一种磁流体包覆的全光纤矢量磁场传感器及其制备方法技术

一种磁流体包覆的全光纤矢量磁场传感器及其制备方法，光纤干涉仪由导入和导出单模光纤以及两者之间锥形两模光纤构成，为了增强两模光纤中LP01和LP11模式的干涉强度，利用飞秒激光聚焦在锥形两模光纤腰径处的包层形成折射率调制区。由于传感器相对于光纤轴的位置不对称性，折射率调制区同时提供了明显的方向性依赖。对于纳米磁性材料，利用了磁场对其折射率的可调谐性。通过磁性材料和不对称锥形两模光纤之间倏逝场的耦合作用，实现磁场对LP01和LP11模式的有效折射率的调制作用，从而使光纤干涉仪输出的光谱信号受磁场矢量调制，构成光纤矢量磁场传感器。本发明专利技术为全光纤磁场传感器，传输损耗低，稳定性较高，可实现高灵敏度磁场矢量传感测量。

A magnetohydrodynamic-coated all-fiber vector magnetic field sensor and its preparation method

An all-fiber vector magnetic field sensor encapsulated by magnetic fluid and its preparation method are presented. The fiber interferometer consists of a single-mode fiber and a tapered two-mode fiber. In order to enhance the interference intensity of LP01 and LP11 modes in the two-mode fiber, a refractive index modulation region is formed by focusing the femtosecond laser on the cladding at the waist diameter of the tapered two-mode fiber. Because of the position asymmetry of the sensor relative to the optical fiber axis, the refractive index modulation region also provides a significant directional dependence. For nano-magnetic materials, the tunability of magnetic field to their refractive index is utilized. By coupling the evanescent field between magnetic materials and asymmetric tapered two-mode optical fibers, the modulation effect of magnetic field on the effective refractive index of LP01 and LP11 modes is realized, so that the spectrum signal output by the optical fiber interferometer is modulated by the magnetic field vector, thus constituting the optical fiber vector magnetic field sensor. The invention is an all-optical fiber magnetic field sensor, which has low transmission loss and high stability, and can realize high sensitivity magnetic field vector sensing measurement.

【技术实现步骤摘要】
一种磁流体包覆的全光纤矢量磁场传感器及其制备方法
本专利技术涉及光纤磁场传感器
，具体涉及一种磁流体包覆的全光纤矢量磁场传感器及其制备方法。
技术介绍
磁场是一种看不见、摸不到的特殊物质，广泛存在于大自然中。在现代科学技术和人类生活中，磁场的测量具有重要意义，特别是在电力电网、导航定位、生物医学、航海航天、地质探矿、地球物理、军事工程等领域。磁场传感器是获取磁场信息的核心器件。既可直接测量磁场，也可间接测量可转化为磁场的其他物理量，例如电流、位移、折射率等。传统的电类磁场测量系统通常使用有源金属探头，主要缺点：结构复杂、体积相对较大、易受电磁信号的干扰、无法适用于高温高压等恶劣环境。因此传统电类磁场传感器不能满足磁场探测中的精确度以及泛用的需求。针对电类传感器的缺点所在，光纤磁场传感器其突出的优势，在磁场检测方面给出了较好的解决方案。随着光纤传感技术的迅速发展，光纤磁场传感器以光纤为媒介，利用磁敏材料磁光特性调制光信号的强度、相位、波长等特征参量实现磁场的高精度传感。磁流体是一种新型的磁敏功能材料，将其与光纤传感技术相结合，实现了磁场强度的高灵敏度测量。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种磁流体包覆的全光纤矢量磁场传感器及其制备方法，结合飞秒激光微加工技术，采用拉锥两模光纤与磁流体涂覆方法，构成高灵敏的矢量磁场强度传感器。此结构既具有常规光纤磁场传感器易复用、稳定性高、耐腐蚀等特性，又具有干涉结构高灵敏度的优势。同时利用传感器相对于光纤轴的位置不对称性，折射率调制区提供的明显的方向性依赖，实现了对磁场方向的测量。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种磁流体包覆的全光纤矢量磁场传感器，包括玻璃毛细管，玻璃毛细管套入光纤干涉仪，光纤干涉仪中段为锥状型区，锥状型区中线对应玻璃毛细管中线，玻璃毛细管内填充纳米磁流体材料，玻璃毛细管两端由光学紫外胶密封。所述的光纤干涉仪两模光纤两端分别与输入单模光纤、输出单模光纤无偏芯熔接，并通过火焰拉锥。所述的纳米磁流体材料为水基磁流体。所述的光学紫外胶为UV-6183。一种磁流体包覆的全光纤矢量磁场传感器制作方法，包括以下步骤：1）制作光纤干涉仪：使用FSP-80s熔接机将两模光纤两端分别与输入单模光纤、输出单模光纤无偏芯熔接，并通过火焰拉锥对两模光纤段进行拉锥形成锥区长度为16mm、腰径为14μm的微纳光纤；将光纤临时固定在载玻片上移到飞秒微加工平台，将激光聚焦在锥形两模光纤腰径处的包层处刻出长度为100μm的折射率调制区，至此，光纤干涉仪制作完成；3）纳米磁流体材料包覆：将两端拉紧的光纤干涉仪外部套入一个长度为80mm，内径为500μm的玻璃毛细管；利用毛细现象，将纳米磁流体材料填充到玻璃毛细管之中；最后，采用光学紫外胶将玻璃毛细管两端密封，防止纳米磁流体材料溢出或者蒸发；至此，光纤矢量磁场传感器制作完成。本专利技术的有益效果是：本专利技术基于磁流体和锥形两模光纤的紧凑型光纤矢量磁场传感器灵敏度较高，波长灵敏度可达到719.8pm/mT,强度灵敏度可达到1.1dB/mT。利用飞秒激光刻成的相对光纤轴的位置不对称性结构，体现了明显的方向性依赖，实现了光纤磁场传感器对磁场大小和方向的同时测量。附图说明图1为本专利技术的结构示意图。图2为本专利技术的原理图。图3为实验设备图。图4为传感器对磁场大小的响应图。图5为传感器对磁场方向的响应图。其中，1为光纤干涉仪；2为锥状型区；3为玻璃毛细管；4为纳米磁流体材料；5为光学紫外胶。具体实施方式以下结合附图及实施例对本专利技术进一步叙述。如图1所示，一种磁流体包覆的全光纤矢量磁场传感器，包括玻璃毛细管3，玻璃毛细管3套入光纤干涉仪1，光纤干涉仪1中段为锥状型区2，锥状型区2中线对应玻璃毛细管3中线，玻璃毛细管3内填充纳米磁流体材料4，玻璃毛细管3两端由光学紫外胶5密封。所述的光纤干涉仪1两模光纤两端分别与输入单模光纤、输出单模光纤无偏芯熔接，并通过火焰拉锥。所述的纳米磁流体材料（4）为水基磁流体，常温下的粒子密度为1.18g/cm3，饱和磁场强度为200Oe。所述的光学紫外胶（5）为能够迅速固化的无色液体，正常使用温度为-40℃--100℃。传感机理：光由普通单模光纤输入两模光纤时只能激发出LP01模，但两模光纤拉锥到十几um直径时，LP11模被少量激发，为了进一步增强激发，将飞秒激光聚焦在锥形两模光纤腰径处的包层上刻出折射率调制区，并形成了相对光纤轴的位置不对称性结构。被激发的LP01和LP11两种模式在导出单模时产生干涉，通过磁性材料和不对称锥形两模光纤之间倏逝场的耦合作用，实现磁场对LP01和LP11模式的有效折射率的调制作用，从而使光纤干涉仪输出的光谱信号受磁场矢量调制，构成光纤矢量磁场传感器。实施例为了验证本专利技术的有益效果，专利技术人采用本专利技术中的进行了实验。采用光纤磁场传感器的磁场矢量测试系统装置见图3所示，宽带光源SLD发出的光经过光纤矢量磁场传感器产生干涉光谱，再由光谱仪OSA接收。光纤矢量磁场传感器固定在调节支架上，由磁场发生装置产生一个匀强磁场，将光纤矢量磁场传感器的传感部分置于匀强磁场中，利用特斯拉计对磁场发生装置产生的磁场实时监测。并分别通过调节电源电压的大小和旋转台的角度，实现对光纤矢量磁场传感器所处磁场的强度和方向的精确控制。在磁场不同的大小和方向下，光谱仪接收到的干涉光谱不同，由图4、图5可知干涉光谱曲线对磁场强度的大小和方向具有明显的响应，表明本专利技术传感器对磁场矢量传感是完全可行的。SLD宽带光源的中心波长1550nm，输出光功率20mW；磁场发生装置用于产生0-20.0mT的磁场。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种磁流体包覆的全光纤矢量磁场传感器，包括玻璃毛细管（3），其特征在于，玻璃毛细管（3）套入光纤干涉仪（1），光纤干涉仪（1）中段为锥状型区（2），锥状型区（2）中线对应玻璃毛细管（3）中线，玻璃毛细管（3）内填充纳米磁流体材料（4），玻璃毛细管（3）两端由光学紫外胶（5）密封。

【技术特征摘要】
1.一种磁流体包覆的全光纤矢量磁场传感器，包括玻璃毛细管（3），其特征在于，玻璃毛细管（3）套入光纤干涉仪（1），光纤干涉仪（1）中段为锥状型区（2），锥状型区（2）中线对应玻璃毛细管（3）中线，玻璃毛细管（3）内填充纳米磁流体材料（4），玻璃毛细管（3）两端由光学紫外胶（5）密封。2.根据权利要求1所述的一种磁流体包覆的全光纤矢量磁场传感器，其特征在于，所述的光纤干涉仪（1）两模光纤两端分别与输入单模光纤、输出单模光纤无偏芯熔接，并通过火焰拉锥。3.根据权利要求1所述的一种磁流体包覆的全光纤矢量磁场传感器，其特征在于，所述的纳米磁流体材料（4）是平均直径为5nm的四氧化铁颗粒借助于表面活性剂弥散基液中形成的稳定胶体溶液，由北京市神然磁性流体技术有限公司研制。4.根据权利要求1所述的一种磁流体包覆的全光纤矢量磁场传感器，其特征在于，所述的光学紫外胶（5...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔学光，张军英，王若晖，
申请(专利权)人：西北大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61