基于磁流体填充光子晶体微腔的磁场和温度同时测量方法
【专利摘要】本发明提出了基于磁流体填充光子晶体微腔的磁场和温度同时测量方法。通过将两种不同类型的磁流体分别填充在一个光子晶体波导平板中两个不同区域的空气孔中，形成两个级联的光子晶体微腔，这样光子晶体波导的输出光谱中就会出现两个相互独立的谐振谷（对应两个谐振波长）。随着外界磁场或温度的变化，两种填充磁流体的折射率均会发生不同程度的变化，从而使光子晶体波导输出光谱中的两个谐振波长发生移动，且两个谐振波长对磁流体折射率变化的敏感度不一致。最后，采用双波长矩阵法，根据两个谐振波长的移动量反推出外界磁场和温度的变化量，实现对磁场和温度的同时测量。计算可得，最小可检测的磁场变化量为1.333Oe，最小可检测的温度变化量为0.301K。
【专利说明】基于磁流体填充光子晶体微腔的磁场和温度同时测量方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于磁流体填充光子晶体微腔的磁场和温度同时测量方法，属于光电检测【技术领域】。
【背景技术】
[0002]磁场是很多自然现象的基本物理参数，汽车和飞机的高精确度导航和定位、医学生物检测和疾病检测、异常微弱信号的获取、探索危险以及人类不能够到达的领域等，这些都需要使用磁场传感器。所以对磁场测量方法的研究一直受到人们的广泛关注(文献
1.姜智鹏，赵伟，屈凯峰，磁场测量技术的发展及其应用[J]，电测与仪表，2008，45 (508):1-5，10.)。应用广泛的基于霍尔效应的磁场传感器虽然使用方便，价格便宜，但精度不高，且温度稳定性不好。而基于磁光效应的光学磁场传感器由于其具有安全防爆、抗电磁干扰、质量轻、响应速度快、测量范围大、可进行实时远距离监测等优异特性而成为目前研究最多的磁场测量技术(文献2.C.L.Tien, H.ff.Chen, C.C.Hwang, et al.Magnetic field sensor based on double-sided polished fiber-Bragg gratings [J].Measurement Science & Technology, 2009, 20(7): 075202(1-6).)。
[0003]磁流体是磁性纳米颗粒借助表面活性剂均匀地分散在基液中而形成的一种稳定的胶状液体，它既具有固体磁性材料的磁性又具有液体的流动性。作为一种新型的功能材料，磁流体具有很多独特的磁光特性，如双折射效应、法拉第效应、热透镜效应、以及可调谐折射率特性等(文献3.Y.Zhao, Y.Zhang, R.Lv, et al.Noveloptical devices based on the tunable refractive index of magnetic fluid andtheir characteristics [J], Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2011,323 (23):2987-2996.)。利用磁流体的可调谐折射率特性，磁流体在不同磁场作用下的折射率会发生变化，进而会引起系统的输出发生相应变化，基于此，很多光学磁场测量方法在近几年被相继提出(文献4.丁立.基于磁流体和FBG的光纤磁场传感研究[D].武汉理工大学，2012;文献 5.R.Gao, Y.Jiang, and S.Abdelaziz.Al 1-fibermagnetic field sensors based on magnetic fluid-filled photonic crystal fibers [J].0ptics Letters, 2013, 38(9): 1539-1541;文献 6.R.Lv, Y.Zhao, D.Wang, Q.Wang.Magnetic fluid-filled optical fiber fabry-perot sensor for magnetic fieldmeasurement [J].1EEE Photonics Technology Letters, 2014, 26(3): 212-219.),为高灵敏度的磁场测量提供了一种新技术和新思路。这种方法不仅具有传统光学磁场传感器的优点，还具有操作简单、结构小、灵敏度高等优异特性。然而在实际测量中，外界温度的变化是一个不可忽略的因素，由于温度的变化同样会引起磁流体的折射率发生不可预知的变化(文献 7.Y.F.Chen, S.Y.Yang, ff.S.Tse, et al.Thermal effect on thefield-dependent refractive index of the magnetic fluid film.Applied PhysicalLetters, 2003, 82(20): 3481-3483，May 2003.)，即磁场和温度交叉敏感现象，这样会大大降低磁场测量的精度。
[0004]因此，如果能够提出一种磁场和温度同时测量的方法，这样不仅可以提高磁场测量的精度，而且可以解决磁场和温度的交叉敏感问题，实现磁场和温度两个参数的同时测量。这种新型的测量装置能够大大拓宽光学磁场传感器在磁场测量领域中的应用，具有十分重大的现实意义。此外，该系统还提供了一种双参数同时测量的方法，可大大降低双参数测量系统的尺寸和成本。
【发明内容】
[0005](一)要解决的技术问题
本发明的目的在于解决传统磁场传感器中精度不高、测量精度受温度影响等问题，提出一种结构简单、易于实现、灵敏度高、体积小、稳定性好、且能够同时对磁场和温度进行测量的方法。
[0006](二)技术方案
为了达到上述目的，本发明提出一种基于磁流体填充光子晶体微腔的磁场和温度同时测量方法，其特征在于:将两种不同类型的磁流体分别填充在一个光子晶体波导平板中两个不同区域的空气孔中，形成两个级联的光子晶体微腔，这样光子晶体波导的输出光谱中就会出现两个相互独立的谐振谷(对应于不同的谐振波长)。当外界磁场或温度发生变化时，两种磁流体的折射率均会发生不同程度的变化，最终导致光子晶体波导输出光谱中的两个谐振波长发生移动，且两个谐振波长对磁流体折射率变化的敏感度不一致。最后，采用双波长矩阵法，可以根据两个谐振波长的移动量解调出外界磁场和温度的变化量，实现磁场和温度的同时测量。
[0007]上述方案中，所述的光子晶体波导为空气桥结构，空气孔呈等边三角形排列，空气孔的半径为r=0.32a (其中a=447nm为光子晶体的晶格常数，即相邻空气孔之间的间距)，波导宽度为= 1.1^ =1.9052a，所选用的背景介质为普通硅材料，其厚度为A=220nm，有效折射率为fl=2.87。
[0008]上述方案中，所填充的两种磁流体分别是体积浓度为1.8%的水基Fe3O4 (记为1#磁流体)和质量浓度为0.85emu/g的水基Fe3O4 (记为2#磁流体)，对于1#磁流体，它的磁光系数(即，磁流体的折射率随磁场的变化率)为A1=L 50 X 10_5RIU/0e，热光系数(即，磁流体的折射率随温度的变化率)为#T1=-6.64X 10_5RIU/K，而对于2#磁流体，它的磁光系数为Jh2=L 71X10-5 RIU/0e，热光系数为#Τ2=-7.56Χ10-5 RIU/K。
[0009]上述方案中，所述的两个不同的填充区域分别是半径Sr1=0.32a的10个相邻空气孔(1#填充区域)和半径为^=0.30a的10个相邻空气孔(2#填充区域)，它们均紧邻于波导且位于波导的一侧。
[0010]上述方案中，所述的两个级联光子晶体微腔分别是将1#磁流体填充在1#填充区域形成1#光子晶体微腔，同时将2#磁流体填充在2#填充区域形成2#光子晶体微腔，1#光子晶体微腔的谐振波长』!在1520nm附近，其折射率灵敏度为&=500nm/RIU，2#光子晶体微腔的谐振波长』2在1545nm附近，其折射率灵敏度为尽=520nm/RIU。
[0011] 上述方案中，当两个级联的光子晶体微腔所受磁场由500e增加到2000e时，1#磁流体的折射率由1.3420变化到1.3440，同时，2#磁流体的折射率由1.4623变化到1.4650，通过计算可得谐振波长』!的磁场变化灵敏度为0.0075nm/0e，谐振波长』2的磁场变化灵敏度为 0.0089nm/0e。
[0012]上述方案中，当两个级联的光子晶体微腔所受温度由8K增加到60K时，1#磁流体的折射率由1.3427变化到1.3385，同时，2#磁流体的折射率由1.4671变化到1.4635，通过计算可得谐振波长』!的温度变化灵敏度为-0.0332nm/K，谐振波长』2的温度变化灵敏度为-0.0393nm/K。
[0013](三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果:
I)本发明提出的这种基于磁流体填充光子晶体微腔的磁场和温度同时测量方法，既具有传统光学磁场传感器所具有的安全防爆、抗电磁干扰、质量轻、响应速度快、测量范围大、可进行实时远距离监测等优异特性，又解决了传统光学磁场传感器测量精度易受外界温度干扰的问题，大大提高了磁场测量的精度。
[0014]2)本发明提出的这种基于磁流体填充光子晶体微腔的磁场和温度同时测量方法，不仅解决了磁场和温度之间的交叉敏感问题，还为双参数测量提供了新技术和新方法。
[0015]3)本发明提出的这种基于磁流体填充光子晶体微腔的磁场和温度同时测量方法，实现了单个系统的双参数检测，大大地降低了成本，并且光子晶体微腔的尺寸仅为微米量级，能用于测量空间狭小或者某些需要单点测量要求的场合。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]以下各图所取的光子晶体微腔的结构参数以及填充磁流体的折射率大小均与【具体实施方式】中相同。
[0017]图1为基于磁流体填充的级联光子晶体微腔结构示意图；
图2 (a)为2#填充区域的空气孔折射率不变时，级联光子晶体微腔的输出光谱与1#填充区域的空气孔折射率之间的关系曲线，图2(b)为1#填充区域的空气孔折射率不变时，级联光子晶体微腔的输出光谱与2#填充区域的空气孔折射率之间的关系曲线；
图3(a)为外界磁场变化时，两个光子晶体微腔的谐振波长』1;』2的变化量与磁场之间的关系曲线，图3(b)为外界温度变化时，两个光子晶体微腔的谐振波长』P』2的变化量与温度之间的关系曲线。
【具体实施方式】
[0018]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明的具体结构、原理以及传感特性作进一步的详细说明。
[0019]本发明提出了一种基于磁流体填充光子晶体微腔的磁场和温度同时测量方法，如图1所示为基于磁流体填充的级联光子晶体微腔的结构示意图。该结构中，空气孔呈等边三角形排列，空气孔的半径为r=0.32a (其中a=447nm为光子晶体的晶格常数，即相邻空气孔之间的间距)，波导宽度为d =1.\Sa ==1.9052a，所选用的背景介质为普通硅材料，其厚度为A=220nm，有效折射率为/7=2.87。为了形成两个级联的微腔结构，将体积浓度为1.8%的水基Fe3O4 (记为1#磁流体)填充在如图1中所示的1#填充区域的10个空气孔(半径为T1=0.32a)中形成1#光子晶体微腔，将质量浓度为0.85emu/g的水基Fe3O4 (记为2#磁流体)填充在如图1中所示的2#填充区域的10个空气孔(半径为了2=0.30a)中形成2#光子晶体微腔。两个微腔具有不同的谐振波长(J1和』2)，当一束宽谱光通过波导传输时，从波导末端探测到的输出谱中将会出现两个谐振谷，分别对应于两个微腔的谐振波长。当2#填充区域的折射率/?不变，1#填充区域的空气孔折射率A由1.34变化到1.355 (变化间隔为0.005)时，级联光子晶体微腔的输出光谱与Z7l之间的关系曲线如图2(a)所示，它们是利用麻省理工学院的MEEP软件仿真得到的，横坐标为入射光波长』，纵坐标为归一化透射率T。相反，当1#填充区域的折射率A1不变，2#填充区域的空气孔折射率/?2由1.34变化到1.355 (变化间隔为0.005)时，级联光子晶体微腔的输出光谱与/?2之间的关系曲线如图2(b)所示。比较图2(a)和图2(b)，我们可以发现:(I)当填充孔的折射率增加时，两个谐振腔的谐振波长均会发生红移，其中1#光子晶体微腔的谐振波长』!在1520nm附近，其折射率灵敏度为A=500nm/RIU，2#光子晶体微腔的谐振波长』2在1545nm附近，其折射率灵敏度为A=520nm/RIU ; (2)当其中一个填充区域的空气孔折射率发生变化时，只会影响填充区域所在的微腔谐振波长发生移动，而不会影响另外一个微腔的谐振特性，也就是说，两个级联的光子晶体微腔谐振谷是相互独立的，可以作为两个独立的传感器使用。
[0020]磁流体是磁性纳米颗粒借助表面活性剂均匀地弥散在基液中而形成的稳定胶体体系，在没有外加磁场的情况下，磁性纳米颗粒会随机分布在基液中，但是当施加一定的外界磁场时，磁流体中的纳米颗粒就会发生聚集并沿磁场方向形成以一定形式排列的磁链结构，而外界温度和磁场会同时影响磁链的形成和排列规律，进而影响磁流体的折射率。表1为实验得到的1#磁流体的折射率ZJ1和2#磁流体的折射率/?2与外界磁场#之间的关系，当磁场由500e增加至Ij 2000e时，A1由1.3420变化到1.3440,/?2由1.4623变化到1.4650。对数据进行线性拟合后得到1#磁流体的磁光系数(即，磁流体的折射率随磁场的变化率)为^hi=1- 50 X 10-5RIUA)e, 2#磁流体的磁光系数为fH2=l.71X 10_5 RlU/Oe。表2为实验得到的1#磁流体折射率A和2#磁流体的折射率n2与外界温度T之间的关系，当温度由8 K上升到60 K时，Z7l由1.3427变化到1.3385,n2由1.4671变化到1.4635。对数据进行线性拟合后得到1#磁流体的热光系数(即，磁流体的折射率随温度的变化率)为#T1=-6.64X 10_5RIU/K，2#磁流体的磁光系数为Κ12=-7.56 X 10_5RIU/K。
[0021]表1.1#磁流体的折射率A1和2#磁流体的折射率/?2与外界磁场#之间的关系
【权利要求】
1.基于磁流体填充光子晶体微腔的磁场和温度同时测量方法，其特征在于:将两种不同类型的磁流体分别填充在一个光子晶体波导平板中两个不同区域(分别记为1#和2#填充区域)的空气孔中，形成两个级联的光子晶体微腔，这样光子晶体波导的输出光谱中就会出现两个相互独立的谐振谷(对应于不同的谐振波长)，当外界磁场或温度发生变化时，两种磁流体的折射率均会发生不同程度的变化，最终使光子晶体波导输出光谱中的两个谐振波长发生移动，且两个谐振波长对磁流体折射率变化的敏感度不一致，最后，采用双波长矩阵法，可以根据两个谐振波长的移动量解调出磁场和温度的变化量，实现磁场和温度的同时测量。
2.如权利要求1所述的基于磁流体填充光子晶体微腔的磁场和温度同时测量方法，其特征在于:光子晶体波导为空气桥结构，空气孔呈等边三角形排列，除2#填充区域外，其余空气孔的半径均为r=0.32a (其中a=447nm为光子晶体的晶格常数，即相邻空气孔之间的间距)，2#填充区域的空气孔半径为r2=0.30a，波导宽度为(6/=1.9052a，所选用的基底介质为普通硅材料，其厚度为A=220nm，有效折射率为η二2.87。
3.如权利要求1所述的基于磁流体填充光子晶体微腔的磁场和温度同时测量方法，其特征在于:所填充的两种磁流体分别是体积浓度为1.8%的水基Fe3O4(记为1#磁流体)和质量浓度为0.85emu/g的水基Fe3O4 (记为2#磁流体)，对于1#磁流体，它的磁光系数(即，磁流体的折射率随磁场的变化率)SA1=1.50X 10_5RIU/0e，热光系数(即，磁流体的折射率随温度的变化率)为fT1=-6.64X 10_5RIU/K，而对于2#磁流体，它的磁光系数为木fl.71X 10_5RIU/0e，热光系数为 #Τ2=-7.56Χ10-5 RIU/K。
4.如权利要求1所述的基于磁流体填充光子晶体微腔的磁场和温度同时测量方法，其特征在于:所述的两个不同的填充区域分别是半径为Λ=0.32a的10个相邻空气孔(1#填充区域)和半径为^2= 0.30a的10个相邻空气孔(2#填充区域)，它们均紧邻于波导且位于波导的一侧。
5.如权利要求1所述的基于磁流体填充光子晶体微腔的磁场和温度同时测量方法，其特征在于:所述的两个级联光子晶体微腔分别是将1#磁流体填充在1#填充区域形成1#光子晶体微腔，同时将2#磁流体填充在2#填充区域形成2#光子晶体微腔，1#光子晶体微腔的谐振波长』!在1520nm附近，其折射率灵敏度为&=500nm/RIU，2#光子晶体微腔的谐振波长』2在1545nm附近，其折射率灵敏度为A=520nm/RIU。
6.如权利要求1所述的基于磁流体填充光子晶体微腔的磁场和温度同时测量方法，其特征在于:当两个级联的光子晶体微腔所受磁场由500e增加到2000e时，1#磁流体的折射率由1.3420变化到1.3440，同时，2#磁流体的折射率由1.4623变化到1.4650，通过计算可得谐振波长』!的磁场变化灵敏度为0.0075nm/0e，谐振波长』2的磁场变化灵敏度为0.0089nm/0e。
7.如权利要求1所述的基于磁流体填充光子晶体微腔的磁场和温度同时测量方法，其特征在于:当两个级联的光子晶体微腔所受温度由8K增加到60K时，1#磁流体的折射率由1.3427变化到1.3385，同时，2#磁流体的折射率由1.4671变化到1.4635，通过计算可得谐振波长』!的温度变化灵敏度为-0.0332nm/K,谐振波长』2的温度变化灵敏度为-0.0393nm/K。
【文档编号】G01D21/02GK104075754SQ201410294039
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年6月27日 优先权日:2014年6月27日
【发明者】赵勇, 张亚男, 李晋 申请人:东北大学