[發明專利]一種基于光學微腔的超靈敏度磁場傳感器

有效

• 申請號: 201610270459.2
• 申請日: 2016-04-27
• 公開（公告）號: CN105785287B
• 公開（公告）日: 2019-04-30
• 發明（設計）人: 李宇波;華飛;王俊偉;毛達鵬;魏兵;王曰海;楊建義;郝寅雷;周強
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01R33/032
• 分類號: G01R33/032
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 林超

本發明提供了一種基于光學微腔的超靈敏度磁場傳感器。由固定封裝在一起的微納光纖、微管和磁流體而成光學微腔，微納光纖環繞微管外壁一周，微管內部中空封裝有磁流體，微納光纖輸入、出端分別連接寬譜光源和光譜分析儀，微納光纖纏繞在微管外壁一圈并交叉重疊形成重疊區；電磁波由寬譜光源發出，經微納光纖傳輸至光學微腔，再經微納光纖輸出至光譜分析儀。本發明中設置了將微納光纖圍繞微管一圈的結構，大大增加了電磁波與磁流體的接觸，從而使其具有更高的靈敏度。

技術領域

本發明涉及一種基于光學微腔的超靈敏度磁場傳感器，具有極高靈敏度。

背景技術

光學微腔是一種重要的光子學器件，具有高品質因數和小模式體積的優點，在基礎和應用領域受到廣泛關注，例如腔量子電動力學、非線性光學、極低閾值微腔激光器、高靈敏度傳感器等。具有回音壁諧振模式的光學微腔傳感器體積小、靈敏度高、探測極限低，而且能對生物化學分子實現無標記檢測，檢測可信度高，非常具有實用價值。

磁流體是將包裹上表面活性劑的強磁性顆粒均勻分散在合適載液中所形成的一種穩定膠體溶液。作為一種新的功能性材料，磁流體有很多獨特的磁光特性，如可調折射率特性、熱透鏡效應、法拉第效應、雙折射效應、磁致伸縮效應等。磁流體的這些性質已經被開發應用到很多光學器件中，比如說濾光鏡、可調光學開關、磁光調制器等等。諸多性質之中，可調諧折射率特性的應用最為廣泛，利用這一特性制作的光學器件和實現的傳感方案越來越多。

如果將回音壁模式光學微腔的高靈敏度特性和磁流體的可調諧折射率特性相結合，那么即可實現高靈敏度的磁場傳感。其基本原理如下：光學微腔置于待測磁場下，在外加磁場的作用下，磁流體的折射率發生變化，即實現了整個裝置的作為濾波器的調諧，最終導致輸出光信號的諧振波長發生變化，通過對輸出信號進行解調便可檢測待測磁場的信息。

發明內容

本發明針對目前磁場傳感器靈敏度不高的問題，提出了一種基于光學微腔的具有極高靈敏度的磁場傳感器。

本發明采用的技術方案如下：

本發明包括固定封裝在一起的微納光纖、微管和磁流體而形成的光學微腔，光學微腔將磁場信號轉化為光信號，微納光纖纏繞在微管的外壁，并引出兩端分別作為輸入端和輸出端，微管的內部中空封裝有磁流體，微納光纖的輸入端和輸出端分別連接寬譜光源和光譜分析儀，微納光纖纏繞在微管外壁并形成重疊區，重疊區位于上方的微納光纖為輸入段，重疊區位于下方的微納光纖為輸出段，輸入段和輸出段形成重疊區；電磁波由寬譜光源發出，經過微納光纖傳輸至重疊區，輸入段中的電磁波一部分直接耦合至輸出段，另一部分繼續沿微納光纖傳播，在諧振腔內諧振后再到達輸出段，疊加后的電磁波最終輸出至光譜分析儀。

所述的微納光纖的一圈纏繞在微管的外壁，一圈的輸入端和輸出端存在交叉重疊纏繞微管外壁的部分，并作為重疊區，重疊區的輸入端和輸出端的微納光纖上下緊貼布置。

所述的微管為筒體結構，磁流體填充在筒體中，微管管壁和磁流體之間沒有任何氣泡或間隙。

所述的微納光纖、微管和磁流體外面通過固化膠包裹固化，且固化膠折射率比所述微納光纖纖芯的折射率小。將重疊區與微管完全封裝固定的封裝技術中，固化方法不僅限于紫外固化方法。

所述的微納光纖橫截面為圓形，直徑在微米量級；微管的橫截面為環形，管壁厚度在微米量級。

所述的重疊區長度根據光源波長、微管管壁及磁流體的參數優化計算獲得。

進一步的，光學微腔的原理為：

(1)所述回音壁模式的光學微腔是一個濾波器，波長滿足一定條件的電磁波更容易通過該結構并繼續傳播到光譜分析儀中，形成相應的頻譜；