一种高空间分辨率光学微球腔磁场传感系统技术方案

本发明专利技术提出了一种高空间分辨率光学微球腔磁场传感系统，本发明专利技术的信号发生器输出的两路信号中一路送入可调谐激光器的电压调谐端口，一路送入到示波器。可调谐激光器的发射端与隔离器的输入端连接，隔离器的输出端与衰减器的输入端连接，衰减器的输出端与光纤锥输入端之间的光纤上设置有偏振控制器。光纤锥输出的光场通过倏逝波耦合的方式进入微球腔内，腔内光场也可以经过光纤锥耦合输出至光电探测器的接收端，光电探测器输出的信号进入示波器，示波器输出的信号进入数据处理与显示系统。低折射率紫外固化胶将微球腔、光纤锥与磁致伸缩介质粘结在一起。本发明专利技术具备高空间分辨率、可探测低频磁场、低成本、低功耗、抗电磁干扰等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种高空间分辨率光学微球腔磁场传感系统
本专利技术涉及的是一种高空间分辨率光学微球腔磁场传感系统，具体涉及的是由磁致伸缩介质和光学微球腔构建的磁场传感系统，属于光学领域。
技术介绍
目前生物磁场测量的手段主要是在低温下工作的超导量子干涉器件，最新出现的光学手段的磁力仪仍受限于空间分辨率。我们提出了一种基于光学微球腔的新型磁场探测方案，可以获得百微米量级的空间分辨率，同时兼具低成本和低功耗的优点，未来可能直接应用于生物磁场测量或监控区域内异常磁场探测。此外，它还能集成至光纤系统中、不受电磁干扰、且可进行远程探测。目前的生物磁场探测设备造价高昂，低温的工作条件使其体积庞大，在进行探测时无法适应不同的患者的需求，例如幼儿患者的脑磁探测，可能需要探测设备与人脑之间的距离可以调整，以便保证探测精度，又比如有些不适合移动的ICU患者，可能需要移动探测设备，做成头盔式可移动的设备会更实用。但是现有的超导量子干涉器件仍无法满足这些需求。我们设计了一种光学微球腔磁场传感阵列系统，具有百微米量级的空间分辨率，通过系统优化获得所需的探测灵敏度之后，可以满足这些实际探测需求。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的不足，提出了一种高空间分辨率光学微球腔磁场传感系统，可用于要求高空间分辨率和低频磁场探测能力的磁场探测领域。一种高空间分辨率光学微球腔磁场传感系统，包括信号发生器、可调谐激光器、隔离器、衰减器、偏振控制器、光纤锥、磁致伸缩介质、微球腔、低折射率紫外固化胶、光电探测器、示波器、数据处理与显示系统；所述的信号发生器输出的两路信号一路送入可调谐激光器的电压调谐端口，一路送入到示波器；可调谐激光器的光出射端与隔离器的输入端连接，隔离器的输出端与衰减器的输入端连接，衰减器的输出端与一个或多个光纤锥输入端之间的光纤上设置有偏振控制器；其中接多个光纤锥时，偏振控制器与多个光纤锥之间设有分光器件；每个光纤锥输出的光场通过倏逝波耦合的方式进入微球腔内，腔内光场经过每个光纤锥耦合输出至对应光电探测器的接收端，光电探测器输出的信号进入示波器，示波器输出的信号进入数据处理与显示系统。传感系统中可调谐激光器、隔离器、衰减器、偏振控制器、光纤锥、光电探测器之间的连接均采用光纤连接；光电探测器与示波器之间使用两端口通用的电学线缆连接；其中微球腔通过低折射率紫外固化胶固定在磁致伸缩介质上，所述的微球腔与磁致伸缩介质及光纤锥的位置是固定的，低折射率紫外固化胶的折射率值要保证光场在微球腔内传输；所述的光纤锥的锥区部分的截面直径为0.5-0.75的输入光波长；所述的微球腔与光纤锥始终处于耦合状态。作为优选，所述的可调谐激光器的调谐范围要覆盖实验所需的探测范围，波段选用通讯波段，且与探测器的接收波段相匹配。作为优选，所述的微球腔直径为80-500微米。作为优选，所述的微球腔的材料为二氧化硅。作为优选，所述的微球腔替换为柱状微腔或瓶状微腔，保证腔的空间的最大直径为80-500微米，且光源输出的光场在其内低损耗的传输，同时在腔外表面存在倏逝波。作为优选，所述的磁致伸缩介质为Terfenol-D或其它的在磁场作用下能够伸缩的介质。作为优选，所述的磁致伸缩介质的形状为平板、圆筒或头盔状。作为优选，所述的光纤要保证所选波段内光信号的低损耗传输和易探测。作为优选，所述的偏振控制器的偏振状态要保证光学模式的光学品质因数最高。作为优选，所述的衰减器要保证到达探测器的光功率在探测器的可接收的功率范围内。本专利技术中的传感系统在进行磁场传感时具有很高的空间分辨率，且具备低频磁场探测能力。同时，该系统主要由光纤构建，体积小，易集成，可进行磁场信息的远程探测。附图说明图1为专利技术的高空间分辨率光学微球腔磁场传感系统的结构示意图；图2是基于图1拓展而成的高空间分辨率光学微球腔磁场传感阵列的示意图。具体实施方式下面通过具体实施方式进一步阐明本专利技术的实质性特点和显著进步，但本专利技术的内容不仅仅局限于下面的实施方式：具体实施方式一：如图1所示，本实施方式所述的高空间分辨率光学微球腔磁场传感系统包括信号发生器1、可调谐激光器2、隔离器3、衰减器4、偏振控制器5、光纤锥6、磁致伸缩介质7、微球腔8、低折射率紫外固化胶9、光电探测器10、示波器11、数据处理与显示系统12。其中，信号发生器1输出的两路信号一路送入可调谐激光器2的电压调谐端口，一路送入到示波器11。可调谐激光器2的光出射端与隔离器3的输入端连接，隔离器3的输出端与衰减器4的输入端连接，衰减器4的输出端与光纤锥6输入端之间的光纤上设置有偏振控制器5。光纤锥6输出的光场通过倏逝波耦合的方式进入微球腔8内，腔内光场也可以经过光纤锥6耦合输出至光电探测器10的接收端，光电探测器10输出的信号进入示波器11，示波器11输出的信号进入数据处理与显示系统12。传感系统中可调谐激光器2、隔离器3、衰减器4、偏振控制器5、光纤锥6、光电探测器10之间的连接均采用光纤连接；光电探测器10与示波器11之间使用两端口通用的电学线缆连接。数据处理系统12将处理示波器11上探测到的磁场信号，并将其值显示在屏幕上。外界磁场的变化将导致磁致伸缩介质7发生形变，进而导致微球腔8的腔长发生变化，因而示波器11上测量的腔的透射谱中将包含磁场信息，通过数据处理可以解调磁场的强度和频率信息。具体实施方式二：结合图2说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一所述的高空间分辨率光学微球腔磁场传感系统的补充，所述的传感系统除了可以进行单点的磁场探测外，也可以拓展为多点磁场探测的传感阵列。通过在磁致伸缩介质上粘结多个微球腔与光纤锥耦合系统，可以获得磁场传感阵列，进行多点的磁场探测。实际操作过程中需要在偏振控制器后加入可以分光的器件13，如光纤耦合器。同时，在多个传感单元的光纤锥输出端也相应的增加对应数目的光电探测器14、15进行接收。图2中的分光器件13可以不只是一个光纤耦合器，可以是多个耦合器构成的分光系统，根据需要分成所需的多路光。图2中的磁场探测阵列可以不仅限于三个微球，可以构建所需的磁场探测单元，微球的位置根据需要选取即可。如有必要，可以在光纤耦合器输出的光在送入光纤锥之前可以再加入偏振控制器。此外，所述的用于数据采集的示波器11也可以利用多通道的数据采集卡替代。具体实施方式三：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一和二所述的高空间分辨率光学微球腔磁场传感系统的进一步限定。先将微球腔8放置在磁致伸缩介质7上，并利用光纤锥6将光场耦合进入微球腔8中，在三者接触的区域滴入低折射率紫外固化胶9，继续调整光纤锥6的位置至最佳的耦合状态，利用紫外灯照射使胶水固化，进而固定微球腔和光纤锥在磁致伸缩介质上的位置。在紫外灯照射前，可以根据需求调节光纤锥与微球腔的耦合状态。微球腔8可以替换为柱状微腔、瓶状微腔或其它形状的微腔，只要保证尺寸接近，且光源输出的光场在其内可以低损耗的传输，同时在腔外表面存在倏逝波。磁致伸缩介质7的形状可以是平板、圆筒、或头盔状等，根据具体的应用场景和实际传感阵列的排布需求来进行设计，只要保证能在磁场作用下发生形变，并导致谐振腔的腔长发生变化即可。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高空间分辨率光学微球腔磁场传感系统，其特征在于：包括信号发生器(1)、可调谐激光器(2)、隔离器(3)、衰减器(4)、偏振控制器(5)、光纤锥(6)、磁致伸缩介质(7)、微球腔(8)、低折射率紫外固化胶(9)、光电探测器(10)、示波器(11)、数据处理与显示系统(12)；所述的信号发生器(1)输出的两路信号一路送入可调谐激光器(2)的电压调谐端口，一路送入到示波器(11)；可调谐激光器(2)的光出射端与隔离器(3)的输入端连接，隔离器(3)的输出端与衰减器(4)的输入端连接，衰减器(4)的输出端与一个或多个光纤锥(6)输入端之间的光纤上设置有偏振控制器(5)；其中接多个光纤锥(6)时，偏振控制器(5)与多个光纤锥(6)之间设有分光器件；每个光纤锥(6)输出的光场通过倏逝波耦合的方式进入微球腔(8)内，腔内光场经过每个光纤锥(6)耦合输出至对应光电探测器(10)的接收端，光电探测器(10)输出的信号进入示波器(11)，示波器(11)输出的信号进入数据处理与显示系统(12)；传感系统中可调谐激光器(2)、隔离器(3)、衰减器(4)、偏振控制器(5)、光纤锥(6)、光电探测器(10)之间的连接均采用光纤连接；光电探测器(10)与示波器(11)之间使用两端口通用的电学线缆连接；其中微球腔(8)通过低折射率紫外固化胶(9)固定在磁致伸缩介质(7)上，所述的微球腔与磁致伸缩介质及光纤锥的位置是固定的，低折射率紫外固化胶的折射率值要保证光场在微球腔内传输；所述的光纤锥的锥区部分的截面直径为0.5‑0.75的输入光波长；所述的微球腔与光纤锥始终处于耦合状态。...

【技术特征摘要】
1.一种高空间分辨率光学微球腔磁场传感系统，其特征在于：包括信号发生器(1)、可调谐激光器(2)、隔离器(3)、衰减器(4)、偏振控制器(5)、光纤锥(6)、磁致伸缩介质(7)、微球腔(8)、低折射率紫外固化胶(9)、光电探测器(10)、示波器(11)、数据处理与显示系统(12)；所述的信号发生器(1)输出的两路信号一路送入可调谐激光器(2)的电压调谐端口，一路送入到示波器(11)；可调谐激光器(2)的光出射端与隔离器(3)的输入端连接，隔离器(3)的输出端与衰减器(4)的输入端连接，衰减器(4)的输出端与一个或多个光纤锥(6)输入端之间的光纤上设置有偏振控制器(5)；其中接多个光纤锥(6)时，偏振控制器(5)与多个光纤锥(6)之间设有分光器件；每个光纤锥(6)输出的光场通过倏逝波耦合的方式进入微球腔(8)内，腔内光场经过每个光纤锥(6)耦合输出至对应光电探测器(10)的接收端，光电探测器(10)输出的信号进入示波器(11)，示波器(11)输出的信号进入数据处理与显示系统(12)；传感系统中可调谐激光器(2)、隔离器(3)、衰减器(4)、偏振控制器(5)、光纤锥(6)、光电探测器(10)之间的连接均采用光纤连接；光电探测器(10)与示波器(11)之间使用两端口通用的电学线缆连接；其中微球腔(8)通过低折射率紫外固化胶(9)固定在磁致伸缩介质(7)上，所述的微球腔与磁致伸缩介质及光纤锥的位置是固定的，低折射率紫外固化胶的折射率值要保证光场在微球腔内传输；所述的光纤锥的锥区部分的截面直径为0.5-0...

【专利技术属性】
技术研发人员：于长秋，周铁军，钱正洪，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33