[發明專利]一種NSiV雙色心的磁場與溫度雙參量測試方法及裝置

在審

• 申請號: 202310401477.X
• 申請日: 2023-04-15
• 公開（公告）號: CN116500519A
• 公開（公告）日: 2023-07-28
• 發明（設計）人: 沈濤;袁悅
• 申請（專利權）人: 哈爾濱理工大學
• 主分類號: G01R33/032
• 分類號: G01R33/032;G01K11/32
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種NSiV雙色心的磁場與溫度雙參量測試方法及裝置，其特征在于：它包括光纖激光器(1)、磁場及溫度測試裝置(2)、光電轉換模塊(3)、ADC模塊(4)；微處理器(5)、計算機(6)；所述方法的具體實現過程為：

所述光纖激光器(1)中心波長為532nm，強度為20mw用于產生光信號；

所述磁場及溫度測試裝置(2)包括旋轉磁力座(2-1)、N級磁鐵(2-2)、S級磁鐵(2-3)、磁力座供電裝置(2-4)、傳感單元(2-5)，溫控平臺(2-6)其中：

旋轉磁力座(2-1)兩端分別放置N級磁鐵(2-2)與S級磁鐵(2-3)，通過磁力座供電裝置(2-4)可調節N級磁鐵(2-2)與S級磁鐵(2-3)的磁力，另外傳感單元(2-5)以及溫控平臺(2-6)放置在磁場測試裝置平臺上；

傳感單元(2-5)為大芯多模光纖(2-5-1)與MNF(2-5-2)與大芯多模光纖(2-5-4)熔接構成馬赫曾德結構，另外將金剛石NSiV雙色心納米材料(2-5-3)涂覆在MNF(2-5-2)的腰錐中心，最后將基于SPR的單模光纖(2-5-5)與馬赫曾德結構級聯；

傳感單元(2-5)的具體制備過程包括馬赫曾德結構以及基于SPR的單模光纖(2-5-5)的制作、金剛石NSiV雙色心納米材料(2-5-3)以及PDMS(2-5-5-1)的制作與涂覆，其中：

所述大芯多模光纖(2-5-1)長度為10cm，纖芯直徑為105μm，MNF(2-5-2)為多模光纖拉錐，纖芯直徑為35μm，長度為3cm，過渡區(2-5-2-1)長度為1.1cm，腰錐(2-5-2-2)長度為0.9cm，腰錐直徑為20μm，所述基于SPR的單模光纖(2-5-5)的纖芯直徑為8.2μm，剩余包層直徑110μm，銀膜厚度40nm，長度為10mm，首先，利用氫氧焰拉錐機在單模光纖中心部分進行拉錐，拉錐至長度為9mm，其次，MNF(2-5-2)一端與大芯多模光纖(2-5-1)利用熔接機進行熔接直至損耗為0，最后，利用熔接機將MNF(2-5-2)另一端與大芯多模光纖(2-5-4)進行熔接直至損耗為0構成馬赫曾德結構，將單模光纖表面涂覆層去掉后將濃度為35％的HF滴涂在去掉涂覆層的部位直至包層(2-5-5-3)腐蝕到15μm后采用磁控濺射法將Ag(2-5-5-2)鍍在被腐蝕的部位直至光纖結構鍍膜均勻；

所述金剛石NSiV雙色心納米材料(2-5-3)的制作，首先選取石英玻璃片作為基底，使用MPCVD在N₂環境下沉積3nm的金剛石，參數設置為：甲烷通量為2.5sccm，H₂通量為232.4sccm，N₂通量為1sccm，溫度為900℃，功率為1200w，壓強為4030pa，沉積50min，其次，沉積Si，參數設置為：功率為50w，壓強為1pa，真空度為9E-4，沉積時間為70s，最后，進行退火生成雙空位，關閉甲烷和氮氣，參數設置為：H₂通量提升至155sccm，溫度設置為700℃，靜置1.5小時后待降到室溫取出金剛石NSiV雙色心納米材料(2-5-3)，取定量金剛石NSiV雙色心納米材料(2-5-3)粉末溶于30ml無水乙醇中，超聲處理2小時使其均勻分散成為金剛石NSiV雙色心納米材料(2-5-3)懸濁液；

所述金剛石NSiV雙色心納米材料(2-5-3)涂覆在MNF(2-5-2)的腰錐中心采用滴涂法，首先，采用移液槍吸取所制金剛石NSiV雙色心納米材料(2-5-3)懸濁液，滴涂在MNF(2-5-2)的腰錐中心，干燥箱80℃干燥2h，待干燥箱降至室溫后金剛石NSiV雙色心納米材料(2-5-3)均勻涂覆在MNF(2-5-2)的腰錐中心，PDMS的涂覆也采用滴涂法，同樣采用移液槍吸取PDMS(2-5-5-1)滴涂在銀膜外，干燥箱80℃，干燥2小時；

所述的一種NSiV雙色心的磁場與溫度雙參量測試方法及裝置，其特征還在于:

步驟一、對686.25nm-688.75nm范圍內對傳感波谷進行定位擬合處理:

686.25nm-688.75nm波段光纖光譜近似用高斯函數進行表示，高斯函數是公知類公式，但通過擬合與定位可以確定波谷位置，即

對686.25nm-688.75nm范圍內波谷進行定位擬合，對高斯光譜兩端取對數

令lnI(λ)＝y₁、

可得到二項式擬合公式：

y₁＝a₁λ²+b₁λ²+c₁λ???????(3)

將686.25nm-688.75nm范圍內各點處波長帶入即可得到對中心波谷進行定位；

步驟二、對688.75nm-691.25nm范圍內對傳感波峰進行定位擬合處理:

688.75nm-691.25nm波段光纖光譜近似用高斯函數進行表示，高斯函數是公知類公式，但通過擬合與定位可以確定波谷位置，即

對686.25nm-688.75nm范圍內波峰進行定位擬合，對高斯光譜兩端取對數

令lnI(λ)＝y₂、

可得到二項式擬合公式：

y₂＝a₂λ²+b₂λ²+c₂λ?????????(7)

將688.75nm-691.25nm范圍內各點處波長帶入即可得到對中心波峰進行定位；

式中I(λ)表示不同波長所對應的光強，λ_dip1表示686.25nm-688.75nm波段內波谷所對應的波長值，λ_peak2表示688.75nm-691.25nm波段內波峰所對應的波長值，Δλ表示波長變化量，A表示常數，將采集到的波長數據帶入到公式(4)與(8)中可得到兩個波段波谷及波峰所對應的中心波長值，公式(3)與(7)為二次多項式擬合形式，因此采取最小二乘法對數據進行擬合；

步驟三、同時改變磁場與溫度，對不同磁場與溫度所對應的波長進行掃描，當磁場強度增大時，686.25nm-688.75nm波段傳感波谷向短波長方向漂移，溫度增大時，688.75nm-691.25nm波段傳感波峰向高強度方向漂移，微處理器對變化的波長進行采集；

步驟四、對采集到的漂移波長組進行取點，I_dip1與λ_peak2表示波谷處所對應的光譜強度值，686.25nm-688.75nm波段以I_dip1±0.1n(n＝0、1、2)為中心水平取5個交點進行標記，688.75nm-691.25nm波段以λ_peak2±0.125n(0、1、2)為中心取點，共取5組，記為L₁、L₂、L₃、L₄、L₅，由于各點處波長擬合存在誤差，同時光譜各處會產生形變，因此采取平均波長及強度漂移定義傳感器對磁場和溫度變化的響應

步驟五、定義平均波長與強度漂移及解調矩陣如下：

式中λ₁、λ₂、λ₃、λ₄、λ₅分別為磁場變化所對應的686.25nm-688.75nm波段波谷所在的L₁、L₂、L₃、L₄、L₅這5組處的波長，I₁、I₂、I₃、I₄、I₅分別為688.75nm-691.25nm波段波峰所在的L₁、L₂、L₃、L₄、L₅這5組處的強度值，代表五組的平均波長漂移量，代表五組平均強度漂移量，表示磁場變化量，ΔT表示溫度變化量，S(H,dip₁)磁場變化引起的處的靈敏度，S(T,dip₁)表示溫度變化時dip₁處的靈敏度。