一种光纤磁场传感器及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种光纤磁场传感器及其制备方法，包括：光纤和多个金刚石微柱；所述多个金刚石微柱位于所述光纤内部的一端；每个金刚石微柱均含有氮‑空位中心；利用该光纤磁场传感器测量磁场时，光纤中包含金刚石微柱的一端被置于待测量磁场的环境中，从光纤的另一端射入预设波长的激光，使得所述氮‑空位中心受激发射荧光；向所述光纤中包含金刚石微柱的一端发射预定频率范围的扫频信号，收集荧光，通过分析荧光的强度随着所述扫频信号频率的变化规律，确定待测量磁场的大小。本发明专利技术可以在光纤口集成更多的氮‑空位中心，灵敏度与样品中氮‑空位中心的数量有关，通过氮‑空位中心色心密度更大的金刚石微柱样品可以获得更高灵敏度的磁力计。

An optical fiber magnetic field sensor and its preparation method

The invention discloses an optical fiber magnetic field sensor and a preparation method thereof, which comprises: an optical fiber and a plurality of diamond micro columns; the plurality of diamond micro columns are located at one end inside the optical fiber; each diamond micro column contains a nitrogen \u2011 vacancy center; when using the optical fiber magnetic field sensor to measure a magnetic field, one end of the optical fiber containing a diamond micro column is placed in the environment of the magnetic field to be measured, and At the other end of the optical fiber, a laser with a preset wavelength is injected, so that the nitrogen \u2011 vacancy center is excited to emit fluorescence; a sweep signal with a predetermined frequency range is transmitted to one end of the optical fiber including the diamond micro column, and the fluorescence is collected, and the magnitude of the magnetic field to be measured is determined by analyzing the change rule of the fluorescence intensity with the sweep signal frequency. The invention can integrate more nitrogen \u2011 vacancy centers in the optical fiber port, the sensitivity is related to the number of nitrogen \u2011 vacancy centers in the sample, and the magnetometer with higher sensitivity can be obtained by the diamond micro column sample with higher density of nitrogen \u2011 vacancy center color center.

【技术实现步骤摘要】
一种光纤磁场传感器及其制备方法
本专利技术涉及微弱信号检测
，更具体地，涉及一种光纤磁场传感器及其制备方法。
技术介绍
高精度的弱磁测量技术是现代探测技术的重要组成部分，高精度弱磁探测技术被广泛应用于航空探潜、海洋监测、地水和水下铁磁物质的探测、地震预测、地磁匹配导航，航空设备精密无损监测以及医学上核磁共振监测等等领域。利用光纤实现磁探测的传感器有多种方案，有基于Mach-Zehnder干涉仪的光纤磁场传感器、基于Michelson干涉仪的光纤磁场传感器、基于Fabry-Perot干涉仪的光纤磁场传感器和光纤布拉格光栅(FiberBraggGrating，FBG)的磁场传感器等等。其中FBG是目前的应用和研究中最为广泛的一种，在光纤内部刻上布拉格光栅，使得入射激光会有一部分反射和透射，通过测量反射光的波长变化可以得到应力和温度的信息。但是磁感应强度本身是不能直接使光纤光栅产生变化的，所以一般是需要一个在磁场作用下应变发生变化的介质做辅助，这种介质就是磁致伸缩材料。在外磁场中这种材料的体积或长度会发生变化，称为磁致伸缩效应。将光纤黏附在磁致伸缩材料上或者在光栅表面涂上一层磁致伸缩材料，磁场会导致磁致伸缩材料的应变，从而引起光栅谐振波长的漂移，通过检测波长的变化实现对磁场的测量。由于光纤有体积小、可形变的优势，利用光纤可以在某些传统磁测量设备无法抵达的小空间内进行磁测量。中国科学院半导体研究所的张文涛教授在2018年发表的研究结果表明，利用Terfenol-D这种磁致伸缩材料与光纤光栅结合制备成的磁场传感器所能达到的磁场分辨率为3μT，可以用于微弱磁场测量。尽管3μT对于一些应用已经足够，但是在某些要求更高的领域则无法满足要求。例如对地磁的测量中，在地表附近的地磁强度在25μT-65μT，使用基于光纤的磁场传感器可以在一些传统传感器无法抵达的位置对地磁进行测量，但是其测量结果不太精确。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于解决光纤光栅磁场传感器灵敏度不足的技术问题。为实现上述目的，第一方面，本专利技术提供一种光纤磁场传感器，包括：光纤和多个金刚石微柱；所述多个金刚石微柱位于所述光纤内部的一端；每个金刚石微柱均含有氮空位中心；利用该光纤磁场传感器测量磁场时，光纤中包含金刚石微柱的一端被置于待测量磁场的环境中，从光纤的另一端射入预设波长的激光，使得所述氮空位中心受激发射荧光；向所述光纤中包含金刚石微柱的一端发射预定频率范围的扫频信号，收集在待测量磁场环境和所述扫频信号作用下所述氮空位中心受激发射的荧光，通过分析所述荧光的强度随着所述扫频信号频率的变化规律，确定待测量磁场的大小。可选地，所述光纤为多模光纤或单模光纤。可选地，所述扫频信号的扫频范围为2.8GHz-2.94GHz。第二方面，本专利技术提供一种光纤磁场传感器的制备方法，包括如下步骤：制备含有多个金刚石微柱的水溶液；其中，每个金刚石微柱均含有氮空位中心；将光纤的一端浸入所述水溶液；其中，所述光纤为空心；从光纤另一端抽气，使得所述水溶液被吸入所述光纤的一端；将一端吸入所述水溶液的光纤从所述水溶液中取出，烘干后得到光纤磁场传感器；利用该光纤磁场传感器测量磁场时，光纤中包含金刚石微柱的一端被置于待测量磁场的环境中，从光纤的另一端射入预设波长的激光，使得所述氮空位中心受激发射荧光；向所述光纤中包含金刚石微柱的一端发射预定频率范围的扫频信号，收集在待测量磁场环境和所述扫频信号作用下所述氮空位中心受激发射的荧光，通过分析所述荧光的强度随着所述扫频信号频率的变化规律，确定待测量磁场的大小。可选地，含有氮空位中心的金刚石微柱通过如下步骤得到：在含有氮空位中心的金刚石样品表面刻蚀出金刚石微柱，然后将刻蚀出的金刚石微柱从金刚石样品表面移除，得到含有氮空位中心的金刚石微柱；或将含有氮空位中心的块状金刚石样品进行轰爆得到微纳米级的金刚石颗粒，到含有氮空位中心的金刚石微柱；或对没有氮空位中心的纳米金刚石样品进行离子注入，使其形成氮空位中心，得到含有氮空位中心的金刚石微柱。可选地，当所述荧光的强度随入射激光的功率的变化而有明显变化，则认定所述金刚石微柱成功植入所述光纤的一端。可选地，所述扫频信号的扫频范围为2.8GHz-2.94GHz。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：本专利技术提供的光纤磁场传感器及其制备方法，可以在光纤口集成更多的氮空位中心，灵敏度与样品中氮-空位中心的数量有关，根据公式其中δB表征的是最小可探测磁场强度、gs是朗道因子、μB是波尔磁子常数，R是常数、η是探测效率、t是时间、表征系统相干时间、N表示自旋数量，而自旋由氮-空位中心提供。在给定的NV系统中，gs、μB、R、η、t、都是固定不变的，在氮-空位中心色心密度更大(N更大)的金刚石微柱样品可以获得更高灵敏度的磁力计(δB更小)，同时我们的方法可以提供更高的荧光收集效率。附图说明图1为本专利技术提供的金刚石中氮-空位中心的结构示意图；图2为本专利技术提供的氮-空位中心的能级结构示意图；图3为本专利技术提供的使用含有氮-空位中心的金刚石微柱与光纤耦合形成的探测器荧光收集示意图；图4为本专利技术提供的使用含有氮-空位中心的微纳米金刚石与光纤耦合形成的探测器荧光收集示意图；图5为本专利技术提供的光纤结合微波导线实现磁场测量示意图；图6为本专利技术提供的利用表面刻蚀微波导线的光纤结构实现磁场测量的示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。本专利技术要解决的是光纤光栅磁场传感器灵敏度不足的问题，提供了一种利用光纤和含有氮-空位中心的金刚石微柱、微纳米金刚石颗粒制造装置简单、探测头小巧、稳定性高、检测效率高，适用多种复杂环境的探测器的方法。本专利技术提出利用金刚石中的氮-空位中心(Nitrogen-vacancycenter，NVcenter)对磁场进行测量。氮-空位中心是金刚石晶格内的碳原子被氮原子取代后与相邻的碳空位组成的，结构图见图1，氮-空位中心主要是以NV0和NV-两种电荷状态存在，本申请中如果没有特别说明则氮-空位中心都指NV-。氮-空位中心的能级结构图见图2，若使用预设波长范围内的激光照射在氮-空位中心上，就可以将氮-空位中心的电子激发到激发态，当电子从激发态向下发生跃迁时会辐射出预定波长的光子，产生荧光效应，而如果电子通过图2右侧能级间接回到基态，则会发射出1024nm的光子。在不存在外磁场情况下，基态的|1>和|-1>态是简并的，他们与|0>态的能级差为2.87G本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光纤磁场传感器，其特征在于，包括：光纤和多个金刚石微柱；/n所述多个金刚石微柱位于所述光纤内部的一端；每个金刚石微柱均含有氮空位中心；/n利用该光纤磁场传感器测量磁场时，光纤中包含金刚石微柱的一端被置于待测量磁场的环境中，从光纤的另一端射入预设波长的激光，使得所述氮空位中心受激发射荧光；/n向所述光纤中包含金刚石微柱的一端发射预定频率范围的扫频信号，收集在待测量磁场环境和所述扫频信号作用下所述氮空位中心受激发射的荧光，通过分析所述荧光的强度随着所述扫频信号频率的变化规律，确定待测量磁场的大小。/n

【技术特征摘要】
1.一种光纤磁场传感器，其特征在于，包括：光纤和多个金刚石微柱；
所述多个金刚石微柱位于所述光纤内部的一端；每个金刚石微柱均含有氮空位中心；
利用该光纤磁场传感器测量磁场时，光纤中包含金刚石微柱的一端被置于待测量磁场的环境中，从光纤的另一端射入预设波长的激光，使得所述氮空位中心受激发射荧光；
向所述光纤中包含金刚石微柱的一端发射预定频率范围的扫频信号，收集在待测量磁场环境和所述扫频信号作用下所述氮空位中心受激发射的荧光，通过分析所述荧光的强度随着所述扫频信号频率的变化规律，确定待测量磁场的大小。


2.根据权利要求1所述的光纤磁场传感器，其特征在于，所述光纤为多模光纤或单模光纤。


3.根据权利要求1或2所述的光纤磁场传感器，其特征在于，所述扫频信号的扫频范围为2.8GHz-2.94GHz。


4.一种光纤磁场传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
制备含有多个金刚石微柱的水溶液；其中，每个金刚石微柱均含有氮空位中心；
将光纤的一端浸入所述水溶液；其中，所述光纤为空心；
从光纤另一端抽气，使得所述水溶液被吸入所述光纤的一端；
将一端吸入所述水溶液的光纤从所述水溶液中取出，烘干后得到光纤磁场传感器；利用该光纤磁场传感器测量...

【专利技术属性】
技术研发人员：龚牧桑，杨朋成，余民，蔡建明，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42