本發(fā)明屬于光纖磁場傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于鍍銀傾斜光纖光柵包覆磁流體的磁場傳感器。

背景技術(shù)：

光纖磁場傳感技術(shù)主要致力于弱磁性目標(biāo)探測，服務(wù)于實(shí)際的工程和軍事應(yīng)用。按照感應(yīng)機(jī)理的不同，光纖磁場傳感器可分為懸臂梁-光纖光柵結(jié)構(gòu)的磁場傳感器，基于磁致伸縮材料的光纖磁場傳感器和基于磁流體的光纖磁場傳感器等不同類型。

表面等離子共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)現(xiàn)象是金屬和電介質(zhì)分界處入射光場在滿足能量與動量匹配的條件下，激發(fā)金屬表面自由電子形成表面等離子體波的一種物理光學(xué)現(xiàn)象。SPR傳感技術(shù)在生命科學(xué)、醫(yī)療檢測、環(huán)境監(jiān)測以及法醫(yī)鑒定等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用需求。

傾斜光纖光柵(tilted fiber Bragg grating，TFBG)能夠反射一部分光場進(jìn)入包層，在TFBG表面鍍上活性金屬薄膜(如Au，Ag等)以后，包層模以不同角度入射到包層與金屬膜的分界面，滿足表面等離子共振條件而激勵表面等離子體波。這種方式不像傳統(tǒng)的衰減全反射(如Kretschrnann棱鏡結(jié)構(gòu))需要改變光場的入射方向，也降低了對包層厚度的控制要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種基于鍍銀傾斜光纖光柵包覆磁流體的磁場傳感器。創(chuàng)新地將蝶形錐與鍍銀傾斜光纖光柵級聯(lián)，外磁場調(diào)諧磁流體的折射率引起表面等離子共振條件改變，反射譜中的共振峰發(fā)生漂移，由此構(gòu)成一種結(jié)構(gòu)新穎的高靈敏度光纖磁場傳感器。該設(shè)計(jì)具有結(jié)構(gòu)緊湊，靈敏度高，實(shí)時，快速的突出優(yōu)點(diǎn)，是一種較優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：一種基于鍍銀傾斜光纖光柵包覆磁流體的磁場傳感器，其特征在于：由寬帶光源(1)，偏振控制器(2)，光纖環(huán)行器(3)，單模光纖(4)，蝶形錐(5)，傾斜光纖光柵(6)，銀膜(7)，毛細(xì)管(8)，磁流體(9)，環(huán)氧樹脂(10)，磁場發(fā)生器(11)和光纖光譜儀(12)組成；寬帶光源(1)通過偏振控制器(2)與光纖環(huán)行器(3)的a端口相連，光纖環(huán)行器(3)的b端口與單模光纖(4)的左端相連；單模光纖(4)，蝶形錐(5)，傾斜光纖光柵(6)依次連接，傾斜光纖光柵(6)包層外均勻鍍有銀膜(7)，一起置于毛細(xì)管(8)的軸心處；毛細(xì)管(8)內(nèi)部填充磁流體(9)，兩端用環(huán)氧樹脂(10)密封，置于磁場發(fā)生器(11)的中部；光纖環(huán)行器(3)的c端口與光纖光譜儀(12)相連。

所述的蝶形錐(5)的錐區(qū)直徑為70μm～80μm，錐區(qū)長度為90μm～95μm，球形纖芯半徑為20μm～25μm。

所述的傾斜光纖光柵(6)的有效傾斜角度為10°～12°，柵區(qū)長度為10mm～12mm，柵區(qū)前端與蝶形錐(5)中心的距離為5mm～10mm。

所述的銀膜(7)的膜厚為50nm～60nm，鍍膜長度為30mm～80mm。

所述的磁流體(9)的密度為1.8g/cc，飽和磁化強(qiáng)度為220Gauss，納米磁性顆粒的平均直徑為10nm。

本發(fā)明的工作原理是：寬帶光源(1)經(jīng)過偏振控制器(2)產(chǎn)生一束偏振光從光纖環(huán)行器(3)的a端口入射，沿b端口出射，經(jīng)單模光纖(4)和蝶形錐(5)進(jìn)入傾斜光纖光柵(6)。傾斜光纖光柵(6)中傾斜的柵面改變了光場耦合條件，在包層內(nèi)激勵出一系列與波長有關(guān)的包層模發(fā)生反向傳輸。在傾斜光纖光柵(6)的表面均勻鍍上一定厚度的銀膜(7)，以不同角度入射到包層-銀膜(7)分界面的包層模滿足耦合表面等離子的能量與動量匹配條件，其倏逝波激發(fā)銀膜(7)表面自由電子產(chǎn)生表面等離子共振。包層模進(jìn)一步被蝶形錐(5)回收，經(jīng)單模光纖(4)返回光纖環(huán)行器(3)的b端口，從c端口被光纖光譜儀(12)接收和解調(diào)。當(dāng)磁流體(9)的折射率跟隨外界磁場強(qiáng)度發(fā)生變化，引起表面等離子共振條件改變，反射譜中的共振峰峰值波長發(fā)生漂移，監(jiān)測波長漂移量解調(diào)出外界磁場強(qiáng)度信息。

利用毛細(xì)管(8)將磁流體(9)包覆在光纖表面，環(huán)氧樹脂(10)起到密封作用。磁場發(fā)生器(11)用于產(chǎn)生恒定的磁場并實(shí)時讀取強(qiáng)度數(shù)值以進(jìn)行標(biāo)定。

傾斜光纖光柵(6)的傾斜角度和有效光柵周期決定相位匹配條件，Bragg模和各階包層模滿足的相位匹配條件分別為

λ_Bragg＝2n_eff，core*Λ/cos(θ) (1)

Λ＝Λ_T*cos(θ) (3)

式中，θ為柵平面的傾斜角度，λ_Bragg為Bragg波長，為第i階包層模波長，和分別表示纖芯和包層在波長為時的有效折射率，Λ為θ＝0°時的光柵周期，Λ_T為傾斜光纖光柵(6)的有效光柵周期。

磁流體(9)的折射率與納米磁性顆粒的排列方式有關(guān)。在磁場下，納米磁性顆粒形成磁場方向上的鏈狀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致磁流體(9)有效介電常數(shù)的變化，因而具備可調(diào)諧折射率的光學(xué)特性。其折射率與外磁場強(qiáng)度、溫度的關(guān)系為

式中，n_s為飽和磁場下的折射率，n_o為臨界磁場下的折射率，H為外界磁場強(qiáng)度，H_c，n為臨界磁場強(qiáng)度，T為熱力學(xué)溫度，α為擬合參數(shù)。

蝶形錐(5)的形狀左右對稱，兩側(cè)為兩個尖錐，中間為球形纖芯。當(dāng)包層模進(jìn)入錐區(qū)時，在球形纖芯的會聚作用下耦合進(jìn)入單模光纖(4)的纖芯。該結(jié)構(gòu)可通過改變制作參數(shù)調(diào)整纖芯與包層的能量耦合比，加強(qiáng)回收包層模的作用，且對波長沒有選擇性適用于配合傾斜光纖光柵(6)使用。

外界磁場強(qiáng)度引起磁流體(9)有效折射率改變，導(dǎo)致表面等離子波的諧振波長漂移，在反射光譜上定量地監(jiān)測峰值波長的漂移量進(jìn)而解調(diào)出外界磁場強(qiáng)度信息。

本發(fā)明的有益效果是：(1)調(diào)整蝶形錐(5)的制作參數(shù)方便地控制纖芯與包層的能量耦合比，由于沒有波長選擇性可以耦合寬波長范圍的包層模；(2)代表著傾斜光纖光柵特性的離散的包層模被統(tǒng)一的SPR共振模所取代，并對其進(jìn)行回收，大幅提升了該新型光纖磁場傳感器的靈敏度和穩(wěn)定性。因此，本發(fā)明的突出優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，體積小巧，靈活性高，響應(yīng)速度快，是一種較為優(yōu)化的方案。

附圖說明

圖1是一種基于鍍銀傾斜光纖光柵包覆磁流體的磁場傳感器的特征裝置示意圖。

圖2是一種基于鍍銀傾斜光纖光柵包覆磁流體的磁場傳感器的探頭結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

參見附圖1，一種基于鍍銀傾斜光纖光柵包覆磁流體的磁場傳感器由寬帶光源(1)，偏振控制器(2)，光纖環(huán)行器(3)，單模光纖(4)，蝶形錐(5)，傾斜光纖光柵(6)，銀膜(7)，毛細(xì)管(8)，磁流體(9)，環(huán)氧樹脂(10)，磁場發(fā)生器(11)和光纖光譜儀(12)組成；寬帶光源(1)通過偏振控制器(2)與光纖環(huán)行器(3)的a端口相連，光纖環(huán)行器(3)的b端口與單模光纖(4)的左端相連；參見附圖2，單模光纖(4)，蝶形錐(5)，傾斜光纖光柵(6)依次連接，傾斜光纖光柵(6)包層外均勻鍍有銀膜(7)，一起置于毛細(xì)管(8)的軸心處；毛細(xì)管(8)內(nèi)部填充磁流體(9)，兩端用環(huán)氧樹脂(10)密封，置于磁場發(fā)生器(11)的中部；光纖環(huán)行器(3)的c端口與光纖光譜儀(12)相連。

進(jìn)一步的，蝶形錐(5)的錐區(qū)直徑為70μm～80μm，錐區(qū)長度為90μm～95μm，球形纖芯半徑為20μm～25μm；傾斜光纖光柵(6)的有效傾斜角度為10°～12°，柵區(qū)長度為10mm～12mm，柵區(qū)前端與蝶形錐(5)中心的距離為5mm～10mm；銀膜(7)的膜厚為50nm～60nm，鍍膜長度為30mm～80mm；磁流體(9)的密度為1.8g/cc，飽和磁化強(qiáng)度為220Gauss，納米磁性顆粒的平均直徑為10nm。

蝶形錐(5)利用錐形熔接制作，采用的光纖熔接機(jī)型號為Fujikura 60s。將兩端面切割平整的單模光纖(4)和傾斜光纖光柵(6)放入V型槽內(nèi)固定好。修改SM-SM熔接模式的參數(shù)：對芯方式調(diào)整為手動，切割限定調(diào)整為3.00，設(shè)定光纖端面間隔為8μm～12μm，重疊為10μm～12μm，調(diào)整放電1功率為標(biāo)準(zhǔn)+2bit，放電時間1500ms～2000ms，打開錐形熔接，設(shè)定熔接等待和錐形熔接長度分別為100ms～200ms和14μm～18μm，放電熔接得到蝶形錐(5)。

本發(fā)明的工作原理是：寬帶光源(1)經(jīng)過偏振控制器(2)產(chǎn)生一束偏振光經(jīng)光纖環(huán)行器(3)，單模光纖(4)和蝶形錐(5)進(jìn)入傾斜光纖光柵(6)。傾斜光纖光柵(6)激勵出一系列與波長有關(guān)的包層模以不同角度入射到包層-銀膜(7)分界面，其倏逝波激發(fā)自由電子產(chǎn)生表面等離子共振。包層模進(jìn)一步被蝶形錐(5)回收，被光纖光譜儀(12)接收和解調(diào)。當(dāng)外界磁場強(qiáng)度發(fā)生變化，磁流體(9)的有效折射率隨之改變，表面等離子波的諧振波長漂移，可以在反射光譜上定量地監(jiān)測到峰值波長的漂移，進(jìn)而解調(diào)出外界磁場強(qiáng)度信息。