基于光学微泡谐振腔的磁场与温度传感器

技术领域

本发明涉及精密测试技术，特别涉及一种基于光学微泡谐振腔的磁场与温度传感器。

背景技术

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。

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。

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。

发明内容

本发明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。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

在磁场与温度的作用下，磁流体的折射率变化为

n

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

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灵敏度也不同，其满足公式

Δλ

本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

本发明提供了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，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，可以同时进行磁场强度与温度的传感。该传感器的信号传递是使用光纤传播，因此本发明的传感器稳定性高，可以微型化，抗电磁干扰能力强，能同时进行磁场强度与温度双参数测量。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明示例性实施例所述的一种基于光学微泡谐振腔的磁场与温度传感器结构示意图，(a)主视图、(b)侧视图；

图2为本发明示例性实施例所述的进行耦合微泡谐振腔耦合的测试装置图；

图3为本发明示例性实施例所述的进行磁场传感时的装置图；

图4为本发明示例性实施例所述的一种基于光学微泡谐振腔的磁场与温度传感器得到的磁场变化的光谱图；

附图中：1-毛细石英管烧制的微泡，2-微纳光纤，3-磁流体，4-窄谱激光器，5-偏振控制器，6-磁场与温度传感器，7-数据采集卡，8-光电探测器，9-信号发生器，10-示波器。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明由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，以及磁流体3形成的磁场与温度传感器6。

微纳光纤2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2，直径约1-2um，微纳光纤2两端分别熔接上光纤跳线。

毛细石英管烧制的微泡1直径约为200um，壁厚约4um，微泡1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1。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。

如图2所示，在微泡1与微纳光纤2耦合的过程中，微泡1和微纳光纤2均通过载玻片与转接头与五维调节架相连，精准调节微泡1与微纳光纤2的相对距离与俯仰角，使其达到最佳耦合状态。微纳光纤2与微泡1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4，输出端连接光电探测器8后再连接上示波器10。通过信号发生器9向窄谱激光器4输入锯齿波信号，若微泡1与微纳光纤2未发生耦合，则在示波器10中得到的也是锯齿波信号，通过CCD摄像头观察微泡1与微纳光纤2的耦合状态，慢慢调整微泡1与微纳光纤2的距离与俯仰角，可以在示波器10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。

将磁流体3通过注射器注入微泡1内。将磁场与温度传感器6固定在台子上防止其晃动。在磁场与温度传感器6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1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。

如图3所示，本发明的测试装置如下：微纳光纤2两端分别为输出端和输入端，输入端先连接偏振控制器5，然后连接窄谱激光器4，输出端连接光电探测器8，光电探测器8再连接数据采集卡7。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2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2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2外围传输。当微泡1靠近微纳光纤2时，微纳光纤2中光的能量会耦合进微泡1中。

应用上述一种基于光学微泡谐振腔的磁场与温度传感器进行测量时，按照以下步骤操作：

将磁场与温度传感器6固定在台子上防止其晃动。在磁场与温度传感器6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1上。

光源发出的光通过微纳光纤2的输入端进入微纳光纤，耦合进微泡1中激发出回音壁模式，通过微纳光纤2的输出端连接到光电探测器8，光电探测器8的数据由数据采集卡7采集并记录。

在微泡1内全部是空气，打开窄谱激光器4，记录在微泡1内全是空气时的光谱，调节电源电压改变电磁铁产生的磁场强度H，记录不同的磁场强度下，微泡1内是空气时的光谱，排除外界因素的干扰。

取下磁场与温度传感器6，将水通入微泡1内，在显微镜下观察水填满。

将磁场与温度传感器6固定在台子上防止其晃动。在磁场与温度传感器6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1上。

打开窄谱激光器4，记录在微泡1内全是蒸馏水时的光谱，调节电源电压改变电磁铁产生的磁场强度H，记录不同的磁场强度下，微泡1内是蒸馏水时的光谱，排除外界因素的干扰。

取下磁场与温度传感器6，将磁流体3通入微泡1内，在显微镜下观察微泡1被填满。

打开窄谱激光器4，记录在微泡1内全是磁流体3时的光谱，调节电源电压改变电磁铁产生的磁场强度H，记录不同的磁场强度下，微泡1内是磁流体3时的光谱。

将数据采集卡7采集的数据拿出来分析，由于信号发生器9输出20Hz，0.5-2.5V的锯齿波信号，窄谱激光器4输出的是20Hz的随时间调制波长变化的1576nm附近变化的激光，在光谱图中，横坐标为时间，纵坐标为电压。根据波长与信号发生器9输出电压的关系，可以计算出横坐标时间对应的光的波长。如图4所示，图中三条曲线分别为磁场强度为4.5mT，5mT以及5.5mT时谐振峰波长偏移的光谱图。

在不同的磁场强度下，微泡1内是空气与蒸馏水的情况下，微泡1激发出的回音壁模式的谐振峰没有偏移。

在不同的磁场强度下，微泡1内是磁流体3的情况下，微泡1激发出的回音壁模式的谐振峰发生了明显偏移。通过不同的磁场强度变化对应的光谱中微泡1激发出的回音壁模式的谐振峰的偏移，可以计算出微泡1激发出的回音壁模式的谐振峰的偏移与磁场强度变化的关系。计算出谐振峰偏移与磁场强度的灵敏度。

将直流电源关闭，将磁场与温度传感器6放置在温控器上。

温控器的温度调节范围为10-55℃，将温度的变化设置为5℃为一步长，调节温控器的温度。

每调节一次温控器的温度，记录该温度下的光谱信息。

记录完一次温度循环后，开启直流电源。

通过直流电源调节电磁铁产生的磁场强度H，记录不同磁场强度H下每一次温度循环的微泡谐振腔的光谱信息。

读取在外界没有磁场时，通过不同的温度变化对应的光谱中微泡1激发出的回音壁模式的谐振峰的偏移，可以计算出微泡1激发出的回音壁模式的谐振峰的偏移与温度变化的关系。计算出谐振峰偏移与温度的灵敏度。

由于不同的谐振峰对于温度与磁场强度的灵敏度不同，计算出微泡谐振腔温度与磁场强度的灵敏度后，代入矩阵

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。词语第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序，可将这些词语解释为标识。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。