[实用新型]基于法拉第旋光效应的光纤矢量弱磁场传感器

说明书

本实用新型公开基于法拉第旋光效应的光纤矢量弱磁场传感器，包括：输入部、分束区域、传感区域；输入部包括两个输入光纤、两个输入光纤空间光准直器；两个输入光纤分别与两个输入光纤空间光准直器对应连接；分束区域包括两个偏振立方晶体分束器、吸光片；两个偏振立方晶体分束器分别与两个输入光纤空间光准直器对应连接；吸光片贴合于偏振立方晶体分束器的出射光面；传感区域包括分别为设于Y轴、Z轴、X轴方向上的三个传感部，三个传感部，分别与偏振立方晶体分束器连接。本实用新型能够有效改善磁场三维机械校准误差，进而解决了矢量磁场传感器的三维非正交问题，结构紧凑，同时实现了高灵敏度磁场传感功能。

技术领域

本实用新型涉及光纤磁场传感器技术领域，特别是涉及基于法拉第旋光效应的光纤矢量弱磁场传感器。

背景技术

磁场传感器在地球物理勘测、导航、军事装备应用、生物医学传感、航空航天领域都具有重要的应用价值。随着人机交换、生物成像、无人监测、工业智能制造等应用领域的发展，对磁场传感器提出了高灵敏度、高集成度、高监测精度、可穿戴、低成本、小型化、三维矢量传感等新的应用需求。而现有的商用磁场传感器，大多是基于霍尔效应、磁通门、巨磁阻式、超导量子干涉等的电学式传感器，该类型磁场传感器或多或少存在结构复杂、测试动态范围有限、需温控保护、易受电磁干扰等问题，难以满足特殊环境(如水下，人体穿戴等)的弱磁探测应用需求。

各类型光纤传感器具有制作简单、成本低、灵敏度高、体积小、结构紧凑轻便、便于集成复用、可实现多参量原位传感等优点，这也为新型磁场监测系统研制提供了可选择的技术方案，并已涌现了大量研究成果。目前，光纤磁场传感器主要有法拉第效应型、磁致伸缩效应集成型和折射率调控磁流体集成型等。其中，折射率调控磁流体集成型光纤磁场传感器主要是利用磁流体的磁致折射率调控效应实现光场调控，从而实现磁场传感。但现有磁流体集成型光纤磁场传感器大多存在灵敏度较低、易受环境温度变化影响、探头结构化设计不紧凑等问题，这限制了其探测能力和可穿戴性能，因此难以满足医学成像、磁异常探测等弱磁应用环境的测试需求。磁致伸缩效应集成型光纤磁场传感器主要是利用磁致伸缩材料的磁致应变调控效应光场调控，进而实现磁场传感功能。该类型磁场传感器灵敏度受限于磁致伸缩材料的弱磁响应特性，目前只能达到pt量级的弱磁测试能力。此外，磁致伸缩效应集成型光纤磁场传感器在测量某一方向磁场时会受到与其垂直方向的磁场串扰，进而引起交叉响应，造成一维方向上的磁场测量误差，进而限制该类型传感器的灵敏度和磁场测量动态范围。因此，要实现高灵敏度三维矢量传感，该类型磁场传感器还需要解决传感器结构不够紧凑、三维校准精度不高、磁场测试正交串扰、需外加温控反馈控制等问题。

值得注意的是，以自旋转换无弛豫原子磁力仪、光泵浦磁力仪等为代表的全光式磁场传感器，能够在室温下实现高灵敏度磁场传感，而全光磁探仪的探测极限主要由散粒噪声决定，因此能够实现fT级的高灵敏度弱磁探测响应能力。但自旋转换无弛豫原子磁力仪目前还存在时间分辨率低、结构复杂等问题，而光泵浦磁力仪则还需进一步压缩体积以满足便携式医学传感应用需求。而基于法拉第旋光效应的磁场传感器同样为全光式磁探仪，其主要是利用具有磁致旋光效应的磁光材料调控光场(即光场通过磁光材料时，线偏振光的偏振方向会发生偏转)。当前，通过将磁光材料掺杂到光纤纤芯或制作成膜片集成到光纤端面上，可以制作出各种基于法拉第旋光效应的光纤磁场传感器。该类型磁场传感的灵敏度主要由磁光材料的Verdet系数(旋光系数)决定。

目前，磁光(MO)材料已被广泛应用于光隔离器、磁场传感器和通信系统等。随着材料科学和纳米加工工艺的进步，一些低噪声、高 Verdet系数的磁光材料被研制出来，因此可实现非常高的法拉第旋光系数，并被用于磁场传感器增敏。例如：磁性纳米颗粒(NP)复合材料在不同的基质(如有机基质)中可表现出高灵敏度磁光响应特性。而在这些纳米粒子中掺杂稀土元素，比如镧离子，可以进一步增加它们的Verdet系数。利用这些特种磁光材料开发成光纤磁场传感器，可以实现fT量级的高灵敏度磁场传感。鉴于此，将具有高Verdet系数的特种材料应用于光纤磁场传感器是一种可行的方案。