[实用新型]一种基于镀银倾斜光纤光栅包覆磁流体的磁场传感器

说明书

技术领域

本实用新型属于光纤磁场传感技术领域，具体涉及一种基于镀银倾斜光纤光栅包覆磁流体的磁场传感器。

背景技术

光纤磁场传感技术主要致力于弱磁性目标探测，服务于实际的工程和军事应用。按照感应机理的不同，光纤磁场传感器可分为悬臂梁-光纤光栅结构的磁场传感器，基于磁致伸缩材料的光纤磁场传感器和基于磁流体的光纤磁场传感器等不同类型。

表面等离子共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)现象是金属和电介质分界处入射光场在满足能量与动量匹配的条件下，激发金属表面自由电子形成表面等离子体波的一种物理光学现象。SPR传感技术在生命科学、医疗检测、环境监测以及法医鉴定等领域具有广泛的应用需求。

倾斜光纤光栅(tilted fiber Bragg grating，TFBG)能够反射一部分光场进入包层，在TFBG表面镀上活性金属薄膜(如Au，Ag等)以后，包层模以不同角度入射到包层与金属膜的分界面，满足表面等离子共振条件而激励表面等离子体波。这种方式不像传统的衰减全反射(如Kretschrnann棱镜结构)需要改变光场的入射方向，也降低了对包层厚度的控制要求。

发明内容

针对现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种基于镀银倾斜光纤光栅包覆磁流体的磁场传感器。创新地将蝶形锥与镀银倾斜光纤光栅级联，外磁场调谐磁流体的折射率引起表面等离子共振条件改变，反射谱中的共振峰发生漂移，由此构成一种结构新颖的高灵敏度光纤磁场传感器。该设计具有结构紧凑，灵敏度高，实时，快速的突出优点，是一种较优的设计方案。

本实用新型通过以下技术方案实现：一种基于镀银倾斜光纤光栅包覆磁流体的磁场传感器，其特征在于：由宽带光源(1)，偏振控制器(2)，光纤环行器(3)，单模光纤(4)，蝶形锥(5)，倾斜光纤光栅(6)，银膜(7)，毛细管(8)，磁流体(9)，环氧树脂(10)，磁场发生器(11)和光纤光谱仪(12)组成；宽带光源(1)通过偏振控制器(2)与光纤环行器(3)的a端口相连，光纤环行器(3)的b端口与单模光纤(4)的左端相连；单模光纤(4)，蝶形锥(5)，倾斜光纤光栅(6)依次连接，倾斜光纤光栅(6)包层外均匀镀有银膜(7)，一起置于毛细管(8)的轴心处；毛细管(8)内部填充磁流体(9)，两端用环氧树脂(10)密封，置于磁场发生器(11)的中部；光纤环行器(3)的c端口与光纤光谱仪(12)相连。

所述的蝶形锥(5)的锥区直径为70μm～80μm，锥区长度为90μm～95μm，球形纤芯半径为20μm～25μm。

所述的倾斜光纤光栅(6)的有效倾斜角度为10°～12°，栅区长度为10mm～12mm，栅区前端与蝶形锥(5)中心的距离为5mm～10mm。

所述的银膜(7)的膜厚为50nm～60nm，镀膜长度为30mm～80mm。

所述的磁流体(9)的密度为1.8g/cc，饱和磁化强度为220Gauss，纳米磁性颗粒的平均直径为10nm。

本实用新型的工作原理是：宽带光源(1)经过偏振控制器(2)产生一束偏振光从光纤环行器(3)的a端口入射，沿b端口出射，经单模光纤(4)和蝶形锥(5)进入倾斜光纤光栅(6)。倾斜光纤光栅(6)中倾斜的栅面改变了光场耦合条件，在包层内激励出一系列与波长有关的包层模发生反向传输。在倾斜光纤光栅(6)的表面均匀镀上一定厚度的银膜(7)，以不同角度入射到包层-银膜(7)分界面的包层模满足耦合表面等离子的能量与动量匹配条件，其倏逝波激发银膜(7)表面自由电子产生表面等离子共振。包层模进一步被蝶形锥(5)回收，经单模光纤(4)返回光纤环行器(3)的b端口，从c端口被光纤光谱仪(12)接收和解调。当磁流体(9)的折射率跟随外界磁场强度发生变化，引起表面等离子共振条件改变，反射谱中的共振峰峰值波长发生漂移，监测波长漂移量解调出外界磁场强度信息。

利用毛细管(8)将磁流体(9)包覆在光纤表面，环氧树脂(10)起到密封作用。磁场发生器(11)用于产生恒定的磁场并实时读取强度数值以进行标定。

倾斜光纤光栅(6)的倾斜角度和有效光栅周期决定相位匹配条件，Bragg模和各阶包层模满足的相位匹配条件分别为

λ_Bragg＝2n_eff，core*Λ/cos(θ)(1)

Λ＝Λ_T*cos(θ)(3)