[发明专利]基于金属包覆磁流体波导的微小磁场传感器及测量系统

说明书

技术领域

本发明属于精密测量技术领域，具体涉及一种基于金属包覆磁流体波导的微小磁场传感器及其测量系统。

背景技术

磁流体也称为铁磁流体或磁液。它是由纳米级的强磁性颗粒高度弥散在某种液体之中所形成的稳定的胶体体系。这种液体在外磁场的施加会导致磁流体内磁颗粒的运动，磁动量，产生磁纳米粒子的聚集。因此，流体的水性、磁性、光学性质都可以通过外加磁场进行有效的调节。

近年来，磁流体由于其良好的磁光特性被广泛研究，特别是磁致双折射、二向色性、磁场可调的折射率被广泛应用于各种功能性光学仪器中，例如传感器、开光、调制器以及光子晶体光纤等等。另外一方面，从理论观点来看，对磁流体的研究不是一件小事。作为典型的偶极子流体，对磁流体中微结构在有磁场和无磁场的情况下相位的运动的研究是十分有意义的。

磁流体的磁光现象，特别是关于磁流体薄膜在外磁场的作用下透过率的问题受到了广泛的关注。然而，由于实验的精确性，很少有文献提到超稀浓度的磁流体在微小磁场作用下的实验研究，但这对于含少数永偶极矩粒子微结构的形成具有重要的指导意义。

经过对现有技术的文献检索发现，H.Horng等人在《Optics letters》VOL.30(5),543-545(2005).上发表“Designing optical-fiber modulators by using magnetic fluids”（利用磁流体设计光纤调制器VOL.30(5),543-545(2005)）一文中，利用磁流体的磁光特性实现光纤调制器。文中技术表明浓度为0.85emu/g的水基磁流体的折射率在外磁场大于一定的强度才会改变（约为22Oe）。但是该技术对微小磁场（小于22Oe）的区域没有做细致研究。检索还发现，J.Dai等人在《Optical Fiber Technology》Vol.17,210-213(2011)上发表，Magnetic field sensor based on magnetic fluid clad etched fiber Bragg grating（基于磁流体覆盖层的布拉格光纤光栅的磁场传感器Vol.17,210-213(2011)）一文中，通过改变垂直于布拉格光纤光栅轴向的外磁场的大小，利用反射布拉格波长发生改变进行磁场传感。该技术测量的最小磁场强度为50Oe（磁场强度单位，奥斯特）。这两种技术都有优点，但是它们都有不足：测量磁场的精度不够，磁流体样品浓度高等。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种基于金属包覆磁流体波导的微小磁场传感器。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案如下。

一种基于金属包覆磁流体波导的微小磁场传感器，包括金属包覆磁流体波导结构和平台，所述金属包覆磁流体波导结构固定在所述平台上；所述金属包覆磁流体波导结构包括金属耦合层、上层光学玻璃片、金属衬底层和下层光学玻璃片，所述金属耦合层沉积在所述上层光学玻璃片上，所述金属衬底层沉积在所述下层光学玻璃片上，所述上层光学玻璃片和所述金属衬底层之间设置有样品室，所述样品室内注有纳米磁流体；上层光学玻璃片、充满纳米磁流体的样品室形成导波层。

进一步地，所述上层光学玻璃片和所述金属衬底层之间设置有一玻璃板，所述样品室为所述玻璃板上设置的圆形孔，所述玻璃板的侧壁上设置有与所述样品室相连通的进样通道，所述上层光学玻璃片、下层光学玻璃片和玻璃板通过光胶粘接成一体，纳米磁流体可通过所述进样通道注入到样品室。

进一步地，所述纳米磁流体颗粒为平均粒径为10nm的Fe₃O₄。

进一步地，所述纳米磁流体颗粒的体积百分比浓度＜6.46×10^-3%。

进一步地，所述金属耦合层和所述金属衬底层由金或银制成。

进一步地，在光频范围内，所述金属耦合层和所述金属衬底层的介电常数实部ε_r＜-8.0，其介电常数虚部ε_i＜15.0。

进一步地，所述金属耦合层的厚度为20-40nm，所述金属衬底层的厚度≥100nm，所述样品室的厚度为0.5mm-0.7mm。

进一步地，所述上层光学玻璃片和所述下层光学玻璃片的折射率均为1.507，所述上层光学玻璃片的厚度为0.3mm，所述下层光学玻璃片的厚度为1mm。