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CN106772133B - 一种基于微纳光纤的空间磁场传感器及其制作方法 - Google Patents

一种基于微纳光纤的空间磁场传感器及其制作方法 Download PDF

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CN106772133B CN201611072437.1A CN201611072437A CN106772133B CN 106772133 B CN106772133 B CN 106772133B CN 201611072437 A CN201611072437 A CN 201611072437A CN 106772133 B CN106772133 B CN 106772133B
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Abstract

本发明涉及一种基于微纳光纤的空间磁场传感器及其制作方法，该基于微纳光纤的空间磁场传感器至少包括：微纳光纤（1）和磁光玻璃薄片（2），所述的微纳光纤（1）由单模光纤（4）通过熔融拉锥工艺制成两端直径不变，中间为微纳量级的腰区结构，将制的中间为微纳光纤（1）的腰区与磁光玻璃薄片（2）通过光学胶（3）黏贴制成波导耦合结构。本发明的结构紧凑、体积微小、无光路耦合环节，同时还具有较高磁场测量灵敏度。

Description

一种基于微纳光纤的空间磁场传感器及其制作方法
技术领域
本发明所属电磁测量与传感领域，特别涉及一种基于微纳光纤的空间磁场传感器及其制作方法。
背景技术
空间磁场检测技术在电力系统电网状态监测、电力设备故障诊断以及电磁兼容等一系列电网运行过程中发挥着至关重要的作用。传统磁场测量方法主要基于电学原理与方法。典型代表为电磁感应法和霍尔效应法。这类方法大部分使用金属导体或有源半导体作为传感探头，不仅造成系统的电气安全性较差，同时金属探头本身会对被测磁场的分布产生干扰，产生测量误差。
与传统的电子式磁场测量方法相比，光学磁场传感器由于利用光信号进行传感和传输，因此具有很强的抗电磁干扰能力，本质绝缘，电气安全性高，避免了电磁式传感器复杂的绝缘结构。此外，光学磁场传感器还具有测量范围大、频率响应范围宽、体积小、重量轻等技术优势，近年来受到了国内外研究者的广泛关注。
目前光学磁场传感器主要有基于磁致伸缩效应、磁流体磁光效应以及法拉第效应的磁场传感器。其中，基于法拉第效应的磁场传感器当前最典型，最具代表性的一类光学磁场传感器，其基本原理是依据磁光材料的法拉第效应。按照传感探头不同，可以分为块状材料型光学磁场传感器和全光纤磁场传感器。磁光块状玻璃材料的费尔德常数较高，因此，传感器的测量灵敏度较高。主要缺点是块状玻璃体积较大、加工难度高，且在结构上存在较多的光路耦合环节，耦合效率的高低以及耦合的稳定性严重影响系统的稳定性和测量准确度。全光纤型磁场传感器的光传感和光传输部分均采用普通的单模光纤，无光路耦合环节，因此结构简单、成本低、光学加工简单。但是光纤的费尔德常数低，比块状磁光玻璃低2-3个数量级，导致全光纤型的磁场传感器测量灵敏度低。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构紧凑、体积微小、无光路耦合环节，同时具有较高测量灵敏度的基于微纳光纤的空间磁场传感器及其制作方法。
本发明的目的是这样实现的，一种基于微纳光纤的空间磁场传感器，其特征是：至少包括：微纳光纤和磁光玻璃薄片，所述的微纳光纤由单模光纤通过熔融拉锥工艺制成两端直径不变，中间为微纳量级的腰区结构，将制的中间为微纳光纤的腰区与磁光玻璃薄片通过光学胶黏贴制成波导耦合结构。
所述微纳光纤的腰区直径为2μm，微纳光纤的腰区长度大于等于磁光玻璃薄片长度。
所述磁光玻璃薄片的尺寸为10mm×5mm×0.1mm，耦合间距为0.4μm。
所述光学胶为硅凝胶，折射率为1.40。
一种基于微纳光纤的空间磁场传感器的制作方法，其特征是：至少包括如下步骤：
通过熔融拉锥工艺将单模光纤制成微纳量级的腰区结构，通过熔融拉锥工艺将单模光纤拉锥到两端直径不变，中间形成带尾纤的微纳光纤，微纳光纤的拉锥长度具有不同腰区直径；
Figure 682324DEST_PATH_IMAGE002
将制得微纳光纤的腰区置于在磁光玻璃薄片上，并控制微纳光纤与磁光玻璃薄片之间的耦合间距使其形成弱波导耦合结构；
Figure DEST_PATH_IMAGE003
将步骤
Figure 427162DEST_PATH_IMAGE002
中得到的耦合结构整体固定在玻璃基底上，用低折射率的光学胶将微纳光纤与磁光玻璃耦合结构密封封装，待光学胶固化后，传感器制备完成。
相比现有光纤磁场传感器，本发明的优点在于：①体积微小、结构紧凑，传感探头对其周围磁场分布的影响很小。微纳光纤-磁光玻璃的耦合区域为磁场传感区域，仅有几十μm。并且，微纳光纤的两端通过绝热拉锥与常规单模光纤不间断相连，无任何光路耦合环节。②测量灵敏度高。磁光玻璃费尔德常数较高，结合微纳光纤特殊的光传输性能，使得耦合结构的磁场测量灵敏度较高。
Figure 206899DEST_PATH_IMAGE003
频率响应范围宽。磁光玻璃在外界磁场作用下内部电偶极子跃迁的速度可达ns量级，因此传感器的理论频率响应范围可达到GHz。
附图说明
下面结合实施例附图对本发明作进一步说明：
图1基于微纳光纤-磁光玻璃耦合结构示意图；
图2 是传感器的封装结构图；
图3 传感器的耦合光谱在外界磁场作用下的变化。
图中，1、微纳光纤；2、磁光玻璃薄片；3、光学胶；4、单模光纤；5、玻璃基底。
具体实施方式
如图1所示，一种基于微纳光纤的空间磁场传感器，至少包括：微纳光纤1和磁光玻璃薄片2，所述的微纳光纤1由单模光纤通过熔融拉锥工艺制成两端直径不变，中间为微纳量级的腰区结构，将制得中间为微纳光纤1的腰区与磁光玻璃薄片2通过光学胶3黏贴制成波导耦合结构。该熔融拉锥工艺属于现有成熟技术，这里不做过多描述。
当光纤的直径尺度达到微纳量级，形成微纳光纤1时，光纤的模场分布将发生显著变化，并在其周围形成很强的倐逝场能量。由于倏逝场的作用，微纳光纤1与磁光玻璃薄片2接触时，微纳光纤1的基模与磁光玻璃薄片2高阶模之间，将以波长为周期，产生周期性波导耦合效应。耦合波长与磁光玻璃2的折射率有关。根据Faraday磁光效应可知，在待测磁场的作用下，入射至磁光玻璃薄片2内的左旋（或右旋）圆偏振光的折射率会发生变化，从而最终引起传感器的耦合波长发生改变。通过检测耦合波长的波长变化量获得待测磁场强度的数值。
图3为传感器的耦合光谱在外界磁场作用下的变化。
相比现有光纤磁场传感器，本发明的优点在于：①体积微小、结构紧凑，传感探头对其周围磁场分布的影响很小。微纳光纤1-磁光玻璃的耦合区域为磁场传感区域，仅有几十μm。并且，微纳光纤1的两端通过绝热拉锥与常规单模光纤不间断相连，无任何光路耦合环节。②测量灵敏度高。磁光玻璃费尔德常数较高，结合微纳光纤1特殊的光传输性能，使得耦合结构的磁场测量灵敏度较高。
Figure 602108DEST_PATH_IMAGE003
频率响应范围宽。磁光玻璃在外界磁场作用下内部电偶极子跃迁的速度可达ns量级，因此传感器的理论频率响应范围可达到GHz。
如图1和图2所示，一种基于微纳光纤的空间磁场传感器及其制作方法，至少包括如下步骤：
通过熔融拉锥工艺将单模光纤4制成微纳量级的腰区结构，通过熔融拉锥工艺将单模光纤4拉锥到两端直径不变，中间形成带尾纤的微纳光纤1，微纳光纤1的拉锥长度具有不同腰区直径；
作为本发明的优选实例，所述微纳光纤1的腰区直径为2μm，微纳光纤1的腰区长度大于等于磁光玻璃薄片2长度。
Figure 176626DEST_PATH_IMAGE004
将制得微纳光纤1的腰区置于在磁光玻璃薄片2上，并控制微纳光纤1与磁光玻璃2之间的耦合间距使其形成弱波导耦合结构；
作为本发明的优选实例，所述磁光玻璃薄片2的尺寸为10mm×5mm×0.1mm，耦合间距为0.4μm。
将步骤
Figure 443659DEST_PATH_IMAGE004
中得到的耦合结构整体固定在玻璃基底5上，用低折射率的光学胶3将微纳光纤1与磁光玻璃耦合结构密封封装，待光学胶3固化后，传感器制备完成。
作为本发明的优选实例，所述低折射率的光学胶3为硅凝胶，折射率为1.40。
需要指出的是，本发明提出的这种磁场传感器对磁场方向敏感，传感器的输出值为待测磁场在磁光玻璃薄片内光传播方向上的分量。在实际应用中，如果待测磁场方向已知，调整传感器的位置，使输入光的传播方向与待测磁场方向平行，那么传感器的输出值即为待测磁场强度值。

Claims (1)

1.一种基于微纳光纤的空间磁场传感器的制作方法，其特征是：所述的基于微纳光纤的空间磁场传感器，至少包括：微纳光纤(1)和磁光玻璃薄片(2)，所述的微纳光纤(1)由单模光纤(4)通过熔融拉锥工艺制成两端直径不变，中间为微纳量级的腰区结构，将制的中间为微纳光纤(1)的腰区与磁光玻璃薄片(2)通过光学胶(3)黏贴制成波导耦合结构；
所述微纳光纤(1)的腰区直径为2μm，微纳光纤(1)的腰区长度大于等于磁光玻璃薄片(2)长度；
所述磁光玻璃薄片(2)的尺寸为10mm×5mm×0.1mm，耦合间距为0.4μm；
所述光学胶(3)为硅凝胶，折射率为1.40；
该方法至少包括如下步骤：
1)通过熔融拉锥工艺将单模光纤(4)制成微纳量级的腰区结构，通过熔融拉锥工艺将单模光纤(4)拉锥到两端直径不变，中间形成带尾纤的微纳光纤(1)，微纳光纤(1)的拉锥长度具有不同腰区直径；
2)将制得微纳光纤(1)的腰区置于在磁光玻璃薄片(2)上，并控制微纳光纤(1)与磁光玻璃薄片(2)之间的耦合间距使其形成弱波导耦合结构；
3)将步骤2)中得到的耦合结构整体固定在玻璃基底(5)上，用低折射率的光学胶(3)将微纳光纤(1)与磁光玻璃耦合结构密封封装，待光学胶(3)固化后，传感器制备完成；
微纳光纤的两端通过绝热拉锥与常规单模光纤不间断相连，无任何光路耦合环节。
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