基于光学微泡谐振腔的磁场与温度传感器制造技术

本发明专利技术提供了一种基于光学微泡谐振腔的磁场与温度传感器。该磁场与温度传感器由封装在一起的毛细石英管烧制的微泡和微纳光纤，以及磁流体形成。微纳光纤的输入端连接窄谱激光器，输出端通过光电探测器连接数据采集卡。微纳光纤与微泡发生回音壁模式。磁性纳米颗粒沿着磁感线方向有序排列，进而调制磁流体的折射率。温度的变化会影响磁流体胶体中磁性纳米颗粒的运动速度，也会影响磁流体的折射率，因此光学微腔的谐振峰的波长会发生变化，通过谐振峰谐振波长的偏移量与磁场强度与温度的变化，可以进行磁场强度与温度的传感。由于该传感器的信号传递是使用光纤传播，因此本发明专利技术的传感器稳定性高，可以微型化，抗电磁干扰能力强。抗电磁干扰能力强。抗电磁干扰能力强。

【技术实现步骤摘要】
基于光学微泡谐振腔的磁场与温度传感器


[0001]本专利技术涉及精密测试技术，特别涉及一种基于光学微泡谐振腔的磁场与温度传感器。

技术介绍

[0002]光学微腔是一种重要的光子学器件，其具有高品质因数，极小的模态体积和极高的功率密度等优点。在传感器领域先输出了巨大的潜力。回音壁模式的光学微腔具有高灵敏度，结构简单，成本低，以及良好的分辨率等特点。特别是，基于中空光纤的微泡谐振器具有天然的流体通道，为光纤中光流体的高灵敏度传感提供了基础。
[0003]磁流体是一种由分散在表面活性剂涂层的磁性纳米颗粒和合适的液体载体中组成稳定的胶体。它具有固体磁性材料的磁性和液体的流动性的特点。外界磁场强度的变化和温度的变化都会调制磁流体的折射率，磁流体的磁光特性已被用于设计许多独特的光学器件，如光开关、光栅、可调谐光电容器等。
[0004]磁场是空间环境中的一个重要参数，它对仪器设备运行的影响不容忽视。因此，磁传感器被广泛应用于航空航天、医疗、电力系统等领域。大多数传统的磁场传感器都是基于磁和电之间的关系，容易受到电磁干扰，这限制了它们的应用范围。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对大多数传统的磁场传感器都是基于磁和电之间的关系，容易受到电磁干扰的问题，提出了一种基于光学微泡谐振腔的磁场与温度传感器。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0007]本专利技术提供的一种基于光学微泡谐振腔的磁场与温度传感器，由固定封装在一起的毛细石英管烧制的微泡和微纳光纤，以及磁流体形成。
[0008]微纳光纤的直径约1
‑
2um，其制备方法为：先取一段单模光纤，用剥线钳将其外部的聚合物层去掉3
‑
4cm，并用酒精擦拭干净。将光纤固定在步进电机的两个夹具上，点燃制氢机喷头上的氢氧焰，调整好氢氧焰与单模光纤的距离，启动步进电机。步进电机将会在预设的速度下将光纤匀速向两边拉伸，被氢氧焰加热的光纤变成熔融状态在拉力的作用下逐渐变长变细，最后形成微纳光纤，直径约1
‑
2um，微纳光纤两端分别熔接上光纤跳线。
[0009]毛细石英管烧制的微泡直径约为200um，壁厚约4um，微泡的制作方法如下：先取一段商用毛细石英管，先用酒精灯将毛细石英管的涂覆层烧掉，用酒精将毛细石英管上涂覆层的灰烬残留擦拭掉。将毛细管一端通过特氟龙管与注射器连接，另一端放置于光纤熔接机的放电区域，调整好放电参数后令电弧放电，毛细管端口放电受热熔融闭合。然后将石英管去掉涂覆层部分放置在光纤熔接机的放电区域，重新调整放电电流与放电时间等参数，在熔接机放电的同时，推动注射器向微腔加压。由于石英管一端熔融密封，在大气压的作用下，毛细管受放电加热的作用下膨胀成微泡。为了得到更薄的壁厚，可以在事先将氢氟酸溶液通入原始的石英毛细管中腐蚀，减小壁厚。
[0010]在微泡与微纳光纤耦合的过程中，微泡和微纳光纤均通过载玻片与转接头与五维调节架相连，精准调节微泡与微纳光纤的相对距离与俯仰角，使其达到最佳耦合状态。微纳光纤与微泡的赤道相互垂直放置，微纳光纤的两端分别熔接的光纤跳线一端作为输入端，一端作为输出端，输入端连接窄谱激光器，输出端连接光电探测器后再连接上示波器。通过信号发生器向窄谱激光器输入锯齿波信号，若微泡与微纳光纤未发生耦合，则在示波器中得到的也是锯齿波信号，通过CCD摄像头观察微泡与微纳光纤的耦合状态，慢慢调整微泡与微纳光纤的距离与俯仰角，可以在示波器观察到在锯齿波上出现很多下陷峰，此时微调五维调节台将透射谱的谐振峰调至Q值最高处。
[0011]为了使微泡谐振腔能抗干扰、便携稳固、使用寿命长，采用全密封法对其进行封装。封装材料为一种折射率接近于水的聚合物MY133，其折射率为1.33，对光吸收小，它在隔氧状态下被紫外灯照射才能固化。用MY133将微泡和脆弱的微纳光纤全包裹住，固化后的MY133形成保护层，能够隔绝外部环境(比如空气中的气流，灰尘和水)对耦合系统传感性能的干扰。而低折射率的MY133能够将光束缚在微腔内，不会引起光泄露。此外，封装后，微腔和微纳光纤形成稳定的整体，他们的相对位置和耦合状态保持不变，并且能够脱离笨重的五维调整架和光学平台，易于随身携带。
[0012]将磁流体通过注射器注入微泡内。将磁场与温度传感器固定在台子上防止其晃动。在磁场与温度传感器固定好后，在两边放置电磁铁，两边电磁铁的铁芯中心的轴线在微泡上。将两个电磁铁连接上直流电源。直流电源的电压输出为0
‑
30V，电流输出为0
‑
3A。在该直流电源下，电磁铁的磁场输出为0
‑
15mT。
[0013]微纳光纤两端分别为输出端和输入端，输入端先连接偏振控制器，然后连接窄谱激光器，输出端连接光电探测器，光电探测器再连接数据采集卡。
[0014]光源发出的光通过单模光纤进入腰椎区域，腰椎区域的微纳光纤的直径约为1
‑
2um，与光源发出的光波长1550nm波段相近，因此在微纳光纤传输的光有很大一部分能量会以倏逝波的形式在微纳光纤外围传输。当微泡靠近微纳光纤时，微纳光纤中光的能量会耦合进微泡中，当激光的波长满足，将会激发回音壁模式，为光的波长，R为微泡的外径，为回音壁模式微泡的有效折射率。
[0015]磁流体是由纳米级的四氧化三铁颗粒组成，当外界没有磁场时，磁性颗粒不表现出磁性，在磁流体中为胶体，四氧化三铁纳米颗粒做无序运动。当外界添加磁场时，磁性纳米颗粒会沿着磁感线方向有序排列，进而调制磁流体的折射率。温度的变化会影响磁流体胶体中磁性颗粒的运动速度，也会影响磁流体的折射率。
[0016]在磁场与温度的作用下，磁流体的折射率变化为
[0017][0018]n
s
是磁流体的饱和折射率，n
o
是没有磁场时磁流体的折射率，H是磁场强度，H
c,n
是磁流体的磁场强度临界值，T是温度，α＝μ/k
B
，其中μ是磁流体中磁性颗粒的磁矩，k
B
是玻尔兹曼常数。当外部磁场强度小于磁流体的磁场强度临界值H
c,n
时，外部的磁场强度不足以驱动磁性纳米颗粒，当外部磁场强度超过一定强度时，磁流体内部的磁性颗粒已经有序排列，再增加磁场强度H也不会再改变磁流体的折射率。
[0019]该传感器的传感原理就是基于微泡内磁流体折射率的变化。由于微泡谐振腔激发回音壁模式要满足以下条件mλ＝2πRn
eff
，磁流体的折射率和共振腔内的有效折射率会随外磁场的变化而变化，导致共振条件的变化，最终引起共振波长的偏移，共振波长的偏移Δλ可以表示为λ
res
为谐振波长，n
eff
是有效折射率，Δn
eff
是有效折射率的偏移。
[0020]外界的温度与磁场强度都能影响该传感器的光谱谐振峰发生偏移，同一谐振峰对于温度与磁场强度灵敏度不同，不同的谐振峰温度或磁场强度的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光学微泡谐振腔的磁场与温度传感器，其特征在于，所述磁场与温度传感器(6)包括：固定封装在一起的毛细石英管烧制的微泡(1)和微纳光纤(2)，以及微泡(1)内部的磁流体(3)；微纳光纤(2)的两端分别熔接的光纤跳线一端作为输入端，一端作为输出端，输入端连接窄谱激光器(4)，输出端连接光电探测器(8)后再连接上数据采集卡(7)，磁流体(3)通过注射器注入微泡(1)内。2.根据权利要求1所述的基于光学微泡谐振腔的磁场与温度传感器，其特征在于，所述微纳光纤(2)直径范围为1
‑
2um，所述微泡(1)直径为200um；壁厚为4um。3.根据权利要求1所述的基于光学微泡谐振腔的磁场与温度传感器，其特征在于，采用全密封法对微泡(1)与微纳光纤(2)进行封装。4.根据权利要求3所述的基于光学微泡谐振腔的磁场与温度传感器，其特征在于，封装材料为聚合物MY133，其折射率为1.33，对光吸收小，在隔氧状态下被紫外灯照射才能固化，用MY133将微泡(1)和微纳光纤(2)全包裹住，固化后的MY133形成保护层。5.根据权利要求3所述的基于光学微泡谐振腔的磁场与温度传感器，其特征在于，封装后，微泡(1)和微纳光纤(2)形成稳定的整体，相对位置和耦合状态保持不变。6.根据权利要求1所述的基于光学微泡谐振腔的磁场与温度传感器，其特征在于，所述磁场与温度传感器的传感原理是基于微泡(1)内磁流体(3)的折射率的变化，由于微泡(1)与微纳光纤(2)共同...

【专利技术属性】
技术研发人员：涂鑫，程可，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉，
类型：发明
国别省市：