基于光纤及超材料的电磁波传感器制造技术

本发明专利技术涉及一种基于光纤及超材料的电磁波传感器，其包括吸波超材料、第一耦合器、第一光纤臂、第二光纤臂及第二耦合器；该吸波超材料吸收电磁波而改变自身的温度并将变化后的温度传导至第一光纤臂；该第一耦合器用以将光束分离为第一光束和第二光束；该第一光纤臂用于传导第一光束，第二光纤臂用于传导第二光束；当该吸波超材料温度发生变化使该第一光纤臂温度发生变化时，第一光束响应第一光纤臂的温度变化而变化相位；相位发生变化的该第一光束和该第二光束经所述第二耦合器产生干涉。本发明专利技术具有检测灵敏度高、体积小、结构简单、利于制作集成及不受电磁干扰的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种检测电磁波的传感器，尤其涉及一种基于光纤及超材料的电磁波传感器。
技术介绍
电磁波(又称电磁辐射)是由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动，其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面，有效的传递能量和动量。按照频率分类，从低频率到高频率，电磁波包括有无线电波、微波、太赫兹波、红外线、可见光、紫外光、X-射线和伽马射线等等。电磁波传感器是获取电磁波辐射信息的器件，现有的电磁波传感器通常由四个基本部分组成收集器负责收集目标辐射的电磁波能量，如天线，透镜组等；探测器主要用于将收集到的地磁波辐射能转变为化学能或电能，如光电管、光敏元件或热敏元件等；处理器对转换后的信号进行各种处理，如信号放大、变化或编码等；输出器输出信息的装置，如扫描摄像仪，阴极射线管等。然而，上述现有的电磁波传感器检测灵敏度低、体积大、结构复杂、不利于制作集成及容易受电磁干扰。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于，针对上述现有技术的不足，提出一种基于光纤及超材料的电磁波传感器，其检测灵敏度高、体积小、结构简单、利于制作集成及不受电磁干扰。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是，提出一种基于光纤及超材料的电磁波传感器，其包括吸波超材料、第一耦合器、第一光纤臂、第二光纤臂及第二耦合器；该吸波超材料吸收电磁波而改变自身的温度并将变化后的温度传导至第一光纤臂；该第一耦合器用以将光束分离为第一光束和第二光束；该第一光纤臂用于传导第一光束，第二光纤臂用于传导第二光束；当该吸波超材料温度发生变化使该第一光纤臂温度发生变化时，第一光束响应第一光纤臂的温度变化而变化相位；相位发生变化的该第一光束和该第二光束经所述第二耦合器产生干涉。进一步地，该吸波超材料包括具有两相对侧表面的基材，该两相对侧表面至少一侧表面上附着有多个人造微结构。进一步地,该基材两相对侧表面的一侧表面上附着有第一人造微结构，另一侧表面上附着有与该第一人造微结构对应的第二人造微结构；该第一人造微结构包括相互垂直而连接成“十”字形的两个第一金属分支，分别连接在该第一金属分支两端且垂直于该第一金属分支的第二金属分支；该第二人造微结构由一边具有缺口的四边形状的第三金属分支构成。进一步地，该人造微结构包括第一金属分支，该第一金属分支构成一边具有缺口的四边形状；一端设于该缺口相对的四边形边上并向该缺口延伸且突出该缺口的第二金属分支；垂直于该第二金属分支另一端的第三金属分支。进一步地，该基材为片状基材，该吸波超材料由附着有多个该人造微结构的该片状基材叠加而成。进一步地,该基 材由高分子聚合物、陶瓷、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制成。进一步地，多个该人造微结构为周期排列，并通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻、离子刻附着于该基材两相对侧表面至少一侧表面上。进一步地，该第一耦合器和第二耦合器为硅基二氧化硅平面光波导结构。进一步地，该第一光纤臂为中心阶跃折射率光纤臂或径向梯度折射率光纤臂。进一步地，该第二光纤臂为中心阶跃折射率光纤臂或径向梯度折射率光纤臂。综上所述，本专利技术通过将吸波超材料与光纤结合起来，因而能及时地感测吸波超材料将电磁波能量转化为热能所产生的温度变化，第二耦合器可精确地输出电磁波的功率变化信息，其具有检测灵敏度高、体积小、结构简单、利于制作集成及不受电磁干扰的优点。附图说明图I为本专利技术一种基于光纤及超材料的电磁波传感器原理框图；图2为本专利技术一种基于光纤及超材料的电磁波传感器吸波超材料第一实施方式立体结构示意图；图3、图4分别为图2所示吸波超材料的第一人造微结构和第二人造微结构的拓扑结构示意图；图5为本专利技术一种基于光纤及超材料的电磁波传感器吸波超材料第二实施方式立体结构示意图；图6为图5所示吸波超材料人造微结构拓扑结构示意图；图7为图6所示人造微结构分别响应电场和磁场的分解原理图；图8为本专利技术一种基于光纤及超材料的电磁波传感器与激光器、探测器及数据处理器配合时的结构示意图。具体实施例方式吸波材料是指能够将入射的电磁波能量转换为热能或其它形式的能量而耗散掉的一种材料。吸波材料的基本物理原理是材料对入射电磁波实现有效吸收，将电磁波能量转换并耗散掉，该材料应具备两个特性即阻抗匹配特性和衰减特性。阻抗匹配特性是指从自由空间入射到吸波材料表面的电磁波被吸波材料表面反射而形成的反射特性。理想的吸波材料要达到完美阻抗匹配特性时应使得从自由空间入射的电磁波在理想吸波材料表面形成零反射，即电磁波全部进入理想吸波材料内部。由于自由空间阻抗Z = 1，根据公式Z= 可知，当该吸波材料的相对介电常数e和相对磁导率ii相等时即可达到理想阻抗匹配特性。其中由于吸波材料存在损耗，所以相对介电常数e = e ’-j e ”，相对磁导率y=U’-jy”。衰减特性是指进入材料内部的电磁波产生损耗而被吸收的现象，损耗大小可用电损耗因子tan S e = e ” / e ’和磁损耗因子tan S m = ii ” / ii ’来表征。吸波材料吸收电磁波能量所产生的热能能改变材料自身的温度。吸波材料吸收电磁波时产生的热能大小由电磁波的功率所决定，其与电磁波的频率无关。因此在根据所要吸收电磁波的频率确定吸波材料整体的结构以后即能利用该吸波材料测定该电磁波的功率。目前常用的传统吸波材料有铁氧体、导电高聚物材料、碳纤维材料、炭黑等。此类传统吸波材料主要是利用不同物质的混合配比达到吸收一定频段电磁波的目的，此类传统吸波材料就需要针对不同频率的电磁波进行配比和实验，需要耗费极大的时间和成本。超材料是由具有一定图案形状的人造微结构按照特定方式周期排列于基材中而构成。人造微结构不同的图案形状和排列方式使得超材料具有不同的介电常数和不同的磁导率从而使得超材料具有不同的电磁响应。根据设计需要，超材料需要实现吸波功能。而 改变人造微结构的图案和排布方式也可改变吸波超材料所能吸收电磁波的频率。人造微结构的图案和排布方式所对应的电磁波频率可由计算机仿真得到，省去了传统吸波材料为适应电磁波频率的改变而需要配比不同物质的时间成本和人力成本，且超材料整体均采用常规材料制成、成本低廉。下面结合附图详细描述两种具有良好吸波性能和电磁参数调节方便、成本低廉的吸波超材料实施方式。请参阅图I至图4，其中，图I为本专利技术一种基于光纤及超材料的电磁波传感器的原理框图，其包括吸波超材料I、第一耦合器2、第一光纤臂3、第二光纤臂4及第二耦合器5。所述吸波超材料I包括具有两相对侧表面的基材10与周期附着于基材10两相对侧表面的第一人造微结构100和第二人造微结构200。所谓周期排列是指每一人造微结构所占据的基材表面空间尺寸应为所需响应电磁波波长的五分之一至十分之一。图2仅示出吸波超材料的一片层立体结构，整个吸波超材料由多个片层叠加而成。而采用此类方法构成吸波超材料可方便的调节人造微结构拓扑图案和尺寸，降低工艺难度。在基材表面上附着人造微结构的制造工艺有多种，例如蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻、离子刻等，其中蚀刻是较优的制造工艺，其步骤是在设计好合适的人造微结构的平面图案后，先将一张金属箔片整体地附着在基材上，然后通过蚀刻设备，利用溶剂与金属的化学反应去除掉人造微结构预设图案以外的箔片部分，余下的即可得到周期阵列排布的人造微结构。上述金属箔片的材质可本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于光纤及超材料的电磁波传感器，其特征在于：包括吸波超材料、第一耦合器、第一光纤臂、第二光纤臂及第二耦合器；该吸波超材料吸收电磁波而改变自身的温度并将变化后的温度传导至第一光纤臂；该第一耦合器用以将光束分离为第一光束和第二光束；该第一光纤臂用于传导第一光束，第二光纤臂用于传导第二光束；当该吸波超材料温度发生变化使该第一光纤臂温度发生变化时，第一光束响应第一光纤臂的温度变化而变化相位；相位发生变化的该第一光束和该第二光束经所述第二耦合器产生干涉。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘若鹏，徐冠雄，
申请(专利权)人：深圳光启高等理工研究院，深圳光启创新技术有限公司，
类型：发明
国别省市：