[實(shí)用新型]基于磁流體填充微結(jié)構(gòu)光纖的Sagnac磁場傳感器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201721289102.5
• 申請日: 2017-10-09
• 公開（公告）號(hào): CN207181650U
• 公開（公告）日: 2018-04-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 包立峰;董新永
• 申請（專利權(quán)）人: 中國計(jì)量大學(xué)
• 主分類號(hào): G01R33/032
• 分類號(hào): G01R33/032
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型屬于光纖磁場傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于磁流體填充微結(jié)構(gòu)光纖的Sagnac磁場傳感器。

背景技術(shù)

光纖磁場傳感技術(shù)主要致力于弱磁性目標(biāo)探測，服務(wù)于實(shí)際的工程和軍事應(yīng)用。按照感應(yīng)機(jī)理的不同，光纖磁場傳感器可分為懸臂梁-光纖光柵結(jié)構(gòu)的磁場傳感器，基于磁致伸縮材料的光纖磁場傳感器和基于磁流體的光纖磁場傳感器等不同類型。

磁流體(Magnetic Fluids，MF)是納米磁性微粒在表面活性劑包裹下均勻彌散在載液中所形成的一種穩(wěn)定的膠體溶液。當(dāng)光入射到在外磁場作用下的磁流體薄膜上，磁流體的光學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而引起出射光波傳輸特性的變化，產(chǎn)生磁場調(diào)制的雙折射效應(yīng)、折射率可控性和熱透鏡效應(yīng)等。

磁流體的雙折射效應(yīng)是外磁場作用下的磁流體將入射光分解成偏振方向垂直于磁場方向的o光和偏振方向平行于磁場方向的e光。由于磁流體雙折射效應(yīng)的強(qiáng)弱可利用磁性顆粒參數(shù)、外磁場、溫度等諸多因素進(jìn)行調(diào)控，因而能夠用于制作諸多光學(xué)器件，也在光纖磁場傳感研究中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型的目的在于提供一種基于磁流體填充微結(jié)構(gòu)光纖的Sagnac磁場傳感器。創(chuàng)新地將極短厚度的磁流體內(nèi)嵌入保偏光子晶體光纖的空氣孔，并且引入到高雙折射光纖Sagnac環(huán)中，外加磁場變化導(dǎo)致磁流體雙折射值的改變，進(jìn)而造成Sagnac干涉光譜的漂移。該設(shè)計(jì)中磁流體直接與光纖中傳輸?shù)墓獠ń嚯x作用，對磁場變化的響應(yīng)速度更快，降低了熔接損耗，靈敏度較高，是一種具備磁場測量在線應(yīng)用潛力的設(shè)計(jì)方案。

本實(shí)用新型通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：基于磁流體填充微結(jié)構(gòu)光纖的Sagnac磁場傳感器，其特征在于：由寬帶光源(1)，3dB耦合器(2)，保偏光纖(3)，偏振控制器(4)，保偏光子晶體光纖(5)，光纖光譜儀(6)，磁流體(7)和磁場發(fā)生器(8)組成；3dB耦合器(2)的a端口與寬帶光源(1)相連，b端口與保偏光纖(3)相連， c端口與保偏光子晶體光纖(5)相連，d端口與光纖光譜儀(6)相連；3dB耦合器(2)，保偏光纖(3)，偏振控制器(4)和保偏光子晶體光纖(5)依次相連構(gòu)成了光纖Sagnac環(huán)；保偏光子晶體光纖(5)內(nèi)部極短長度的空氣孔填充磁流體(7)，保偏光子晶體光纖(5)和磁流體(7)一起水平置于磁場發(fā)生器(8)中。

所述的保偏光纖(3)的長度為50cm~90cm。

所述的保偏光子晶體光纖(5)的長度為2cm~5cm，內(nèi)部空氣孔填充磁流體(7)的長度為0.2mm~1.5mm。

所述的磁流體(7)的密度為1.8g/cc，飽和磁化強(qiáng)度為220Gauss，納米磁性顆粒的平均直徑為10nm。

本實(shí)用新型的工作原理是：3dB耦合器(2)，保偏光纖(3)，偏振控制器(4)和保偏光子晶體光纖(5)依次相連構(gòu)成了光纖Sagnac環(huán)。來自寬帶光源(1)的入射光從3dB耦合器(2)的a端口進(jìn)入光纖Sagnac環(huán)，分為兩束分別沿順時(shí)針和逆時(shí)針方向在環(huán)內(nèi)傳輸?shù)钠窆猓缓笤?dB耦合器(2)中重新相遇隨之發(fā)生Sagnac干涉，光信號(hào)在3dB耦合器(2)的d端口被光纖光譜儀(6)接收。

該光纖Sagnac環(huán)的雙折射為保偏光纖(3)、保偏光子晶體光纖(5)的固有雙折射與磁流體(7)的附加雙折射之和，其透射光譜與入射光的偏振狀態(tài)無關(guān)，僅隨入射光波長λ的變化呈周期性分布，如下式所示：

（1）

其中，θ₁和θ₂分別為兩束光的偏振方向與保偏光纖快軸或者慢軸方向的夾角，φ_PMF=2πB_pL_p/λ為雙折射系數(shù)B_p的保偏光纖在長度L_p下的雙折射，φ_MF=2πB_mL_m/λ為雙折射系數(shù)B_m的磁流體在填充長度L_m下的雙折射。