磁流體包覆無芯-三芯-無芯光纖結(jié)構(gòu)的磁場(chǎng)傳感器

陶 宇， 牛思瑤, 馮文林*

(1. 重慶理工大學(xué) 理學(xué)院, 重慶 400054;2. 綠色能源材料技術(shù)與系統(tǒng)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 重慶 400054)

1 引 言

近年來，基于磁流體(Magnetic Fluid, MF)的光纖磁場(chǎng)傳感器的研究受到諸多重視[1]。磁流體具有獨(dú)特的光學(xué)特性，加之光纖傳感器靈敏度高、耐腐蝕、尺寸小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不易受外界環(huán)境影響等優(yōu)異特點(diǎn)，與傳統(tǒng)磁場(chǎng)傳感器如磁通門磁強(qiáng)計(jì)、霍爾傳感器、核磁共振測(cè)場(chǎng)儀相比，磁流體光纖磁場(chǎng)傳感器優(yōu)勢(shì)明顯。由納米磁性顆粒、基液和表面活性劑組成的磁流體，是一種獨(dú)特的功能型材料，表面活性劑包裹著納米數(shù)量級(jí)的磁性粒子，均勻地分布在基液中形成一種均勻穩(wěn)定的膠體溶液[2-3]。當(dāng)處于磁場(chǎng)環(huán)境中，磁流體被磁化，內(nèi)部的納米磁性顆粒聚集到一起，從而改變其折射率。Childs等采用磁流體覆蓋在光纖表面上的方法來監(jiān)測(cè)磁場(chǎng)，將鐵磁流體封裝在閃耀光纖光柵環(huán)型諧振腔內(nèi)來制作磁場(chǎng)傳感器[4-5]。重慶大學(xué)Deng[6]等人提出磁流體與邁克爾遜干涉結(jié)構(gòu)結(jié)合的光纖磁場(chǎng)傳感器，其磁場(chǎng)靈敏度為64.9 pm/mT。Miao[7]等人研究了一種雙向光纖磁場(chǎng)傳感器，其結(jié)構(gòu)是偏芯和磁流體結(jié)合，探測(cè)到的垂直和平行光纖軸的磁場(chǎng)靈敏度分別是-0.025 34 dB/Oe和0.011 11 dB/Oe。Wu[8]等人將單模光纖和細(xì)芯光纖進(jìn)行熔接，并結(jié)合磁流體構(gòu)成細(xì)芯光纖模式干涉儀實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)的檢測(cè)，強(qiáng)度靈敏度可以達(dá)到0.058 dB/Oe。Chen[9]等人采用錐形的馬赫-曾德干涉(Mach-Zehnder Interferometer, MZI)結(jié)構(gòu)，并結(jié)合磁流體實(shí)現(xiàn)了對(duì)磁場(chǎng)的探測(cè)。Jia[10]等人提出基于無芯光纖級(jí)聯(lián)光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating, FBG)的光纖磁場(chǎng)傳感結(jié)構(gòu)，在降低溫度的交叉靈敏度的同時(shí)也提高了磁場(chǎng)靈敏度。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的胡濤[11]等提出基于磁流體的光纖F-P傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電磁場(chǎng)的測(cè)量。哈爾濱理工大學(xué)的沈濤[12]等設(shè)計(jì)并制作了MZI集成化的全光纖磁場(chǎng)與溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度和磁場(chǎng)的測(cè)量。楊淑連[13]等設(shè)計(jì)了一種基于FBG啁啾效應(yīng)的磁場(chǎng)傳感器, 導(dǎo)出了FBG的反射譜帶寬與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系。上述文獻(xiàn)大多采用特種光纖和磁流體結(jié)合、復(fù)雜的光纖結(jié)構(gòu)和磁流體結(jié)合等方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)的測(cè)量。因此，本文研究了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的無芯-三芯-無芯(No-core-Three-core-No-core，NTN)光纖結(jié)構(gòu)與磁流體結(jié)合的磁場(chǎng)傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)磁場(chǎng)的精確測(cè)量。

2 基本原理

2.1 工作原理

在磁流體的眾多光學(xué)特性中有一個(gè)是折射率可調(diào)即磁流體的折射率隨著外界磁場(chǎng)的變化而變化。當(dāng)外界加有磁場(chǎng)時(shí)，磁流體會(huì)出現(xiàn)固相和液相分離的現(xiàn)象[14]，從而導(dǎo)致磁流體的有效介電常數(shù)改變，進(jìn)而改變磁流體的折射率。磁流體的折射率與外加磁場(chǎng)之間的關(guān)系為：

(1)

其中：εcol代表固相磁柱的介電常數(shù)，這和外界磁場(chǎng)無關(guān)；εliq代表液相的介電常數(shù)，與磁流體在外磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生的實(shí)時(shí)等效濃度Ms.eff(原始濃度為Ms)有關(guān)[11]，f是固相和液相占磁流體總面積A比例的乘積，即：

f=(Acol/A)(1-Acol/A),

(2)

其中：Acol為固相磁柱所占的面積，1-Acol/A是液相所占的面積。隨著外加磁場(chǎng)的增大，磁性粒子會(huì)發(fā)生團(tuán)聚產(chǎn)生磁柱，所以固相面積增大，液相面積減小[15]。

磁流體的液相介電常數(shù)εliq為[16]：

(0.157 3Ms+1.328 3)2,

(3)

其中：Ms.eff表示磁流體的有效濃度，Ms表示磁流體的初始濃度，nMF表示磁流體的折射率。

磁流體的折射率與磁流體的有效介電常數(shù)滿足關(guān)系式[17]：

(4)

由于三芯光纖纖芯的直徑遠(yuǎn)小于無芯光纖(No Core Fiber, NCF)，故當(dāng)光源發(fā)出的光通過傳導(dǎo)單模光纖(Single-Mode Fiber, SMF)進(jìn)入第一個(gè)NCF后大部分光進(jìn)入纖芯模，剩下的光進(jìn)入到三芯光纖包層模中。隨后，這兩束光在后一個(gè)NCF處實(shí)現(xiàn)模間干涉[18-19]。干涉結(jié)果由輸出SMF傳輸?shù)焦庾V分析儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)。因此，透射光譜強(qiáng)度為[20]：

Iout(λ)=

(5)

其中：Ia和Ib分別為芯模和包層模中的光強(qiáng)，2πΔneffL/λ是三芯光纖的纖芯模式和包層模式的相位差，Δneff為芯模和包層模的有效折射率差，L為中間段的三芯光纖長(zhǎng)度。當(dāng)相位差2πΔneffL/λ=(2m+1)π(m是正整數(shù))時(shí)發(fā)生相消干涉，由公式(5)可得干涉透射光譜中干涉波谷對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為[21]：

λf=2ΔneffL/(2m+1).

(6)

由式(1)～式(4)可以計(jì)算出磁流體的折射率。外界環(huán)境(磁場(chǎng)) 的變化不會(huì)引起三芯光纖芯模的有效折射率變化，但會(huì)引起包層模的有效折射率變化。由式(1)～式(4)可知，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度改變時(shí)f會(huì)發(fā)生變化，f的改變會(huì)導(dǎo)致磁流體的折射率發(fā)生變化，而磁流體包裹著NTN傳感結(jié)構(gòu)，故被磁流體包裹著的三芯光纖的包層模有效折射率會(huì)改變，從而造成Δneff的改變，由式(6)可知干涉谷波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生偏移。

在磁流體中施加適當(dāng)?shù)耐獠看艌?chǎng)時(shí)，磁流體的粒子會(huì)發(fā)生團(tuán)聚。在這一區(qū)域，由于磁流體的吸收，部分光消失，從而減弱了倏逝場(chǎng)的強(qiáng)度；同時(shí)，可以通過改變所施加磁場(chǎng)的強(qiáng)度來調(diào)節(jié)衰減程度，因?yàn)楫?dāng)外部磁場(chǎng)施加超過一定的臨界值時(shí)，磁流體內(nèi)會(huì)形成團(tuán)聚體[22]。這將增強(qiáng)磁流體的吸收并提高散射系數(shù)，減少了倏逝場(chǎng)通過磁流體的透射光[23]。因此，可以通過改變施加的外部磁場(chǎng)的強(qiáng)度來調(diào)制總出射光強(qiáng)度。入射光通過傳感器的損耗可表示為[24]：

DH=D0exp(-ras),

(7)

其中：DH和D0分別是有磁場(chǎng)和無磁場(chǎng)時(shí)的透射光譜強(qiáng)度；r是倏逝場(chǎng)的功率與總傳播光場(chǎng)的功率之比；α是磁流體的消光系數(shù)；s是沿光軸毛細(xì)管中磁流體的長(zhǎng)度。由式(7)可知，參數(shù)r，α和s可用來調(diào)制透射光譜強(qiáng)度，其中磁流體的消光系數(shù)α可通過外部施加的磁場(chǎng)改變。因此，通過測(cè)量波長(zhǎng)位移或功率衰減，可測(cè)量出相應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度。

2.2 傳感結(jié)構(gòu)制作

本文提出了一種基于磁流體包覆的無芯-三芯-無芯的磁場(chǎng)傳感器，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。圖1(a)為NTN傳感結(jié)構(gòu)示意圖。一段較長(zhǎng)的三芯光纖兩端和極短的兩段無芯熔接構(gòu)成無芯-三芯-無芯光纖傳感結(jié)構(gòu)。圖1(b)是三芯光纖的端面示意圖，三芯光纖由三個(gè)纖芯構(gòu)成多芯單模光纖，三個(gè)纖芯之間的距離w=41.5 μm。NTN傳感結(jié)構(gòu)的中間部分是長(zhǎng)為50 mm，纖芯直徑d=9 μm的三芯光纖，其包層直徑是125 μm，兩端是長(zhǎng)為2 mm，直徑為125 μm的無芯光纖。

圖1 磁場(chǎng)傳感元件Fig.1 Schematic diagrams of magnetic field sensing element

通過熔接機(jī)中的單模-多模熔接程序，按無芯-三芯-無芯的順序熔接好傳感結(jié)構(gòu)，熔接損耗接近于0 dB。然后，將制作好的NTN傳感結(jié)構(gòu)一端和傳導(dǎo)SMF用熔接機(jī)的單模-多模熔接程序熔接好后，插入內(nèi)徑為0.3 mm，長(zhǎng)為70 mm的毛細(xì)管中，再用熔接機(jī)將NTN傳感結(jié)構(gòu)另一端和另一條傳導(dǎo)SMF用相同的熔接程序熔接好，這個(gè)過程中光纖的熔接損耗仍然接近0 dB。

將磁流體吸入注射器中緩慢滴在毛細(xì)管口，借助毛細(xì)管張力的作用，磁流體逐漸充滿毛細(xì)管并環(huán)繞在傳感光纖結(jié)構(gòu)周圍，最后用紫外固化膠對(duì)傳感結(jié)構(gòu)進(jìn)行封裝，將固化膠滴在毛細(xì)管的兩端口，再用紫外燈進(jìn)行照射直至紫外膠固化密封住端口，這樣保證了磁流體的水流性。實(shí)驗(yàn)用的磁流體為水基磁流體(浙江嘉善嘉誠(chéng)磁性材料廠)，在常溫(25 ℃)時(shí)的密度為1.27 g/cm3，其納米磁性顆粒的直徑是10 nm，被磁化時(shí)達(dá)到的最大磁化強(qiáng)度約為20 mT。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

圖2是測(cè)試NTN結(jié)構(gòu)的磁場(chǎng)傳感器實(shí)驗(yàn)裝置。實(shí)驗(yàn)所用的寬帶光源是C+L波段光源(BBS, ASE-C/L-D-17-FA)，其輸出波長(zhǎng)為1 530～1 630 nm。發(fā)出的光經(jīng)過傳導(dǎo)SMF傳輸進(jìn)NTN傳感結(jié)構(gòu)，透射光譜由分辨率0.1 nm的光譜分析儀(OSA,YOKOGAWAAQ6370D)監(jiān)測(cè)。該傳感實(shí)驗(yàn)是在常溫(25 ℃)下進(jìn)行的。實(shí)驗(yàn)所需磁場(chǎng)是由(100 mm×10 mm×10 mm)永久釹磁鐵產(chǎn)生的，將磁鐵中心和毛細(xì)管對(duì)齊平行放置，通過控制與毛細(xì)管的距離來改變磁場(chǎng)強(qiáng)度并用精確度為0.1 mT的特斯拉計(jì)(TS)實(shí)時(shí)測(cè)量。

圖2 磁場(chǎng)傳感實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 Magnetic field experimental setup

圖3給出了無芯-三芯-無芯光纖傳感結(jié)構(gòu)在不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下(0～20 mT)測(cè)得的透射光譜，從0 mT開始測(cè)量，磁場(chǎng)強(qiáng)度的間隔是2 mT。為了保證光譜的穩(wěn)定性，每條光波都是在磁場(chǎng)強(qiáng)度變化后1 min再記錄的。從圖中可以看出，在1 606 nm附近的波谷處，透射譜波長(zhǎng)向長(zhǎng)波移動(dòng)即產(chǎn)生紅移且隨著磁場(chǎng)的增大紅移現(xiàn)象更加明顯，波長(zhǎng)偏移量也更大；此外，在該波長(zhǎng)附近的波谷處，光譜強(qiáng)度隨著磁場(chǎng)的增大而增加。

圖3 NTN傳感結(jié)構(gòu)在不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下的透射譜Fig.3 Transmission spectra of NTN sensor structures at different magnetic field intensities

圖4 NTN結(jié)構(gòu)在1 606 nm附近的波長(zhǎng)漂移Fig.4 Wavelength shift of NTN structure near 1 606 nm

圖4為波長(zhǎng)約為1 606 nm的波谷的放大圖，可以看出波谷波長(zhǎng)的漂移變化和磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系，并在一定的磁場(chǎng)強(qiáng)度范圍內(nèi)對(duì)其關(guān)系進(jìn)行線性擬合處理。由圖4可知，在8～16 mT的磁場(chǎng)強(qiáng)度內(nèi)，波長(zhǎng)從1 606.3～1 606. 8 nm單調(diào)增加，從整體上看波長(zhǎng)漂移和磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的關(guān)系是非線性的，但在磁場(chǎng)強(qiáng)度為8～16 mT內(nèi)，磁場(chǎng)傳感器的波谷波長(zhǎng)漂移響應(yīng)呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)靈敏度是68.57 pm/mT。

由圖3和圖4可知，隨著磁場(chǎng)的增加，波谷波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向移動(dòng)。其原因是，當(dāng)外界磁場(chǎng)強(qiáng)度增加，在沒達(dá)到磁流體飽和磁化強(qiáng)度20 mT時(shí)，由式(3)～式(6)可知磁流體的折射率也隨之增大，但在本實(shí)驗(yàn)中的磁流體折射率始終小于三芯光纖的折射率，故在這種情況下，磁流體會(huì)吸收更多在三芯光纖包層模中傳輸?shù)墓?，因此包層模的模?chǎng)能量減小，從而造成三芯光纖的包層模的有效折射率減小[25]。而芯模的有效折射率不變，所以Δneff增大，故從式(6)可得，波谷波長(zhǎng)將發(fā)生紅移，和實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

圖5 NTN結(jié)構(gòu)在1 606 nm附近的功率衰減Fig.5 Power attenuation of NTN structure near 1 606 nm

圖5清晰地展示出波長(zhǎng)在1 606 nm附近的波谷光譜強(qiáng)度變化與磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系。從圖5中可以看出，在0～20 mT的磁場(chǎng)強(qiáng)度內(nèi)光譜強(qiáng)度損耗從13.669變到23.279 dB呈上升趨勢(shì)。雖然整體上是非線性的，但在磁場(chǎng)強(qiáng)度為8～16 mT內(nèi)，波谷光譜強(qiáng)度變化與磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化幾乎是線性的，線性度高達(dá)0.993 79。在圖5中也可以看出相對(duì)強(qiáng)度損耗與磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系，相對(duì)強(qiáng)度損耗定義為[(D0-DH)/D0]×100%。由圖5可知，在磁場(chǎng)強(qiáng)度為8～16 mT內(nèi)，強(qiáng)度靈敏度為0.828 7 dB/mT或者6.06%/mT。該強(qiáng)度靈敏度高于文獻(xiàn)[26]中類似結(jié)構(gòu)的磁場(chǎng)傳感器的強(qiáng)度靈敏度(0.193 9 dB/mT),也高于文獻(xiàn)[27]中報(bào)道的單模-無芯-單模光纖結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度靈敏度(0.748 dB/mT)。

4 結(jié) 論

本文研究并驗(yàn)證了一種NTN光纖結(jié)構(gòu)和磁流體結(jié)合的磁場(chǎng)傳感器，用直徑為125 μm的無芯光纖代替?zhèn)鹘y(tǒng)意義上的多模光纖，增強(qiáng)了模間干涉；MF的消光系數(shù)可以通過外界磁場(chǎng)的改變而變化，從而導(dǎo)致NCF與MF交界面附近的倏逝場(chǎng)周圍的光通過NCF時(shí)產(chǎn)生不可忽略的衰減。通過測(cè)量波長(zhǎng)漂移或功率衰減，可以測(cè)量出相應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度。該磁場(chǎng)傳感器在磁場(chǎng)強(qiáng)度是8～16 mT，波長(zhǎng)為1 606 nm附近的波長(zhǎng)漂移靈敏度是68.57 pm/mT，對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度靈敏度是0.828 7 dB/mT，優(yōu)于現(xiàn)有的磁場(chǎng)傳感器。