一種基于表面等離子體共振技術的磁場測量方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于表面等離子體共振技術的磁場測量方法，屬于微型光電子檢 測技術領域。
【背景技術】
[0002] 光纖傳感技術是依據(jù)光學原理進行測量，并有著非接觸和非破壞性測量、幾乎不 受干擾、高速傳輸以及可遙測等優(yōu)點，經過幾十年的發(fā)展，目前已成為全世界的研宄熱點 (文獻1.侯俊芳，裴麗，李卓軒和劉超光纖傳感技術的研宄進展及應用[J]，光電技術應 用，2012,27 (1):49-53)，基于這些優(yōu)點，科研人員提出了基于法拉第效應、菲尼爾反射 等光學效應的測量磁場裝置，然而這些方法存在著測量靈敏度低以及所用的敏感材料對 光吸收系數(shù)較大等問題（文獻 2. Arun Anand, Vismay Trivedi and Swapnil Mahajan. Speckle-Based Optical Sensor for Low Field Faraday Rotation Measurement[J], IEEE Sensors Journal. 2013，13 (2):723-727)。
[0003] 為了提高對外界參量的測量靈敏度，我們提出用表面等離子共振（SPR)技術測量 磁場，這是由于當光經過其中的納米金屬薄膜表面時，在其兩側會產生較強的光場，因此它 對接觸物的折射率變化較敏感，利用這種特性能夠實現(xiàn)高靈敏度測量(文獻3. Maharana Pradeep Kumar and Jha Rajan. On the electric field enhancement and performance of SPR gas sensor based on graphene for visible and near infrared[J]. Sensors and Actuators B-Chemical. 2015，207:117-122.)。當將 SPR 技術應用在磁場測量時， 需要引入對磁場響應較好的敏感材料。磁流體，又稱磁性液體，是一種磁性敏感材料，它是 由包裹表面活性劑的磁性粒子懸浮在基液中所形成的穩(wěn)定的膠體體系。經過研宄，發(fā)現(xiàn)這 種材料的微觀結構能夠隨著磁場改變而發(fā)生變化，在低磁場作用下，磁流體中的磁性粒子 沿著磁場方向成鏈狀排列，然而在高磁場作用下，形成的磁鏈增大，且磁鏈之間能夠逐漸形 成規(guī)則的"磁流體光子晶體"（文獻 4. Yong Zhao, Yu Ying, Qi Wang and Hai-feng Hu. Simulation on microstructure and optical property of magnetic fluid photonic crystal[J], IEEE Transactions on magnetics. 2014，50(12) :460112)。在這個過程中， 磁流體微觀結構在不同磁場范圍內的有效折射率具有不同的響應趨勢，即在低磁場范圍的 變化比高磁場范圍內敏感，從而將影響高磁場范圍內的傳感特性。

【發(fā)明內容】

[0004] (一）要解決的技術問題 本發(fā)明的目的在于解決磁流體發(fā)生"二相分離"時有效折射率隨磁場變化較低的問題， 提出了一種結構簡單且靈敏度較高的棱鏡耦合結合磁流體的磁場測量裝置。
[0005] (二）技術方案 為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種棱鏡耦合結合磁流體的磁場測量裝置。該結構是 在三棱鏡底部放置金膜，同時將填充磁流體的玻璃槽與金膜的另一側粘貼，使磁流體與金 膜相互作用，然后將其放置于由直流電源和銅線圈組成的磁場發(fā)生單元中。光源發(fā)出的光 經過光纖到準直器時產生空間光路，移動準直器使入射光按照與法線呈0°到90°夾角的 范圍內分別入射到三棱鏡中，并在三棱鏡與金膜接觸面處發(fā)生全反射。接著通過光電探測 器檢測0°到90°夾角范圍內的反射率分布。
[0006] 上述方案中，所述的三棱鏡，為保證光由光密介質向光疏介質傳輸，其折射率取 1. 56 ;所述的金膜，為保證光在三棱鏡底部全反射時產生的倏逝波能夠透過金膜，其厚度 取50nm ;所述的磁流體，粒子成分為Fe304，為保證磁流體不易風干，載液選用煤油，體積分 數(shù)為1. 46%，無磁場情況下，它的有效折射率為1. 4565 ;所述的玻璃槽，其腐蝕后的深度為 0. 94 y m ;所述的玻璃槽與金膜的粘貼，采用UV膠涂抹在金膜下表面，后將填充磁流體的玻 璃槽與金膜粘貼在一起后，置于紫光燈下15分鐘，膠慢慢凝固。
[0007] 上述方案中，所述的直流電源，其型號為IT6154,其輸出電流可從0A變化到9A ;所 述的線圈采用半徑為〇.5mm的銅線圈纏繞而成，調節(jié)直流電源的輸出電流強度，在線圈中 間產生00e至2700e的均勻磁場。
[0008] 上述方案中，所述的光源，其型號為AVESTA，工作波長為1100nm至2000nm，輸 出光信號的平均功率為150mW ;所述的準直器，其型號為SMA905,其使用波長為200nm 至2500nm ;所述的光電探測器，其型號為PDA50B，工作波長為800nm至1800nm，帶寬為 400kHz，增益為1. 5X103V/A4至4. 75\106￥/^4;所述的光纖為普通單模光纖，芯徑為9 4111， 包層直徑為125 ym。
[0009](三）有益效果 從上述技術方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果： 1)本發(fā)明提供的一種棱鏡耦合結合磁流體的磁場測量裝置，將磁流體填充到玻璃槽 中并結合表面等離子共振技術方法，利用磁流體微觀結構變化對表面等離子波的調制作用 實現(xiàn)對外磁場的測量。這種方法可以降低工藝的復雜性。
[0010] 2)本發(fā)明提供的一種棱鏡耦合結合磁流體的磁場測量裝置，可以實現(xiàn)磁場的高 靈敏度測量，且高磁場范圍內的靈敏度是低磁場范圍靈敏度的三倍以上，為表面等離子共 振在磁場傳感領域的應用提供了基礎。
【附圖說明】
[0011] 圖1為本發(fā)明提供的棱鏡耦合結合磁流體的磁場測量系統(tǒng)示意圖； 圖2(a)為本發(fā)明提供的在低磁場階段的共振角響應曲線； 圖2(b)為本發(fā)明提供的在低磁場階段的共振角隨磁場變化擬合曲線； 圖3(a)為本發(fā)明提供的在高磁場階段的共振角響應曲線； 圖3(b)為本發(fā)明提供的在高磁場階段的共振角隨磁場變化擬合曲線；
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