一种基于光学微腔的超灵敏度磁场传感器制造技术

本发明专利技术提供了一种基于光学微腔的超灵敏度磁场传感器。由固定封装在一起的微纳光纤、微管和磁流体而成光学微腔，微纳光纤环绕微管外壁一周，微管内部中空封装有磁流体，微纳光纤输入、出端分别连接宽谱光源和光谱分析仪，微纳光纤缠绕在微管外壁一圈并交叉重叠形成重叠区；电磁波由宽谱光源发出，经微纳光纤传输至光学微腔，再经微纳光纤输出至光谱分析仪。本发明专利技术中设置了将微纳光纤围绕微管一圈的结构，大大增加了电磁波与磁流体的接触，从而使其具有更高的灵敏度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于光学微腔的超灵敏度磁场传感器
本专利技术涉及一种基于光学微腔的超灵敏度磁场传感器，具有极高灵敏度。
技术介绍
光学微腔是一种重要的光子学器件，具有高品质因数和小模式体积的优点，在基础和应用领域受到广泛关注，例如腔量子电动力学、非线性光学、极低阈值微腔激光器、高灵敏度传感器等。具有回音壁谐振模式的光学微腔传感器体积小、灵敏度高、探测极限低，而且能对生物化学分子实现无标记检测，检测可信度高，非常具有实用价值。磁流体是将包裹上表面活性剂的强磁性颗粒均匀分散在合适载液中所形成的一种稳定胶体溶液。作为一种新的功能性材料，磁流体有很多独特的磁光特性，如可调折射率特性、热透镜效应、法拉第效应、双折射效应、磁致伸缩效应等。磁流体的这些性质已经被开发应用到很多光学器件中，比如说滤光镜、可调光学开关、磁光调制器等等。诸多性质之中，可调谐折射率特性的应用最为广泛，利用这一特性制作的光学器件和实现的传感方案越来越多。如果将回音壁模式光学微腔的高灵敏度特性和磁流体的可调谐折射率特性相结合，那么即可实现高灵敏度的磁场传感。其基本原理如下：光学微腔置于待测磁场下，在外加磁场的作用下，磁流体的折射率发生变化，即实现了整个装置的作为滤波器的调谐，最终导致输出光信号的谐振波长发生变化，通过对输出信号进行解调便可检测待测磁场的信息。
技术实现思路
本专利技术针对目前磁场传感器灵敏度不高的问题，提出了一种基于光学微腔的具有极高灵敏度的磁场传感器。本专利技术采用的技术方案如下：本专利技术包括固定封装在一起的微纳光纤、微管和磁流体而形成的光学微腔，光学微腔将磁场信号转化为光信号，微纳光纤缠绕在微管的外壁，并引出两端分别作为输入端和输出端，微管的内部中空封装有磁流体，微纳光纤的输入端和输出端分别连接宽谱光源和光谱分析仪，微纳光纤缠绕在微管外壁并形成重叠区，重叠区位于上方的微纳光纤为输入段，重叠区位于下方的微纳光纤为输出段，输入段和输出段形成重叠区；电磁波由宽谱光源发出，经过微纳光纤传输至重叠区，输入段中的电磁波一部分直接耦合至输出段，另一部分继续沿微纳光纤传播，在谐振腔内谐振后再到达输出段，叠加后的电磁波最终输出至光谱分析仪。所述的微纳光纤的一圈缠绕在微管的外壁，一圈的输入端和输出端存在交叉重叠缠绕微管外壁的部分，并作为重叠区，重叠区的输入端和输出端的微纳光纤上下紧贴布置。所述的微管为筒体结构，磁流体填充在筒体中，微管管壁和磁流体之间没有任何气泡或间隙。所述的微纳光纤、微管和磁流体外面通过固化胶包裹固化，且固化胶折射率比所述微纳光纤纤芯的折射率小。将重叠区与微管完全封装固定的封装技术中，固化方法不仅限于紫外固化方法。所述的微纳光纤横截面为圆形，直径在微米量级；微管的横截面为环形，管壁厚度在微米量级。所述的重叠区长度根据光源波长、微管管壁及磁流体的参数优化计算获得。进一步的，光学微腔的原理为：(1)所述回音壁模式的光学微腔是一个滤波器，波长满足一定条件的电磁波更容易通过该结构并继续传播到光谱分析仪中，形成相应的频谱；(2)光学微腔当中装的磁流体的折射率与外界的磁场大小有关，由于电磁波被耦合到光学微腔中，能通过微腔的电磁波的频谱会随着磁流体折射率的改变而发生一对一的变化，即相对于原来的频谱(不加磁场)发生一定的偏移，于是，磁场信息便被整合到了电磁波的频谱当中了，通过观察频谱，便能推算出所加磁场的大小。微纳光纤紧密绕微管一周后，微纳光纤的重叠区的长度设定为某个特定值，从而使电磁波的耦合状态最佳。由于这是一个十分微小(微米量级)精密的器件，任何污渍或灰尘都会损坏其功能，因此，将该结构完全浸入到还未固化的液态固化胶中，然后用紫外线照射使固化胶固化，以防止其被污染或侵蚀，同时也能使其相对位置保持固定。因此，磁流体和固化胶的折射率须比微纳光纤的纤芯的折射率小，从而使电磁波限制在微纳光纤中传播而不逃散。本专利技术的有益效果为：本专利技术将光学微腔的滤波性质与磁流体的可调折射率特性相结合，充分利用了光学微腔的高品质因数和磁流体的高磁场敏感性的优势，并且采用了将微纳光纤绕光学微腔一周且重叠区长度特定的特殊结构，从而能够制作出具有极高灵敏度的磁场传感器。附图说明图1为本专利技术的整体模块框图。图2为本专利技术中光学微腔的结构示意图(包上固化胶前)。图3为本专利技术中光学微腔的结构示意图(包上固化胶后)。图中，1.宽谱光源，2.微纳光纤，3.重叠区，4.微管，5.磁流体，6.固化胶，7.光谱分析仪，8.输入段，9.输出段。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明。如图1所示，本专利技术包含三个模块：宽谱光源1，光学微腔和光谱分析仪7，宽谱光源1的输出口用微纳光纤2连接到光学微腔，光学微腔用于将磁场信号转化为光信号，然后再连接到光谱分析仪7的输入口。如图2所示，光学微腔包括固定封装在一起的微纳光纤2、微管4和磁流体5，微纳光纤2缠绕在微管4的外壁，并引出两端分别作为输入端和输出端，微管4的内部中空封装有磁流体5，微纳光纤2的输入端和输出端分别连接宽谱光源1和光谱分析仪7，微纳光纤2缠绕在微管4外壁并形成重叠区3，重叠区3位于上方的微纳光纤2为输入段8，重叠区3位于下方的微纳光纤2为输出段9。电磁波的宽谱光线由宽谱光源1发出，经过微纳光纤2传输至重叠区3，输入段8中的电磁波一部分直接耦合至输出段9，另一部分继续沿微纳光纤2传播，在谐振腔内谐振后再到达输出段9，叠加后的电磁波最终输出至光谱分析仪7。微纳光纤2的一圈缠绕在微管4的外壁，一圈的输入端和输出端存在重叠缠绕微管4外壁的部分，并作为重叠区3，重叠区3的输入端和输出端的微纳光纤2上下紧贴布置。微管4为筒体结构，磁流体5填充在筒体中，微管4管壁和磁流体5之间没有任何气泡或间隙；微管4的横截面为环形，微管4的外径可用但不仅限于120um，壁厚可用但不仅限于4um。微纳光纤2横截面为圆形，直径可用但不仅限于300nm。微纳光纤2、微管4和磁流体5外面通过固化胶6包裹固化，固化胶6固化前为液态，固化后为固态，且固化胶6折射率比微纳光纤2纤芯的折射率小。本专利技术的具体实施过程如下：先采用以下方式构造光学微腔：在微管3中用试管吸入磁流体4，此时磁流体4充满于微管3内腔，用密封胶将微管3两端封口，将微纳光纤2紧密地绕微管3一周，并有部分微纳光纤2重叠缠绕形成重叠区3，如图2所示。接着在上述结构表面覆上起保护功能的固化胶5，将整个上述结构浸入到液态的固化胶5当中，然后用紫外线照射使其固化，获得如图3所示。光学微腔置于待测磁场内，由宽谱光源产生的稳定均匀的宽谱电磁波经由微纳光纤传播到光学微腔中，光学微腔能将外界的磁场信息整合到通过该装置的电磁波中，然后该经过加工的电磁波继续经由微纳光纤传播到光谱分析仪中，通过分析光谱分析仪中的电磁波频谱，能够得到相应的磁场大小。经实验分析，该磁场传感器的灵敏度可达约800nm/RIU。由此可见，本专利技术将充分利用了光学微腔的高品质因数和磁流体的高磁场敏感性的优势，采用了所述的特定特殊结构，形成的磁场传感器具有极高灵敏度，具有突出显著的技术效果。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于光学微腔的超灵敏度磁场传感器，其特征在于：包括固定封装在一起的微纳光纤(2)、微管(4)和磁流体(5)而形成的光学微腔，光学微腔将磁场信号转化为光信号，微纳光纤(2)缠绕在微管(4)的外壁，并引出两端分别作为输入端和输出端，微管(4)的内部中空封装有磁流体(5)，微纳光纤(2)的输入端和输出端分别连接宽谱光源(1)和光谱分析仪(7)，微纳光纤(2)缠绕在微管(4)外壁并形成重叠区(3)，重叠区(3)位于上方的微纳光纤(2)为输入段(8)，重叠区(3)位于下方的微纳光纤(2)为输出段(9)；电磁波由宽谱光源(1)发出，经过微纳光纤(2)传输至重叠区(3)，输入段(8)中的电磁波一部分沿微纳光纤(2)继续传导，一部分直接耦合至输出段(9)，叠加而成的电磁波最终输出至光谱分析仪(7)。

【技术特征摘要】
1.一种基于光学微腔的超灵敏度磁场传感器，其特征在于：包括固定封装在一起的微纳光纤(2)、微管(4)和磁流体(5)而形成的光学微腔，光学微腔将磁场信号转化为光信号，微纳光纤(2)缠绕在微管(4)的外壁，并引出两端分别作为输入端和输出端，微管(4)的内部中空封装有磁流体(5)，微纳光纤(2)的输入端和输出端分别连接宽谱光源(1)和光谱分析仪(7)，微纳光纤(2)缠绕在微管(4)外壁并形成重叠区(3)，位于重叠区(3)上方的微纳光纤(2)为输入段(8)，位于重叠区(3)下方的微纳光纤(2)为输出段(9)；电磁波由宽谱光源(1)发出，经过微纳光纤(2)传输至重叠区(3)，输入段(8)中的电磁波一部分沿微纳光纤(2)继续传导，一部分直接耦合至输出段(9)，叠加而成的电磁波最终输出至光谱分析仪(7)；所述的微纳光纤(2)的一圈缠绕在微管(4)的外壁，一圈的输入端和输出端存在重叠缠绕微管(4)外壁的...

【专利技术属性】
技术研发人员：李宇波，华飞，王俊伟，毛达鹏，魏兵，王曰海，杨建义，郝寅雷，周强，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33