实部变化趋势相反。

在图4所示的本发明实施例1的微结构光纤纤芯基模的有效折射率及位相差随波长的变化示意图。插图为纤芯两个基模的电场分布图。两个基模的有效折射率随波长增加而减小。位相差随波长的增加先增加后减小。

在图5所示的本发明实施例1的sagnac磁场传感器输出光谱图。在测量范围内有三个波谷，分别对应位相差为3，3，2。

在图6所示的本发明实施例1的三个波谷波长随磁场强度的变化关系。波谷i的波谷波长随磁场增加而减小。波谷ii和iii的波谷波长随磁场增加而增大。并且变化关系都满足郎之万方程y＝a[coth(bx)-1/(bx)]+c，三个波谷对应参数(a,b,c)分别为：

(0.6886,0.00344,1.65969)，

(0.02123,0.00461,1.41376)，

(0.032,0.00443,0.96495)。

在图7所示的本发明实施例1的波谷iii分成三个磁场测量区域的波谷波长随磁场强度的变化关系。当磁场强度测量范围分成几个窄的测量波段时，波谷波长与磁场强度之间可满足线性关系。对于波谷iii，磁场测量范围分为(100-400oe),(400-600oe),(600-900oe)时可满足线性关系，测量灵敏度分别为7.590e-5，4.691e-5，2.6829e-5μm/oe。

本发明的另一个实施例中，其sagnac磁场传感器及微结构光纤结构参数相同，不同之处在于磁场方向发生变化，测量磁场方向与波谷波长的关系。

在图8所示的本发明另一实施例中的不同磁场角度时波谷i的波谷波长随磁场的变化关系5。磁场角度为45°时，波谷i的波谷波长几乎不随磁场强度变化。磁场角度为0°-45°时，波谷i的波谷波长随磁场增加而增加，并趋于饱和。磁场角度为45°-90°时，波谷i的波谷波长随磁场增加而减小，并趋于饱和。

在图9所示的本发明另一实施例中的磁场强度为1000oe时波谷波长i的波谷波长随磁场角度的变化关系。当改变磁场方向时，波谷波长发生移动。对于波谷i，磁场强度为1000oe时，磁场方向接近0°，90°时波谷波长变化缓慢，磁场方向接近45°时波谷波长变化速度较快。在30°-60°的角度范围内，波谷波长与磁场角度满足线性关系，磁场方向测量灵敏度为7.099e-4μm/度。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。