[實用新型]利用雙光子飛秒激光直寫技術3D打印的F-P磁場傳感器

有效

• 申請號: 202020651005.1
• 申請日: 2020-04-26
• 公開（公告）號: CN212514973U
• 公開（公告）日: 2021-02-09
• 發明（設計）人: 張登偉;梁璀;魏鶴鳴
• 申請（專利權）人: 浙江大學;上海大學
• 主分類號: G01R33/032
• 分類號: G01R33/032;G01D5/353;G01R33/00;B29C64/135;B33Y10/00;B33Y80/00
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 鄭海峰

本實用新型公開了一種利用雙光子飛秒激光直寫技術3D打印的F?P磁場傳感器，其特征在于包含單模光纖、毛細管和F?P腔微結構；所述F?P腔微結構與所述單模光纖的一端由3D打印直接打印連接，F?P腔微結構的外圍套設有毛細管，毛細管的兩端密封形成密封腔體，密封腔體內充滿磁流體；所述單模光纖的另一端通過光纖耦合器分別連接寬譜光源和光譜分析儀；其原理與傳統的內部填充磁流體的光纖磁場傳感器不同，通過在波導周圍填充磁流體所產生的倏逝耦合效應，突破了磁流體高吸收性對傳感器磁場靈敏度的限制，具有較高的磁場靈敏度；打印制備的F?P磁場傳感器僅為微米尺寸，封裝后的傳感頭在毫米量級，具有小型化的優點。

技術領域

本實用新型涉及光學傳感技術領域，具體涉及一種利用雙光子飛秒激光直寫技術3D打印的F-P磁場傳感器。

背景技術

科學研究與工業應用的重大需求，促使磁場測量技術飛速發展。當前已經提出了用于檢測磁場的各種類型的基于光學和電學的磁場傳感器，其中基于磁流體(Magneticfluid，MF)的光纖磁場傳感器是一種有潛力的磁場傳感器，這種傳感器使用磁流體作為敏感物質，磁流體由包裹表面活性劑(油酸)的磁性納米顆粒(如Fe₃O₄，CoFe₂O₄或MnFe₂O₄等)懸浮分散在某些溶劑中混合而成。磁流體具有折射率可調、倏逝場傳輸依賴性、法拉第效應和雙折射效應等磁光特性，可利用光學方法實現對外界磁場的精密檢測。

MF用于磁場感應的基本原理是MF的折射率隨周圍磁場的增加而增加。基于這一原理，已經提出并設計了各種內部填充有MF的基于光纖的磁場傳感器，包括基于Fabry-Perot干涉儀(FPI)和Mach-Zehnder干涉儀(MZI)的腔內傳感方案。但是由于MF的高吸收性，傳感長度和MF濃度之間存在矛盾，即傳感長度隨MF濃度的增加而縮短，因此限制了傳感器靈敏度的提高。

MF的存在可以改變導模或倏逝場的特性，從而導致光程差的改變，這一原理可以應用于多種傳感結構中，如Mach-Zehnder、Sagnac干涉儀、多模干涉儀、長周期光纖光柵等。基于單模光纖(SMF)中多模干涉的磁場傳感器難以實現高靈敏度，增加干涉長度可以提高對磁場的靈敏度，但是磁傳感器的尺寸會增加，而在實際應用中，小型化是高靈敏度磁場傳感器和設備開發中的關鍵問題，要求既要保證磁場傳感器的靈敏度，又要兼備傳感器的小型化特點。雖然現有技術中存在一些帶有可填充MF氣孔的小型化光子晶體光纖傳感器，但這些結構在制備工藝上存在難點，穩定性較差，且在測量過程中的光信號直接通過填充有MF的空腔傳輸，光信號損耗較高。若要使得磁場傳感器兼備高靈敏度、高穩定性、小型化、低損耗的優點，則需要同時考慮制作工藝和傳感器結構的設計，具有較大的挑戰性。

發明內容

為了解決現有技術中的磁場傳感器靈敏度、穩定性較低，以及光信號損耗較大的缺陷，本實用新型提出了一種利用雙光子飛秒激光直寫技術3D打印的F-P磁場傳感器，采用雙光子激光直寫技術3D打印制造的器件具有高分辨率和快速寫入速度的優勢，能夠解決小型化磁場傳感器由于制作工藝導致的穩定性差的問題。本實用新型設計了一種新的F-P腔微結構且被磁流體包覆，使得光信號在傳輸過程中沿著F-P腔微結構中的波導傳輸，避免了光信號直接通過填充有磁流體的空腔傳輸導致的光信號損耗較高的問題，本實用新型制作的F-P磁場傳感器具備了較高的靈敏度。

為了實現上述目的，本實用新型采用如下技術方案：

一種利用雙光子飛秒激光直寫技術3D打印的F-P磁場傳感器，其特征在于包含單模光纖、毛細管和F-P腔微結構；所述F-P腔微結構與所述單模光纖的一端由3D打印直接打印連接，F-P腔微結構的外圍套設有毛細管，毛細管的兩端密封形成密封腔體，密封腔體內充滿磁流體；所述單模光纖的另一端通過光纖耦合器分別連接寬譜光源和光譜分析儀；