[發(fā)明專利]基于法拉第旋光效應(yīng)的光纖矢量弱磁場傳感器

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011456795.9
• 申請日: 2020-12-10
• 公開（公告）號: CN112611989A
• 公開（公告）日: 2021-04-06
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 于洋;覃尚鵬;楊俊波;張振榮;孟洲
• 申請（專利權(quán)）人: 中國人民解放軍國防科技大學
• 主分類號: G01R33/032
• 分類號: G01R33/032
• 代理公司: 北京東方盛凡知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11562
• 代理人: 王穎

本發(fā)明公開基于法拉第旋光效應(yīng)的光纖矢量弱磁場傳感器，包括：輸入部、分束區(qū)域、傳感區(qū)域；輸入部包括兩個輸入光纖、兩個輸入光纖空間光準直器；兩個輸入光纖分別與兩個輸入光纖空間光準直器對應(yīng)連接；分束區(qū)域包括兩個偏振立方晶體分束器、吸光片；兩個偏振立方晶體分束器分別與兩個輸入光纖空間光準直器對應(yīng)連接；吸光片貼合于偏振立方晶體分束器的出射光面；傳感區(qū)域包括分別為設(shè)于Y軸、Z軸、X軸方向上的三個傳感部，三個傳感部，分別與偏振立方晶體分束器連接。本發(fā)明能夠有效改善磁場三維機械校準誤差，進而解決了矢量磁場傳感器的三維非正交問題，結(jié)構(gòu)緊湊，同時實現(xiàn)了高靈敏度磁場傳感功能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光纖磁場傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及基于法拉第旋光效應(yīng)的光纖矢量弱磁場傳感器。

背景技術(shù)

磁場傳感器在地球物理勘測、導航、軍事裝備應(yīng)用、生物醫(yī)學傳感、航空航天領(lǐng)域都具有重要的應(yīng)用價值。隨著人機交換、生物成像、無人監(jiān)測、工業(yè)智能制造等應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展，對磁場傳感器提出了高靈敏度、高集成度、高監(jiān)測精度、可穿戴、低成本、小型化、三維矢量傳感等新的應(yīng)用需求。而現(xiàn)有的商用磁場傳感器，大多是基于霍爾效應(yīng)、磁通門、巨磁阻式、超導量子干涉等的電學式傳感器，該類型磁場傳感器或多或少存在結(jié)構(gòu)復雜、測試動態(tài)范圍有限、需溫控保護、易受電磁干擾等問題，難以滿足特殊環(huán)境(如水下，人體穿戴等)的弱磁探測應(yīng)用需求。

各類型光纖傳感器具有制作簡單、成本低、靈敏度高、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊輕便、便于集成復用、可實現(xiàn)多參量原位傳感等優(yōu)點，這也為新型磁場監(jiān)測系統(tǒng)研制提供了可選擇的技術(shù)方案，并已涌現(xiàn)了大量研究成果。目前，光纖磁場傳感器主要有法拉第效應(yīng)型、磁致伸縮效應(yīng)集成型和折射率調(diào)控磁流體集成型等。其中，折射率調(diào)控磁流體集成型光纖磁場傳感器主要是利用磁流體的磁致折射率調(diào)控效應(yīng)實現(xiàn)光場調(diào)控，從而實現(xiàn)磁場傳感。但現(xiàn)有磁流體集成型光纖磁場傳感器大多存在靈敏度較低、易受環(huán)境溫度變化影響、探頭結(jié)構(gòu)化設(shè)計不緊湊等問題，這限制了其探測能力和可穿戴性能，因此難以滿足醫(yī)學成像、磁異常探測等弱磁應(yīng)用環(huán)境的測試需求。磁致伸縮效應(yīng)集成型光纖磁場傳感器主要是利用磁致伸縮材料的磁致應(yīng)變調(diào)控效應(yīng)光場調(diào)控，進而實現(xiàn)磁場傳感功能。該類型磁場傳感器靈敏度受限于磁致伸縮材料的弱磁響應(yīng)特性，目前只能達到pt量級的弱磁測試能力。此外，磁致伸縮效應(yīng)集成型光纖磁場傳感器在測量某一方向磁場時會受到與其垂直方向的磁場串擾，進而引起交叉響應(yīng)，造成一維方向上的磁場測量誤差，進而限制該類型傳感器的靈敏度和磁場測量動態(tài)范圍。因此，要實現(xiàn)高靈敏度三維矢量傳感，該類型磁場傳感器還需要解決傳感器結(jié)構(gòu)不夠緊湊、三維校準精度不高、磁場測試正交串擾、需外加溫控反饋控制等問題。

值得注意的是，以自旋轉(zhuǎn)換無弛豫原子磁力儀、光泵浦磁力儀等為代表的全光式磁場傳感器，能夠在室溫下實現(xiàn)高靈敏度磁場傳感，而全光磁探儀的探測極限主要由散粒噪聲決定，因此能夠?qū)崿F(xiàn)fT級的高靈敏度弱磁探測響應(yīng)能力。但自旋轉(zhuǎn)換無弛豫原子磁力儀目前還存在時間分辨率低、結(jié)構(gòu)復雜等問題，而光泵浦磁力儀則還需進一步壓縮體積以滿足便攜式醫(yī)學傳感應(yīng)用需求。而基于法拉第旋光效應(yīng)的磁場傳感器同樣為全光式磁探儀，其主要是利用具有磁致旋光效應(yīng)的磁光材料調(diào)控光場(即光場通過磁光材料時，線偏振光的偏振方向會發(fā)生偏轉(zhuǎn))。當前，通過將磁光材料摻雜到光纖纖芯或制作成膜片集成到光纖端面上，可以制作出各種基于法拉第旋光效應(yīng)的光纖磁場傳感器。該類型磁場傳感的靈敏度主要由磁光材料的Verdet系數(shù)(旋光系數(shù))決定。

目前，磁光(MO)材料已被廣泛應(yīng)用于光隔離器、磁場傳感器和通信系統(tǒng)等。隨著材料科學和納米加工工藝的進步，一些低噪聲、高Verdet系數(shù)的磁光材料被研制出來，因此可實現(xiàn)非常高的法拉第旋光系數(shù)，并被用于磁場傳感器增敏。例如：磁性納米顆粒(NP)復合材料在不同的基質(zhì)(如有機基質(zhì))中可表現(xiàn)出高靈敏度磁光響應(yīng)特性。而在這些納米粒子中摻雜稀土元素，比如鑭離子，可以進一步增加它們的Verdet系數(shù)。利用這些特種磁光材料開發(fā)成光纖磁場傳感器，可以實現(xiàn)fT量級的高靈敏度磁場傳感。鑒于此，將具有高Verdet系數(shù)的特種材料應(yīng)用于光纖磁場傳感器是一種可行的方案。