基于磁流体和单模—无芯—单模光纤结构的磁场传感器研究

• 作 者: 饶杰
• 出 处: 上海理工大学
• 发表日期: 2018年01期
• 关键词: 磁流体 单模-无芯-单模光纤结构 布拉格光栅 光纤传感 折射率匹配

磁流体是一种稳定的胶体系统,它由纳米级磁性颗粒、包覆在颗粒表面的活性剂和载液组成,同时具备固体磁性材料的磁学特性和液体的流动性。其微观结构在外界磁场的作用下能够形成规律性的分布,所以当外界磁场存在时它具备一些独特的光学性质,如可调折射率、磁致双折射等。磁流体可调谐的性质使它在新型光子器件领域具有很大的应用前景,如磁场传感器、可调谐光缓存器等。光纤传感器具有小巧轻便、抗电磁干扰、耐腐蚀、耐高温等特性,备受研究人员的青睐。将磁流体与特殊的光纤结构结合,可以制作出灵敏度高、性能稳定的磁场传感器。本论文首先介绍了单模-无芯-单模光纤结构的多模干涉原理以及其在传感领域中的应用,并说明了该结构在制作与封装过程中的要点。然后提出了基于单模-无芯-单模光纤结构和布拉格光栅的磁场传感器,磁流体包裹于无芯光纤外部。由于单模-无芯-单模光纤结构的滤波效应,当磁场强度改变时,干涉光谱发生飘移,而布拉格反射峰的位置不受影响,故其反射峰的强度将发生变化。通过监测反射峰处的功率变化,可以实现探测磁场强度的目的。实验得到0.204 dBm/mT(0～20mT)的磁场灵敏度。论文还利用单模-无芯-单模光纤结构和折射率匹配原理,制作出一种高灵敏度的磁场传感器。不同于传统同样结构的磁场传感器,该传感器不再是基于模式干涉原理,且灵敏度更高。论文使用适当折射率的磁流体包裹无芯光纤部分,当宽带光通过该结构时,若某特定波长的光对应的无芯光纤有效折射率等于磁流体的有效折射率(折射率匹配),则该波长的光会大量泄露出无芯光纤。这时可以在光谱仪上观测到一个耦合谷,该谷对外界变化极其敏感,当外界磁场强度发生变化导致磁流体折射率发生变化时,该耦合谷会产生明显飘移,通过监测耦合谷位置,可以达到检测磁场强度的目的。论文首先研究了该传感结构在不同浓度磁流体包裹下初始耦合谷的出现位置,得到了 116.681 的折射率灵敏度。然后研究了不同长度的无芯光纤对传感器灵敏度的影响,在低磁场强度下(≤6mT),分别得到5.49和5.62 nm/mT的灵敏度;在高强度磁场(6～26mT)下,分别得到1.51和1.42 nm/mT的灵敏度。实验证明,无芯光纤长度对传感器灵敏度几乎没有影响。论文最后研究了不同浓度的磁流体对该传感器灵敏度的影响,在磁流体样品的初始折射率为1.45691时,得到了 6.33 6m T)和1.83 nm/mT(6～26mT)的最高灵敏度。