專利名稱：基于磁流體折射率改變檢測磁場變化的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種物理光電技術(shù)領(lǐng)域的檢測裝置，具體是一種磁場作用下 基于磁流體折射率改變從而檢測磁場變化的裝置。
背景技術(shù)：
在光通訊中，可調(diào)諧光纖器件是非常有用的。長周期光纖光柵能將光纖纖芯 的光耦合到包層，它對包覆在其外包層的材料折射率敏感，所以可被用來進(jìn)行可 調(diào)諧濾波和帶阻。在理論和實(shí)驗(yàn)上，人們已經(jīng)研究了通過改變長周期光柵外包層 的折射率來改變長周期光柵的光學(xué)性能。長周期光柵外包層折射率的改變可以通
過置于毛細(xì)管中的長周期光柵外圍的液滴來實(shí)現(xiàn)。有多種方法可以對液滴進(jìn)行操 作，如電化學(xué)效應(yīng)、電毛細(xì)壓力和電濕激勵法，等。通過電濕泵浦和流體腔的 循環(huán)，可以實(shí)現(xiàn)動態(tài)調(diào)節(jié)長周期光柵的光學(xué)性質(zhì)，使其具有開關(guān)和濾波器的特性。
磁流體(或稱做磁性液體，磁液，鐵磁流體，磁性膠體，磁性流體)是由 納米級的強(qiáng)磁性顆粒彌散于某種液體之中所形成的穩(wěn)定的膠體體系，它既具有固 體物質(zhì)的磁性，又具有液體的流動性，是一種新型的功能材料，受到人們的日益 重視，其應(yīng)用已深入到電子，能源，國防軍工，冶金機(jī)械，化工環(huán)保，儀器儀表， 醫(yī)療衛(wèi)生等方面，收效十分顯著。而直到二十世紀(jì)末才有學(xué)者對磁流體的新型光 學(xué)性質(zhì)(如光學(xué)透過率、磁致變色效應(yīng)、熱光效應(yīng)，等性質(zhì))進(jìn)行研究。近年 來，隨著集成光學(xué)、光子器件的迅猛發(fā)展，以及磁流體在光學(xué)領(lǐng)域潛在應(yīng)用的發(fā) 現(xiàn)， 一些研究者開始重視磁流體的光學(xué)性質(zhì)，并且提出了基于磁流體的光子器件， 如光開關(guān)、光調(diào)制器、磁場或電場傳感器、可調(diào)諧光柵和粗波分復(fù)用器，等。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，S. Y. Yang等在《Applied Physics Letters》(應(yīng)用物理學(xué)報(bào))2004年上發(fā)表的"Origin and applications of magnetically tunable refractive index of magnetic fluid films",(磁流 體薄膜磁致折射率可調(diào)的起源及應(yīng)用)，該文中提出第一次全面提出了，利用磁 流體薄膜折射率差隨磁場大小變化的特性進(jìn)行光傳感，其不足在于由于所使用的將磁流體灌入光纖包層的實(shí)驗(yàn)方案調(diào)制現(xiàn)象不是非常明顯，傳輸損耗僅為 1.13%，很難滿足高精度的磁場測量要求，很難在現(xiàn)實(shí)生活中有太多的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于磁流體折射率改變檢測磁場變化 的裝置，使其通過磁場作用在磁流體的方法來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)長周期光纖光柵光學(xué)性質(zhì)
的目的。磁流體的折射率可以通過施加外部磁場來調(diào)節(jié)。當(dāng)具有適當(dāng)折射率的磁 流體在長周期光柵外包層時，長周期光柵的光學(xué)性質(zhì)就得到了調(diào)節(jié)，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn) 濾波器和光開關(guān)的功能。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括第一光源輸出裝置、傳輸 裝置、磁場測試裝置以及第一接收檢測裝置。磁場測試裝置中包括了折射率測試 裝置，電磁鐵，長周期光纖光柵，以及磁流體樣品。長周期光纖光柵置于裝有磁 流體的毛細(xì)管后，置于電磁鐵的兩個磁極中間。第一光源輸出裝置、磁場測試裝 置以及第一接收檢測裝置之間使用傳輸裝置連接，第一光源輸出裝置輸出的光在 傳輸裝置內(nèi)幾乎無損耗傳播，經(jīng)過磁場測試裝置后光信號被第一接收檢測裝置接 收。折射率測試裝置和磁流體樣品連接在一起。以上所有部件之間的連接均通過 光纖實(shí)現(xiàn)。
所述第一光源輸出裝置為放大自發(fā)輻射光源。
所述傳輸裝置為標(biāo)準(zhǔn)通信波長單模光纖。
所述第一接收檢測裝置為光譜分析儀。
所述折射率測試裝置由第二光源輸出裝置，耦合器，以及第二接收檢測裝置 組成，用于測量磁流體樣品在磁場下的折射率變化。這些部件之間均通過光纖連 接，折射率測試裝置中的耦合器將入射光引導(dǎo)到光纖端面，并且用光纖來收集后 向反射光。耦合器的輸入端連接第二光源輸出裝置，耦合器的輸入端將入射光引 導(dǎo)到光纖端面處的光纖-磁流體樣品界面上，反射回來的光功率第二接收檢測裝 置檢測接受。
所述第二光源輸出裝置為輸出功率穩(wěn)定、通信波段的激光器。 所述第二光源檢測裝置為通信波段的光功率計(jì)。
本發(fā)明工作時，將所述的長周期光纖光柵置入毛細(xì)管中，并在毛細(xì)管中注入 磁流體，使得長周期光纖光柵置于磁流體環(huán)境中。由于長周期光纖光柵的中心衰減波長對于其周圍折射率的變化相當(dāng)敏感。因此，當(dāng)存在磁場時，磁流體樣品的 折射率發(fā)生改變，使得檢測到的中心衰減波長發(fā)生漂移。以此，通過檢測到的中
心波長漂移值可以探測到磁流體在磁場作用下折射率變化情況。另外，通過折射 率測試裝置，可以探測到所加磁場的大小。從而，達(dá)到精確檢測磁場的效果。
本發(fā)明在常溫條件下實(shí)現(xiàn)了磁場作用下磁流體折射率改變在檢測磁場中的 應(yīng)用。在工作范圍內(nèi)，其靈敏度極高，達(dá)到了 0.0025nm/Gs。該發(fā)明適用于小范 圍高精度的溫度測量或者常溫范圍內(nèi)的精確溫度甄別，且結(jié)構(gòu)簡單，易于集成。


圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案 為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù) 范圍不限于下述的實(shí)施例。
如圖l所示，本實(shí)施例為一種基于磁流體折射率改變檢測磁場變化的裝置
第一光源輸出裝置l、傳輸裝置2、磁場測試裝置以及第一接收檢測裝置9。
磁場測試裝置中包括了折射率測試裝置，電磁鐵3，長周期光纖光柵4，以 及磁流體樣品5。長周期光纖光柵4置于裝有磁流體5的毛細(xì)管后，置于電磁鐵 3的兩個磁極中間。第一光源輸出裝置l、磁場測試裝置以及第一接收檢測裝置 9之間使用傳輸裝置2連接，第一光源輸出裝置1輸出的光在傳輸裝置2內(nèi)幾乎 無損耗傳播，經(jīng)過磁場測試裝置后光信號被第一接收檢測裝置9接收。
所述折射率測試裝置由第二光源輸出裝置7，耦合器6，以及第二接收檢測 裝置8組成，用于測量磁流體樣品在磁場下的折射率變化。折射率測試裝置中光 纖耦合器6將入射光引導(dǎo)到光纖端面，并且用光纖來收集后向反射光。耦合器6 的輸入端連接第二光源輸出裝置7，耦合器的輸入端將入射光引導(dǎo)到光纖端面處 的光纖-磁流體樣品5界面上，反射回來的光功率第二接收檢測裝置8檢測接收。
上述部件之間均通過光纖連接。
所述第一光源輸出裝置l為放大自發(fā)輻射光源。
所述傳輸裝置2為單模光纖。
所述第一接收檢測裝置9為光譜分析儀。所述電磁鐵裝置3為磁場大小可通過供電電流的大小來改變磁場大小的電 磁鐵。
所述長周期光纖光柵4為光柵周期為400pm，空氣中中心波長為1540. 5nm 的長周期光纖光柵。
所述磁流體5為密度為1. 2g/ml的水基磁流體。 所述耦合器6為3dB的耦合器。
所述第二光源輸出裝置7為功率lmW，中心波長1550nm激光器。 所述第二接收檢測裝置8為通信波段1550nm光功率計(jì)。 本實(shí)施例工作時，將所述的長周期光纖光柵4置入毛細(xì)管中，并在毛細(xì)管中 注入磁流體5，使得長周期光纖光柵4置于磁流體5環(huán)境中。由于長周期光纖光 柵4的中心衰減波長對于其周圍折射率的變化相當(dāng)敏感。因此，當(dāng)存在磁場時， 磁流體5樣品的折射率發(fā)生改變，使得檢測到的中心衰減波長發(fā)生漂移。通過檢 測到的中心波長漂移值可以探測到磁流體5在磁場作用下折射率變化情況。另 外，通過折射率測試裝置，可以探測到所加磁場的大小。從而，達(dá)到精確檢測磁 場的效果。本實(shí)施例首先選用了光柵周期為400pm，空氣中中心波長為1540. 5nm 的長周期光纖光柵4，并且置于密度為1.2g/ml的水基磁流體5中，在通過外部 施加磁場裝置改變磁場的過程中，接收檢測裝置9接收到的中心衰減波長變化明 顯。裝置工作區(qū)域中心在25攝氏度左右，靈敏度達(dá)到了 0.0025nm/Gs，實(shí)驗(yàn)結(jié) 果與理論預(yù)測吻合。本實(shí)施例通過施加磁場改變磁流體5的折射率，從而改變了 長周期光纖光柵4的中心波長位置，從1528. 4nm移動到了 1532. 2nm，由此探測 到的磁場的變化范圍為0到1500Gs。實(shí)驗(yàn)得出的磁場與中心波長的關(guān)系為
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本實(shí)施例在常溫條件下實(shí)現(xiàn)了磁場作用下磁流體折射率改變在檢測磁場中 的應(yīng)用。在工作范圍內(nèi)，其靈敏度極高，達(dá)到了 0.0025nm/Gs。該發(fā)明適用于小 范圍高精度的溫度測量或者常溫范圍內(nèi)的精確溫度甄別。且結(jié)構(gòu)簡單，易于集成。
權(quán)利要求
1.一種基于磁流體折射率改變檢測磁場變化的裝置，包括第一光源輸出裝置、傳輸裝置、磁場測試裝置以及第一接收檢測裝置，其特征在于，所述磁場測試裝置包括折射率測試裝置、電磁鐵、長周期光纖光柵以及磁流體樣品，長周期光纖光柵置于裝有磁流體的毛細(xì)管后，置于電磁鐵的兩個磁極中間，第一光源輸出裝置、磁場測試裝置以及第一接收檢測裝置之間使用傳輸裝置連接，第一光源輸出裝置輸出的光在傳輸裝置內(nèi)傳播，經(jīng)過磁場測試裝置后光信號被第一接收檢測裝置接收，折射率測試裝置和磁流體樣品連接在一起，以上所有部件之間的連接均通過光纖實(shí)現(xiàn)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于磁流體折射率改變檢測磁場變化的裝置，其 特征是，所述折射率測試裝置由第二光源輸出裝置、耦合器以及第二接收檢測裝 置組成，這些部件之間均通過光纖連接，耦合器將入射光引導(dǎo)到光纖端面，并且 用光纖來收集后向反射光，耦合器的輸入端連接第二光源輸出裝置，耦合器的輸 入端將入射光引導(dǎo)到光纖端面處的光纖-磁流體樣品界面上，反射回來的光功率 第二接收檢測裝置檢測接受。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于磁流體折射率改變檢測磁場變化的裝置，其特征是，所述第二光源輸出裝置為通信波段激光器。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于磁流體折射率改變檢測磁場變化的裝置，其 特征是，所述第二光源檢測裝置為通信波段的光功率計(jì)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于磁流體折射率改變檢測磁場變化的裝置，其 特征是，所述第一光源輸出裝置為放大自發(fā)輻射光源。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于磁流體折射率改變檢測磁場變化的裝置，其 特征是，所述傳輸裝置為通信波段使用的單模光纖。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于磁流體折射率改變檢測磁場變化的裝置，其 特征是，所述第一接收檢測裝置為光譜分析儀。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于磁流體折射率改變檢測磁場變化的裝置，包括第一光源輸出裝置、傳輸裝置、磁場測試裝置以及第一接收檢測裝置。磁場測試裝置中包括了折射率測試裝置，電磁鐵，長周期光纖光柵，以及磁流體樣品。長周期光纖光柵置于裝有磁流體的毛細(xì)管后，置于電磁鐵的兩個磁極中間。第一光源輸出裝置、磁場測試裝置以及第一接收檢測裝置之間使用傳輸裝置連接，第一光源輸出裝置輸出的光在傳輸裝置內(nèi)傳播，經(jīng)過磁場測試裝置后光信號被第一接收檢測裝置接收。本發(fā)明在常溫條件下實(shí)現(xiàn)了磁場作用下基于磁流體折射率改變從而檢測磁場變化的裝置，靈敏度極高，達(dá)到了0.0025nm/Gs，其工作范圍可以從0Gs到1500Gs。
文檔編號G01N21/41GK101281237SQ200810037409
公開日2008年10月8日 申請日期2008年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月15日
發(fā)明者婷 劉, 狄子昀, 陳險(xiǎn)峰 申請人:上海交通大學(xué)