[發明專利]一種具有微結構光纖的Sagnac磁場傳感器

在審

• 申請號: 201810843491.4
• 申請日: 2018-07-27
• 公開（公告）號: CN109085515A
• 公開（公告）日: 2018-12-25
• 發明（設計）人: 陳海良;馬明建;李曙光;井西利;李建設
• 申請（專利權）人: 燕山大學
• 主分類號: G01R33/032
• 分類號: G01R33/032
• 代理公司: 北京挺立專利事務所(普通合伙) 11265
• 代理人: 劉陽

本發明公開了一種具有微結構光纖的Sagnac磁場傳感器，包括：寬帶光源BBS、3dB耦合器、偏振控制器PC、微結構光纖PCF、電磁鐵及其電源和光譜儀OSA，寬帶光源BBS輸出激光到3dB耦合器，3dB耦合器將寬帶光源BBS輸出的激光等分成沿順時針方向和逆時針方向傳播的兩束線偏振光，偏振控制器PC使這兩束線偏振光的偏振方向旋轉90度，在微結構光纖PCF的兩側設置有由電源供電的電磁鐵，電磁鐵產生的磁場使磁流體中的磁性顆粒磁矩沿磁場方向取向，致使沿順時針和逆時針方向傳播的兩束光在3dB耦合器輸出端發生干涉，光譜儀OSA測量3dB耦合器輸出的干涉譜。本發明通過測量干涉譜的波谷波長獲得磁場的強度及方向。

技術領域

本發明涉及光纖傳感技術領域，尤其涉及到一種具有微結構光纖的Sagnac磁場傳感器，用于測量磁場強度和磁場方向。

背景技術

磁流體是將包裹在表面活性劑中的納米量級的磁性顆粒均勻分散在液體溶劑中的單疇膠體溶液。常用的磁性顆粒包括Fe₃O₄，Fe₂O₃，Ni，Co及其合金等。溶劑主要有水，煤油，庚烷等。磁流體的折射率主要依賴于磁性顆粒和溶劑，與磁性顆粒濃度成線性關系。當經過磁流體的磁場方向與入射光方向平行時，磁流體的折射率隨著磁場的增加而增加，滿足郎之萬方程。當磁場方向與入射光方向垂直時，對于入射光來說，磁流體表現為各向異性。相對于兩個正交偏振方向的入射光，磁流體具有了不同的折射率。

由于具有折射率可調、雙折射、二向色性、法拉第效應，場依賴傳輸等特性，磁流體得到了廣泛的重視和研究。現有技術中已有將磁流體覆蓋在錐形和錯位熔接的光纖上實現了磁場測量，在250-475Oe測量范圍內的靈敏度為26pm/Oe。現有技術中也已有將磁流體涂敷在溝槽狀光纖上實現了磁場調制器，使用多個溝槽時調制深度可達20％。Sagnac傳感器具有高靈敏度，在磁流體磁場傳感中也得到了應用。此外，已有將磁流體薄膜插入到Sagnac傳感器中實現了磁場測量，最高靈敏度達592.8pm/Oe。而由于磁流體較高的傳輸損耗，磁流體薄膜的厚度往往只有幾十微米。

微結構光纖在包層中存在周期性空氣孔分布，這些孔為功能材料填充提供了天然通道。陳海良等在微結構光纖氣孔中選擇填充磁流體，實現了基于模式耦合效應的磁場傳感器。祖鵬等在微結構光纖中完全填充高折射率磁流體，實現了帶隙傳導。在微結構光纖包層氣孔中填充磁流體，通過利用外場調節磁流體的折射率來調節光傳輸特性，避免了光在磁流體中傳輸。同時，相比于在光纖Sagnac傳感器中插入磁流體薄膜，將填充了磁流體的微結構光纖熔接進光纖Sagnac傳感器顯著提高了裝置穩健性。

發明內容

本發明要解決的技術問題是通過研究磁流體選擇填充的石英基微結構光纖在不同光纖長度下的纖芯模相位差及磁場測量靈敏度特性，設計出基于該微結構光纖的高靈敏度Sagnac磁場傳感器。

針對上述技術問題，本發明的目的在于提供一種具有微結構光纖的Sagnac磁場傳感器。本發明將磁流體填充到微結構光纖包層空氣孔中，可以通過利用磁場調節磁流體的折射率來實現對微結構光纖纖芯模式的折射率調控。再將該磁流體填充的微結構光纖熔接到Sagnac傳感器中，可以實現磁場強度及磁場方向的測量。

為了解決上述存在的技術問題，本發明所述方法的是通過以下技術方案實現的：

一種具有微結構光纖的Sagnac磁場傳感器，其特征在于，包括：寬帶光源BBS、3dB耦合器、偏振控制器PC、微結構光纖PCF、電磁鐵及其電源和光譜儀OSA，其中所述寬帶光源BBS輸出激光到所述3dB耦合器，所述3dB耦合器將寬帶光源BBS輸出的激光等分成沿順時針方向和逆時針方向傳播的兩束線偏振光，所述偏振控制器PC使這兩束線偏振光的偏振方向旋轉90度，在所述微結構光纖PCF的兩側設置有由電源供電的電磁鐵，所述電磁鐵產生的磁場使磁流體中的磁性顆粒磁矩沿磁場方向取向，致使沿順時針和逆時針方向傳播的兩束光在3dB耦合器輸出端發生干涉，所述光譜儀OSA測量3dB耦合器輸出的干涉譜。