基于磁流体填充微结构光纤的Sagnac磁场传感器[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 107515378 A(43)申请公布日 2017.12.26

(21)申请号 201710928049.7(22)申请日 2017.10.09

(71)申请人 中国计量大学

地址 310018 浙江省杭州市下沙高教园区

学源街258号中国计量大学(72)发明人 包立峰　董新永　(51)Int.Cl.

G01R 33/032(2006.01)

权利要求书1页 说明书3页 附图2页

CN 107515378 A(54)发明名称

基于磁流体填充微结构光纤的Sagnac磁场传感器(57)摘要

本发明公开了一种基于磁流体填充微结构光纤的Sagnac磁场传感器由宽带光源，3dB耦合器，保偏光纤，偏振控制器，保偏光子晶体光纤，光纤光谱仪，磁流体和磁场发生器组成。创新地将极短厚度的磁流体内嵌入保偏光子晶体光纤的空气孔，并且引入到高双折射光纤Sagnac环中，外加磁场变化导致磁流体双折射值的改变，

该设计中磁流进而造成Sagnac干涉光谱的漂移。

体直接与光纤中传输的光波近距离作用，对磁场变化的响应速度更快，降低了熔接损耗，灵敏度较高。因此，该发明具有集成度高，灵敏度高，响应速度快的突出优点，是一种具备磁场测量在线应用潜力的设计方案。

CN 107515378 A

权　利　要　求　书

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1.基于磁流体填充微结构光纤的Sagnac磁场传感器，其特征在于：由宽带光源(1)，3dB耦合器(2)，保偏光纤(3)，偏振控制器(4)，保偏光子晶体光纤(5)，光纤光谱仪(6)，磁流体(7)和磁场发生器(8)组成；3dB耦合器(2)的a端口与宽带光源(1)相连，b端口与保偏光纤(3)相连， c端口与保偏光子晶体光纤(5)相连，d端口与光纤光谱仪(6)相连；3dB耦合器(2)，保偏光纤(3)，偏振控制器(4)和保偏光子晶体光纤(5)依次相连构成了光纤Sagnac环；保偏光子晶体光纤(5)内部极短长度的空气孔填充磁流体(7)，保偏光子晶体光纤(5)和磁流体(7)一起水平置于磁场发生器(8)中。

2.根据权利要求1所述的基于磁流体填充微结构光纤的Sagnac磁场传感器，其特征在于：所述的保偏光纤(3)的长度为50cm~90cm。

3.根据权利要求1所述的基于磁流体填充微结构光纤的Sagnac磁场传感器，其特征在于：所述的保偏光子晶体光纤(5)的长度为2cm~5cm，内部空气孔填充磁流体(7)的长度为0.2mm~1.5mm。

4.根据权利要求1所述的基于磁流体填充微结构光纤的Sagnac磁场传感器，其特征在于：所述的磁流体(7)的密度为1.8g/cc，饱和磁化强度为220Gauss，纳米磁性颗粒的平均直径为10nm。

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说　明　书

基于磁流体填充微结构光纤的Sagnac磁场传感器

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技术领域

[0001]本发明属于光纤磁场传感技术领域，具体涉及一种基于磁流体填充微结构光纤的Sagnac磁场传感器。

背景技术

[0002]光纤磁场传感技术主要致力于弱磁性目标探测，服务于实际的工程和军事应用。按照感应机理的不同，光纤磁场传感器可分为悬臂梁-光纤光栅结构的磁场传感器，基于磁致伸缩材料的光纤磁场传感器和基于磁流体的光纤磁场传感器等不同类型。[0003]磁流体(Magnetic Fluids，MF)是纳米磁性微粒在表面活性剂包裹下均匀弥散在载液中所形成的一种稳定的胶体溶液。当光入射到在外磁场作用下的磁流体薄膜上，磁流体的光学性质会发生变化，进而引起出射光波传输特性的变化，产生磁场调制的双折射效应、折射率可控性和热透镜效应等。

[0004]磁流体的双折射效应是外磁场作用下的磁流体将入射光分解成偏振方向垂直于磁场方向的o光和偏振方向平行于磁场方向的e光。由于磁流体双折射效应的强弱可利用磁性颗粒参数、外磁场、温度等诸多因素进行调控，因而能够用于制作诸多光学器件，也在光纤磁场传感研究中具有潜在的应用价值。

发明内容

[0005]针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于磁流体填充微结构光纤的Sagnac磁场传感器。创新地将极短厚度的磁流体内嵌入保偏光子晶体光纤的空气孔，并且引入到高双折射光纤Sagnac环中，外加磁场变化导致磁流体双折射值的改变，进而造成Sagnac干涉光谱的漂移。该设计中磁流体直接与光纤中传输的光波近距离作用，对磁场变化的响应速度更快，降低了熔接损耗，灵敏度较高，是一种具备磁场测量在线应用潜力的设计方案。

[0006]本发明通过以下技术方案实现：基于磁流体填充微结构光纤的Sagnac磁场传感器，其特征在于：由宽带光源(1)，3dB耦合器(2)，保偏光纤(3)，偏振控制器(4)，保偏光子晶体光纤(5)，光纤光谱仪(6)，磁流体(7)和磁场发生器(8)组成；3dB耦合器(2)的a端口与宽带光源(1)相连，b端口与保偏光纤(3)相连， c端口与保偏光子晶体光纤(5)相连，d端口与光纤光谱仪(6)相连；3dB耦合器(2)，保偏光纤(3)，偏振控制器(4)和保偏光子晶体光纤(5)依次相连构成了光纤Sagnac环；保偏光子晶体光纤(5)内部极短长度的空气孔填充磁流体(7)，保偏光子晶体光纤(5)和磁流体(7)一起水平置于磁场发生器(8)中。[0007]所述的保偏光纤(3)的长度为50cm90cm。

~

[0008]所述的保偏光子晶体光纤(5)的长度为2cm5cm，内部空气孔填充磁流体(7)的长

~

度为0.2mm~1.5mm。

[0009]所述的磁流体(7)的密度为1.8g/cc，饱和磁化强度为220Gauss，纳米磁性颗粒的平均直径为10nm。

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本发明的工作原理是：3dB耦合器(2)，保偏光纤(3)，偏振控制器(4)和保偏光子晶

体光纤(5)依次相连构成了光纤Sagnac环。来自宽带光源(1)的入射光从3dB耦合器(2)的a端口进入光纤Sagnac环，分为两束分别沿顺时针和逆时针方向在环内传输的偏振光，然后在3dB耦合器(2)中重新相遇随之发生Sagnac干涉，光信号在3dB耦合器(2)的d端口被光纤光谱仪(6)接收。

[0011]该光纤Sagnac环的双折射为保偏光纤(3)、保偏光子晶体光纤(5)的固有双折射与磁流体(7)的附加双折射之和，其透射光谱与入射光的偏振状态无关，仅随入射光波长λ的变化呈周期性分布，如下式所示：

  （1）

θθφPMF= 2其中，1和2分别为两束光的偏振方向与保偏光纤快轴或者慢轴方向的夹角，πBpLp/λ为双折射系数Bp的保偏光纤在长度Lp下的双折射，φMF= 2πBmLm/λ为双折射系数Bm的磁流体在填充长度Lm下的双折射。

[0012]保偏光纤(3)和保偏光子晶体光纤(5)引入的双折射恒定，磁流体(7)引入的附加双折射受外加磁场调控，进而外加磁场的变化能够造成Sagnac干涉光谱的漂移。由式(1)可知，干涉光谱的周期取决于φPMF+φMF的大小，可表示为：

  （2）

干涉谱的波谷满足条件φPMF+φMF= (2n+1)π（n为整数），因此，结合式(1)和式(2)，通过监测波谷波长来计算Sagnac干涉光谱的漂移，测量外界磁场强度的灵敏度为：

  （3）

可见，磁流体(7)的双折射跟随外界磁场强度变化的变化率与该新型磁场传感器的灵敏度成正相关关系。由于磁流体(7)微量的双折射变化在两束光循环传播的过程中不断积累，产生较大的双折射变化量，因此能够获得较高的灵敏度。[0013]此外，由式(1)可知，Sagnac干涉光谱的漂移与θθ调节偏振控制器(4)改变1、2无关，θθ起到增加干涉条纹对比度，提高信噪比的作用。由此实现了高灵敏度的1和2至合适大小，光纤磁场传感。

[0014]本发明的有益效果是：（1）磁流体填充在微结构光纤内部，能够与光纤中传输的光波近距离作用，灵活性高，对磁场变化的响应速度更快；（2）降低了熔接损耗，不影响光纤的机械性能，可在线应用。因此，本发明具有集成度高，灵敏度高，响应速度快的突出优点，是一种具备磁场测量在线应用潜力的设计方案。

附图说明

[0015]图1是基于磁流体填充微结构光纤的Sagnac磁场传感器的装置结构示意图。

[0016]图2是基于磁流体填充微结构光纤的Sagnac磁场传感器中磁流体填充区域的横截面示意图。

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具体实施方式

[0017]下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。[0018]参见附图1，基于磁流体填充微结构光纤的Sagnac磁场传感器由宽带光源(1)，3dB耦合器(2)，保偏光纤(3)，偏振控制器(4)，保偏光子晶体光纤(5)，光纤光谱仪(6)，磁流体(7)和磁场发生器(8)组成；3dB耦合器(2)的a端口与宽带光源(1)相连，b端口与保偏光纤(3)相连， c端口与保偏光子晶体光纤(5)相连，d端口与光纤光谱仪(6)相连；3dB耦合器(2)，保偏光纤(3)，偏振控制器(4)和保偏光子晶体光纤(5)依次相连构成了光纤Sagnac环；保偏光子晶体光纤(5)内部极短长度的空气孔填充磁流体(7)，保偏光子晶体光纤(5)和磁流体(7)一起水平置于磁场发生器(8)中。[0019]参见附图2， 磁流体(7)填充在保偏光子晶体光纤(5)的空气孔中。[0020]进一步的，保偏光纤(3)的长度为50cm~90cm，保偏光子晶体光纤(5)的长度为2cm~5cm，内部空气孔填充磁流体(7)的长度为0.2mm~1.5mm，磁流体(7)的密度为1.8g/cc，饱和磁化强度为220Gauss，纳米磁性颗粒的平均直径为10nm。[0021]本发明的工作原理是：3dB耦合器(2)，保偏光纤(3)，偏振控制器(4)和保偏光子晶体光纤(5)依次相连构成了光纤Sagnac环。来自宽带光源(1)的入射光从3dB耦合器(2)的a端口进入光纤Sagnac环，分为两束分别沿顺时针和逆时针方向在环内传输的偏振光，然后在3dB耦合器(2)中重新相遇随之发生Sagnac干涉。保偏光纤(3)和保偏光子晶体光纤(5)在该光纤Sagnac环内引入恒定的固有双折射，磁流体(7)引入了附加的受外加磁场调控的双折射变化，进而外加磁场的变化能够造成Sagnac干涉光谱的漂移。

[0022]磁流体(7)在毛细作用下进入保偏光子晶体光纤(5)的空气孔内，由于磁流体(7)对光有强烈的吸收作用，因此磁流体(7)填充的长度控制在毫米量级。

[0023]磁场发生器(8)用于产生恒定的磁场以便对传感器进行磁场响应的标定。[0024]磁流体(7)微量的双折射变化在两束光循环传播的过程中不断积累，产生较大的双折射变化量，因此能够获得较高的灵敏度。磁流体填充在微结构光纤内部，能够与光纤中传输的光波近距离作用，灵活性高，对磁场变化的响应速度更快，可在线应用。因此，本发明具有集成度高，灵敏度高，响应速度快的突出优点，是一种具备磁场测量在线应用潜力的设计方案。

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说　明　书　附　图

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图1

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说　明　书　附　图

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图2

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