MF填充的基于Sagnac干涉仪的光子晶体纤维及相应磁场传感器制造技术

本发明专利技术属于传感器技术领域，公开了一种MF填充的基于Sagnac干涉仪的光子晶体纤维，包括完美匹配层、背景材料；背景材料内包裹空气孔，空气孔沿背景材料的内周呈正六边形周期分布，空气孔包括孔径依次增大的第一空气孔、第二空气孔、第三空气孔和第四空气孔，空气孔内均填充有磁流体；本发明专利技术还公开了一种磁场传感器，包括上述MF填充的基于Sagnac干涉仪的光子晶体纤维。本发明专利技术提供的MF填充的基于Sagnac干涉仪的光子晶体纤维具有高线性度和高稳定性，能够提高磁场传感器的灵敏度和检测范围。够提高磁场传感器的灵敏度和检测范围。够提高磁场传感器的灵敏度和检测范围。

【技术实现步骤摘要】
MF填充的基于Sagnac干涉仪的光子晶体纤维及相应磁场传感器


[0001]本专利技术属于传感器
，涉及一种光子晶体纤维结构，具体地说是一种MF填充的基于Sagnac干涉仪的光子晶体纤维及相应磁场传感器。

技术介绍

[0002]随着科技时代的不断发展，基于Sagnac干涉仪的光子晶体纤维（PCF）被广泛应用于光学传感探测等领域，成为一系列新的研究热点方向。光纤传感器件以其抗电磁干扰、高灵敏度、易于级联复用、设计自由度高等优势广泛应用于航空航天、电磁测量、电磁制动、军事、医疗等领域。
[0003]法拉第磁光效应是一种磁光效应，指当施加外加磁场时，介质内传输的线偏振光的偏振方向会旋转一个角度，其大小与磁场强度成正比，目前被广泛用于光通信领域，如光隔离器、光环形器等。利用法拉第磁光效应的磁场传感器分为偏振型和干涉型两种，其中偏振型直接测量偏振光在磁场中的角度变化来得到磁场强度，但是由于该角度很小，直接测量灵敏度和精度都不高；干涉型是将偏振角度的变化转变成相位的变化，可提高检测的灵敏度，如萨格奈克（Sagnac）干涉仪的两干涉光路完全相同，仅对非互易的磁光效应敏感，非常适用于磁场、电流传感器，因而吸引了许多研究人员进行用于磁场传感器的基于Sagnac干涉仪的光子晶体纤维设计方面的探索。
[0004]经过多年的研究和开发，磁场传感器实现了从低灵敏度到高灵敏度，从单功能到多功能，从复杂的结构和脆弱的不稳定到紧凑的结构的优化。如Mingjian Ma等人提出了一种基于Sagnac磁流体填充的磁场传感器，它是一种双核PCF磁场传感器，在中央的两个大气孔中填充磁流体（MF），外加不同强度的磁场观察其透射谱峰值的移动来检测其灵敏度，其最高灵敏度为709.9 pm/Oe。Qiang Liu等人提出了一种双核缺陷光纤磁场传感器，通过改变PCF长度、温度、磁场强度来观察其透射谱峰位置的变化来检测其PCF传感器的灵敏度，经测试后其最大灵敏度可达到900 pm/Oe，但它的检测范围只有50
‑
80 Oe，检测范围很小。
[0005]已有报道中的研究工作反映了基于Sagnac干涉仪的光子晶体纤维磁场传感器的许多突出优点，但它们同时也有着灵敏度差、检测范围小等缺点，从而限制了基于Sagnac干涉仪的光子晶体纤维磁场传感器的发展。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的，是要提供一种MF填充的基于Sagnac干涉仪的光子晶体纤维，以能够提高磁场传感器的灵敏度和检测范围；本专利技术的另一个目的，是要提供一种磁场传感器，应用有上述MF填充的基于Sagnac干涉仪的光子晶体纤维。
[0007]本专利技术为实现上述目的，所采用的技术方案如下：一种MF填充的基于Sagnac干涉仪的光子晶体纤维磁场传感器，它包括完美匹配
层，完美匹配层内设有背景材料，背景材料内包裹有空气孔，MF填充的基于Sagnac干涉仪的光子晶体纤维的横截面中空气孔沿背景材料的内周呈正六边形周期分布，其中，中心空气孔缺失构成芯区；所述空气孔包括孔径依次增大的第一空气孔、第二空气孔、第三空气孔和第四空气孔，空气孔内均填充有磁流体；正六边形周期分布的空气孔中，最内层空气孔形成的正六边形结构中上下两条相对的边为第一空气孔，其余边为第四空气孔；中间层空气孔形成的正六边形结构中上下两条相对的边为第二空气孔，其余边为第一空气孔；最外层的空气孔形成的正六边形结构均为第三空气孔。
[0008]作为限定，正六边形周期分布的空气孔嵌套布置有三层，最内层空气孔形成的正六边形结构的每一边上有两个空气孔，中间层空气孔形成的正六边形结构的每一边上有三个空气孔，最外层的空气孔形成的正六边形结构的每一边上有四个空气孔；最内层空气孔中的两个第四空气孔周围为十个第一空气孔。
[0009]作为进一步限定，所述第四空气孔的直径为8.0 μm，第三空气孔的直径为5.8 μm，第二空气孔的直径为5.0 μm，第一空气孔的直径为3.2 μm。
[0010]作为再进一步限定，其特征在于，相邻空气孔的中心距为6 μm。
[0011]作为第二种限定，所述磁流体为Fe3O4。
[0012]作为第三种限定，所述背景材料采用熔融石英。
[0013]本专利技术还提供了一种磁场传感器，所述磁场传感器包括有上述所述的MF填充的基于Sagnac干涉仪的光子晶体纤维，还包括宽带光源、光谱仪、3dB耦合器、偏振控制器、电磁铁、电源和磁场测量仪；所述3dB耦合器的输入端与宽带光源连接，3dB耦合器的输出端与光谱仪连接；MF填充的基于Sagnac干涉仪的光子晶体纤维的一端与3dB耦合器剩余的两个端口中的一个端口连接，另一端通过偏振控制器与3dB耦合器剩余的两个端口中的另一个端口连接，形成Sagnac环结构；所述MF填充的基于Sagnac干涉仪的光子晶体纤维的两侧设置有由电源供电的电磁铁，磁场测量仪用于检测电磁铁产生的磁场强度。
[0014]本专利技术由于采用了上述的技术方案，其与现有技术相比，所取得的技术进步在于：（1）本专利技术具有检测范围宽，灵敏度高的优势，同时结构简单易于制造，在未来的生产生活中起到了非常积极的作用；（2）本专利技术中第四空气孔的直径为8.0 μm，第三空气孔的直径为5.8 μm，第二空气孔的直径为5.0 μm，第一空气孔的直径为3.2 μm，相邻空气孔的中心距为为6 μm，通过控制光子晶体纤维的波导特性和其结构，又因为Sagnac干涉仪对折射率的变化极其敏感，具有高线性度和高稳定性，得到的磁场传感器在90
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240Oe磁场强度范围内，平均灵敏度达到685.71 pm/Oe和
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809.52 pm/Oe；在420
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570 Oe磁场强度范围内，平均灵敏度为达到659.05 pm/Oe和
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758.10 pm/Oe；（3）本专利技术的空气孔内均填充有磁流体，由于磁流体既具有液体的流动性又具有固体磁性材料的磁性，使得磁流体呈现许多特殊的磁、光、电现象，如法拉第效应、双折射效应和线二向色性等，本专利技术的磁场传感器利用了法拉第磁光效应的干涉原理。
[0015]综上所述，本专利技术提供的MF填充的基于Sagnac干涉仪的光子晶体纤维磁场传感器具有高线性度和高稳定性，能够提高磁场传感器的灵敏度和检测范围。
附图说明
[0016]图1所示为本专利技术实施例1的MF填充的基于Sagnac干涉仪的光子晶体纤维的截面示意图；图2所示为本专利技术实施例2中磁场传感器的结构示意图；图3所示为本专利技术实施例2空气孔内填充磁流体有效折射率和磁场强度的关系；图4所示为本专利技术实施例2的磁场传感器在填充磁流体浓度为25%时，不同磁场强度（90
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240 Oe）下透射与波长的关系；图5所示为本专利技术实施例2的磁场传感器通过线性拟合后的浸射波长与不同磁场强度（90
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240 Oe）的关系；图6所示为本专利技术实施例2的磁场传感器在填充磁流体浓度为16.7%时，不同磁场强度（420
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种MF填充的基于Sagnac干涉仪的光子晶体纤维，其特征在于，它包括完美匹配层，完美匹配层内设有背景材料，背景材料内包裹有空气孔，MF填充的基于Sagnac干涉仪的光子晶体纤维的横截面中空气孔沿背景材料的内周呈正六边形周期分布，其中，中心空气孔缺失构成芯区；所述空气孔包括孔径依次增大的第一空气孔、第二空气孔、第三空气孔和第四空气孔，空气孔内均填充有磁流体；正六边形周期分布的空气孔中，最内层空气孔形成的正六边形结构中上下两条相对的边为第一空气孔，其余边为第四空气孔；中间层空气孔形成的正六边形结构中上下两条相对的边为第二空气孔，其余边为第一空气孔；最外层的空气孔形成的正六边形结构均为第三空气孔。2.根据权利要求1所述的MF填充的基于Sagnac干涉仪的光子晶体纤维，其特征在于，正六边形周期分布的空气孔嵌套布置有三层，最内层空气孔形成的正六边形结构的每一边上有两个空气孔，中间层空气孔形成的正六边形结构的每一边上有三个空气孔，最外层的空气孔形成的正六边形结构的每一边上有四个空气孔；最内层空气孔中的两个第四空气孔周围为十个第一空气孔。3.根据权利要求2所述的MF填充的基于Sagnac干涉仪的光子晶体纤维，其特征在于，所述第四空气孔的直径为8.0 μm，...

【专利技术属性】
技术研发人员：范振凯，刘海山，张秀清，张晓明，周万珍，
申请(专利权)人：河北科技大学，
类型：发明
国别省市：