光纖磁場(chǎng)傳感器研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì)

[摘要] 磁場(chǎng)傳感器在資源勘探、工業(yè)生產(chǎn)及地磁檢測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)電類(lèi)磁場(chǎng)傳感器穩(wěn)定性好，但存在易受化學(xué)腐蝕、成本高、體積大，以及抗干擾能力差等缺點(diǎn)；相比之下，光纖磁場(chǎng)傳感器具有結(jié)構(gòu)緊湊、高精度、體積小和抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)有的光纖磁場(chǎng)傳感器根據(jù)基本原理主要包括以下4類(lèi)：基于磁致伸縮材料、基于磁流體材料、基于法拉第效應(yīng)、基于光纖激光器。特別是基于磁致伸縮效應(yīng)的光纖磁場(chǎng)傳感器，在制造工藝和應(yīng)用方面具有更多優(yōu)勢(shì)。本文介紹了用于磁場(chǎng)測(cè)量的光纖傳感技術(shù)的發(fā)展，分析了4種不同類(lèi)型傳感器的原理、優(yōu)缺點(diǎn)及研究現(xiàn)狀。同時(shí)，還介紹了光纖磁場(chǎng)傳感器在地磁監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用。最后，分析了光纖磁場(chǎng)傳感器面臨的挑戰(zhàn)和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

[關(guān)鍵詞] 光纖傳感器; 磁場(chǎng)測(cè)量; 磁致伸縮材料; 磁流體

[DOI] 10.19987/j.dzkxjz.2024-082

基金項(xiàng)目： 地震動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目（LED2024B11）資助。

0 引言

光纖磁場(chǎng)傳感器因其抗電磁干擾、高靈敏度、小型化等諸多優(yōu)點(diǎn)在眾多領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[1-3]。光纖磁場(chǎng)傳感器主要分為功率型和非功率型兩大類(lèi)。功率型傳感器中，光纖承擔(dān)感測(cè)任務(wù)，其性質(zhì)會(huì)隨磁場(chǎng)的變化而變化，通過(guò)這種方式可以測(cè)定磁場(chǎng)強(qiáng)度。而非功率型傳感器則使用光纖作為傳遞光信號(hào)的介質(zhì)，并結(jié)合其他能夠響應(yīng)磁場(chǎng)的元件來(lái)感應(yīng)磁場(chǎng)的變化。根據(jù)不同的感應(yīng)機(jī)制，光纖磁場(chǎng)傳感器可以進(jìn)一步分為磁致伸縮型、磁流體型、法拉第型和洛倫茲力型4種[4]。

光纖傳感器相比傳統(tǒng)傳感器，具有抗電磁干擾、耐腐蝕、體積小、靈敏度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。但光纖傳感器成本較高，且對(duì)安裝環(huán)境要求較為嚴(yán)格。傳統(tǒng)傳感器則具有成本低、易于安裝和維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，但在惡劣環(huán)境下其性能可能會(huì)受到影響。光纖傳感器適用于需要高靈敏度、高精度、抗電磁干擾、耐腐蝕的測(cè)量環(huán)境。它們特別適合于極端環(huán)境下的參數(shù)監(jiān)測(cè)，如溫度、壓力、濕度和振動(dòng)等，以及在醫(yī)藥、航空航天、石油化工、電力系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)和國(guó)家安全等領(lǐng)域的應(yīng)用。

本文針對(duì)基于磁致伸縮材料的光纖磁場(chǎng)傳感器、基于磁流體的光纖磁場(chǎng)傳感器、基于法拉第效應(yīng)的光纖磁場(chǎng)傳感器和基于光纖激光器的光纖磁場(chǎng)傳感器的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展進(jìn)行闡述，并對(duì)光纖磁場(chǎng)傳感器在地磁監(jiān)測(cè)方面的發(fā)展以及應(yīng)用進(jìn)行了討論。本文旨在探討和總結(jié)光纖磁場(chǎng)傳感技術(shù)，為地磁監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的專(zhuān)家學(xué)者和技術(shù)人員提供有價(jià)值的參考，并進(jìn)一步推動(dòng)該技術(shù)在地磁監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

1 基于磁致伸縮材料的光纖磁場(chǎng)傳感器

基于磁致伸縮效應(yīng)的磁場(chǎng)傳感器的主要傳感元件是磁致伸縮材料。磁致伸縮材料在被磁化時(shí)，會(huì)導(dǎo)致磁致伸縮材料的體積或長(zhǎng)度發(fā)生變化，這種現(xiàn)象被稱為磁致伸縮效應(yīng)[5-6]。這種現(xiàn)象是焦耳在1842年發(fā)現(xiàn)的，因此也被稱為焦耳效應(yīng)。E. Villari 后來(lái)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)對(duì)磁致伸縮材料施加應(yīng)力時(shí)，其原有的磁致伸縮效應(yīng)會(huì)表現(xiàn)出不同的響應(yīng)或變化[7]。

磁致伸縮效應(yīng)可分為兩種形式，即線性磁致伸縮和體積磁致伸縮[8]。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度小于飽和磁場(chǎng)時(shí)，磁致伸縮材料主要發(fā)生長(zhǎng)度變化，而體積幾乎保持不變，因此稱為線性磁致伸縮效應(yīng)；當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度大于飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，磁致伸縮材料主要發(fā)生體積變化，而長(zhǎng)度基本保持不變，因此稱為體積磁致伸縮效應(yīng)。線性磁致伸縮又可分為橫向磁致伸縮和縱向磁致伸縮，不同之處在于垂直于磁場(chǎng)方向的長(zhǎng)度相對(duì)變化的現(xiàn)象稱為橫向磁致伸縮效應(yīng)，而沿所施加磁場(chǎng)方向的尺寸相對(duì)變化現(xiàn)象則稱為縱向磁致伸縮效應(yīng)。

1.1 光纖光柵型磁致伸縮磁場(chǎng)傳感器

2012 年，Liu等[9]將Terfenol-D顆粒與環(huán)氧樹(shù)脂混合，形成了一種復(fù)合磁致伸縮材料，并將這種材料與光纖布拉格光柵（Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG）結(jié)合，制作了一種光纖磁場(chǎng)傳感器。這種傳感器在1.46 T的磁場(chǎng)中展現(xiàn)出了0.68 nm的峰值波長(zhǎng)位移，同時(shí)具有較小的滯后性。但是這種傳感器的磁場(chǎng)靈敏度相對(duì)較低，實(shí)驗(yàn)表明該傳感器的磁場(chǎng)靈敏度為4.68×10?4 nm/mT。

2018 年，Allsop等[10]為了提升磁場(chǎng)靈敏度，將Terfenol-D材料與長(zhǎng)周期FBG相結(jié)合，開(kāi)發(fā)了一種新型的傳感器。這種新型傳感器的磁場(chǎng)靈敏度達(dá)到了0.543 nm/mT，并且能夠在低于0.4 mT的靜態(tài)磁場(chǎng)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)±50 μT的探測(cè)極限。

2019 年，馬瑞等[11]提出用FBG-FP腔和Terfenol-D材料的磁場(chǎng)傳感器，通過(guò)使用磁鐵提供偏置磁場(chǎng)，彈簧提供預(yù)應(yīng)力等方法達(dá)到增加磁致伸縮材料應(yīng)變量的目的，同時(shí)采用與Terfenol-D材料有相同熱膨脹系數(shù)的非磁性Monel-400材料，通過(guò)測(cè)量粘貼在Monel-400材料上的FBG來(lái)測(cè)量溫度變化，達(dá)到溫度補(bǔ)償?shù)男Ч?。?shí)驗(yàn)表明，該傳感器的磁場(chǎng)靈敏度為1.5×10?3 nm/mT，分辨力為670 nT，并具有良好的指向性。

以上對(duì)基于磁致伸縮材料的光纖磁場(chǎng)傳感器的工作原理、研究現(xiàn)狀及其性能進(jìn)行了論述。這些傳感器使用Terfenol-D和不同的光纖結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了不同程度的磁場(chǎng)靈敏度。盡管在磁場(chǎng)測(cè)量方面取得了良好的進(jìn)展，但也存在著相當(dāng)多的問(wèn)題，如磁致伸縮材料本身的磁滯現(xiàn)象以及使用UV膠帶來(lái)的蠕變現(xiàn)象，這些問(wèn)題影響了傳感器的使用壽命，限制了傳感器的使用范圍。未來(lái)的研究可以探索新的磁致伸縮材料或改進(jìn)現(xiàn)有材料的配方，以實(shí)現(xiàn)更高的靈敏度。使用與磁致伸縮材料熱膨脹系數(shù)相同的非磁性材料進(jìn)行溫度補(bǔ)償是一種有效的方法。未來(lái)的研究可以探索更多具有相似特性的材料，以進(jìn)一步提高溫度補(bǔ)償?shù)男Ч?/p>

1.2 干涉型磁致伸縮磁場(chǎng)傳感器

2019 年，Shi等[12]提出一種采用超磁致伸縮材料的光纖磁場(chǎng)傳感器，傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示。其工作原理為當(dāng)傳感器周?chē)饧哟艌?chǎng)后，Terfenol-D隨著外加磁場(chǎng)發(fā)生應(yīng)變，從而帶動(dòng)光纖軸向伸長(zhǎng)。此時(shí)，對(duì)比傳感光纖和參考光纖中的兩條傳輸光路的相干檢測(cè)即可測(cè)得光的相移檢測(cè)，最后將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)來(lái)確定磁場(chǎng)強(qiáng)度。由實(shí)驗(yàn)可知，傳感器在施加最佳預(yù)應(yīng)力為4 MPa時(shí)，傳感器的磁場(chǎng)靈敏度最大為12 nm/mT。

Fabry-Perot干涉儀是一種反射型的干涉儀，相比于其他類(lèi)型的光纖干涉儀，它的結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，通常由一根光纖和兩個(gè)具有高反射率反射鏡組成的F-P腔構(gòu)成。光束在通過(guò)F-P腔時(shí)，會(huì)在反射鏡之間多次反射形成多光束干涉，最終引起干涉光譜的變化[13]。2015 年，Zhang等[14]使用Terfenol-D材料，研制出一種非本征光纖F-P腔（Extrinsic Fabry-Perot Interferometer，EFPI）光纖磁場(chǎng)傳感器，將兩根切割良好的單模光纖以同軸心的方式粘貼在Terfenol-D板的表面，形成外部光纖法布里-珀羅干涉儀。外加磁場(chǎng)的變化會(huì)導(dǎo)致Terfenol-D板長(zhǎng)度的變化從而引起EFPI腔長(zhǎng)的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，傳感器的最大靈敏度可達(dá)8.5473 nm/mT。

2022年，Sun等[15]設(shè)計(jì)了一種新型的高靈敏度傳感器，它結(jié)合了巨磁致伸縮材料（Giant Magneostricttive Material，GMM）和F-P結(jié)構(gòu)。這種傳感器的工作原理是，單模光纖插入石英毛細(xì)管中以形成F-P腔。石英毛細(xì)管的末端被牢固的固定在單模光纖上，而單模光纖本身則分別固定在GMM棒的兩端。這種設(shè)計(jì)使得單模光纖與石英毛細(xì)管之間的相互作用力最小化，從而極大地提高了GMM棒因磁場(chǎng)變化而產(chǎn)生的微小形變轉(zhuǎn)化為F-P腔長(zhǎng)變化的效率。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，這種傳感器的磁場(chǎng)靈敏度可達(dá)18.67 nm/mT。

綜上所述，干涉型光纖磁場(chǎng)傳感器在磁場(chǎng)測(cè)量方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，特別是在需要高精度和強(qiáng)抗干擾能力的環(huán)境中。但是從成本來(lái)說(shuō)，干涉型光纖磁場(chǎng)傳感器需要精確的光學(xué)組件和復(fù)雜的信號(hào)處理系統(tǒng)，成本較高。從環(huán)境變化靈敏來(lái)說(shuō)，溫度、壓力的變化會(huì)影響傳感器的精度。從信號(hào)處理復(fù)雜性來(lái)說(shuō)，干涉型傳感器產(chǎn)生的信號(hào)需要復(fù)雜的信號(hào)處理算法來(lái)提取信息。從智能化來(lái)說(shuō)，結(jié)合人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，可以提高傳感器的自適應(yīng)能力和診斷能力。從環(huán)境適應(yīng)性來(lái)說(shuō)，開(kāi)發(fā)更有效的溫度和壓力補(bǔ)償技術(shù)，可以提高傳感器在不同環(huán)境條件下的穩(wěn)定性和可靠性。

表1為基于磁致伸縮材料的光纖磁場(chǎng)傳感器的性能比較。

2 基于磁流體的光纖磁場(chǎng)傳感器

磁流體（Magnetic Fluid，MF），也稱為鐵磁流體或磁性液體，是一種特殊的液體，由微小的磁性顆粒均勻懸浮在載液中形成[16]。在光纖磁場(chǎng)傳感器中，磁流體可以作為一種敏感介質(zhì)，其磁性質(zhì)使得它能夠?qū)ν獠看艌?chǎng)的變化做出響應(yīng)。當(dāng)磁流體受到磁場(chǎng)作用時(shí)，磁性顆粒會(huì)沿磁場(chǎng)方向排列，導(dǎo)致磁流體的磁導(dǎo)率發(fā)生變化[17]。傳感原理如圖2所示。這種變化可以影響光在磁流體中的傳播特性，例如速度和折射率。

2.1 光纖光柵型磁流體磁場(chǎng)傳感器

2015 年，Wang等[18]研制了一種基于光纖環(huán)振蕩光譜技術(shù)和蝕刻光纖與MF相互作用的磁場(chǎng)傳感器，如圖3所示。同時(shí)考慮光纖磁性可調(diào)諧折射率和吸收系數(shù)的傳輸特性，顯著提高了傳感器靈敏度和抗干擾能力。在65 mT的磁場(chǎng)作用下，傳感器靈敏度為125.6 nm/mT，分辨力為2.5×106 nT。雖然蝕刻處理提高了傳感器的靈敏度，但它也會(huì)在光纖環(huán)路上引發(fā)相對(duì)較大的固有損耗，這會(huì)對(duì)光纖環(huán)振蕩光譜的精度產(chǎn)生負(fù)面影響，并損害傳感器的機(jī)械穩(wěn)定性。

2017 年，Zheng等[19]提出將單模光纖接合到石英毛細(xì)管（Silica Capillary Tube A，STC-A），然后具有劈裂端面的石英毛細(xì)管（Silica Capillary Tube B，STC-B）拼接到SCT-A上以提供反射表面，垂直于SCT-A的中心軸進(jìn)行聚焦離子束（FIB）銑削，以形成一個(gè)通道側(cè)孔。該通道側(cè)孔允許磁流體滲透到F-P腔中，從而在施加外部磁場(chǎng)時(shí)在F-P腔中提供可調(diào)折射率調(diào)制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，傳感器的最大靈敏度可達(dá)4.187 nm/mT。

2021 年，Zhang等[20]設(shè)計(jì)了一種矢量光纖磁場(chǎng)傳感器。將磁流體涂覆在傾斜FBG表面，當(dāng)光纖表面的磁場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)，引起光纖包層內(nèi)磁性納米顆粒密度和散射空間的各向異性重新分布，進(jìn)而改變光纖的有效折射率。此時(shí)，光纖有效折射率會(huì)隨著波長(zhǎng)漂移和幅度衰減而調(diào)制包層模式共振，通過(guò)檢測(cè)包層模式的峰間強(qiáng)度，可以精準(zhǔn)測(cè)量外界磁場(chǎng)。實(shí)驗(yàn)表明，傳感器可以實(shí)現(xiàn)0.39 dB/mT的強(qiáng)度靈敏度和0.038 dB/rad的方向靈敏度。

以上這些研究展示了光纖光柵型磁流體磁場(chǎng)傳感器在提高靈敏度等方面的進(jìn)步。蝕刻處理雖然提高了靈敏度，但也引入了較大的固有損耗，影響精度和機(jī)械穩(wěn)定性，對(duì)于引入的損耗可以通過(guò)改進(jìn)蝕刻技術(shù)或使用新型抗蝕材料來(lái)減少。而聚焦離子束銑削技術(shù)具有高精度和多功能性等優(yōu)點(diǎn)，但也存在成本高、加工速度慢、表面損傷、粗糙化等缺點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)具體需求進(jìn)行權(quán)衡和選擇。

2.2 干涉型磁流體磁場(chǎng)傳感器

2016 年，Li等[21]通過(guò)在兩個(gè)單模光纖之間拼接一個(gè)雙芯光纖，用飛秒激光打通雙芯光纖的一個(gè)通道，利用毛細(xì)管將磁流體填充到該通道，該通道的光受到磁流體的影響產(chǎn)生相移，從而在合成時(shí)發(fā)生干涉。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在0.5～9.5 mT范圍內(nèi)，傳感器的最大靈敏度可達(dá)20.8 nm/mT。

2021 年，Qin等[22]開(kāi)發(fā)了一種結(jié)合光纖耦合器干涉儀（Optical Microfiber Coupler Interferometer，OMCI）與磁流體的光纖磁場(chǎng)傳感器。這種傳感器的設(shè)計(jì)采用了覆蓋有聚二甲基硅氧烷和磁流體的OMCI，通過(guò)磁流體的磁性折射率調(diào)整來(lái)響應(yīng)磁場(chǎng)變化。實(shí)驗(yàn)表明，在OMC的腰長(zhǎng)保持不變的情況下，減小OMC的腰半徑可以提升傳感器的靈敏度，當(dāng)腰半徑縮小到3.5 μm時(shí)，傳感器達(dá)到了最高的磁場(chǎng)靈敏度，即0.547 nm/mT。

2022 年，Yu等[23]提出了一種新型高靈敏度光纖磁場(chǎng)傳感器，該傳感器結(jié)合了Sagnac干涉儀（Sagnac Interfeometer，SI）和馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x（Mach-Zehnder Interferometer，MZI）來(lái)改善溫度補(bǔ)償能力。這種傳感器不僅展現(xiàn)了1.17 nm/mT的高靈敏度，而且在溫度補(bǔ)償方面也表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，同時(shí)還具有良好的穩(wěn)定性和重復(fù)性。不過(guò)，這種傳感器的測(cè)量范圍相對(duì)較窄，這是其局限性。

以上這些研究展示了干涉型磁流體磁場(chǎng)傳感器在提高靈敏度、改善溫度補(bǔ)償能力和提升穩(wěn)定性等方面的進(jìn)步。飛秒激光在磁場(chǎng)傳感器測(cè)量中的應(yīng)用帶來(lái)了高精度和多功能等優(yōu)點(diǎn)，但也帶來(lái)了高成本、維護(hù)困難和技術(shù)復(fù)雜的挑戰(zhàn)。未來(lái)可以嘗試?yán)蔑w秒激光在單模光纖中精密加工微孔，形成法布里-珀羅干涉儀傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境參數(shù)的測(cè)量。也可以集成磁場(chǎng)傳感器與其他類(lèi)型的傳感器（如溫度、壓力傳感器），實(shí)現(xiàn)多物理參數(shù)的同時(shí)測(cè)量。而馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x不僅需要設(shè)計(jì)溫度補(bǔ)償系統(tǒng)，還需要考慮環(huán)境噪聲的影響，以及不同參數(shù)變化帶來(lái)的交叉干擾。未來(lái)可以嘗試使用穩(wěn)定的光源，如單色儀或窄線寬激光器，以提高干涉儀的測(cè)量精度和重復(fù)性。也可以設(shè)計(jì)合適的溫度補(bǔ)償機(jī)制，以減少溫度變化對(duì)干涉儀性能的影響。

表2為基于磁流體型的光纖磁場(chǎng)傳感器的性能比較。

3 基于法拉第效應(yīng)的光纖磁場(chǎng)傳感器和光纖激光磁場(chǎng)傳感器

3.1 基于法拉第效應(yīng)的光纖磁場(chǎng)傳感器

基于法拉第效應(yīng)的微型光纖激光磁場(chǎng)傳感器是一種利用非旋光性介質(zhì)（如光纖）中的法拉第效應(yīng)來(lái)檢測(cè)磁場(chǎng)的傳感器[24]。法拉第效應(yīng)是指當(dāng)線性偏振光通過(guò)置于磁場(chǎng)中的介質(zhì)時(shí)，光的偏振面會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。這種旋轉(zhuǎn)的角度與磁場(chǎng)強(qiáng)度、介質(zhì)長(zhǎng)度以及介質(zhì)本身的法拉第旋轉(zhuǎn)系數(shù)有關(guān)[25]。

2007 年，楊泗杰等[26]提出了一種新型的三維光纖磁場(chǎng)傳感器，該傳感器通過(guò)在空間直角坐標(biāo)系上的x，y，z軸上分別放一個(gè)傳感器，3個(gè)傳感器采用同一個(gè)光源，按分光比1∶1∶1分到傳感器上，傳感器如圖4所示。當(dāng)外界有磁場(chǎng)時(shí)，磁場(chǎng)在3個(gè)傳感器光的傳播方向的分量使偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，通過(guò)測(cè)量偏振光偏振態(tài)的旋轉(zhuǎn)角度，可以得到磁場(chǎng)的大小和方向。實(shí)驗(yàn)表明，該傳感器分辨力為3.16×10?2 nT。

2014年，韓建磊[27]開(kāi)發(fā)了一種基于法拉第效應(yīng)的光纖激光磁場(chǎng)傳感器，傳感器如圖5所示。該傳感器使用摻雜鉺離子的光纖制造了一個(gè)短腔分布式布拉格反射光纖光柵激光器，該激光器可以產(chǎn)生2個(gè)頻率不同的正交偏振光。當(dāng)置于磁場(chǎng)中時(shí)，法拉第效應(yīng)引起圓偏振雙折射現(xiàn)象，導(dǎo)致偏振光的頻率差隨磁場(chǎng)變化。輸出光通過(guò)偏振器后，光電探測(cè)器檢測(cè)到的頻率差值變化與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)的測(cè)量。實(shí)驗(yàn)表明，該光纖磁場(chǎng)傳感器靈敏度的最大值為76.33 nm/mT。

2017 年，Zamani和Ghanaatshoar[28]設(shè)計(jì)了一種基于薄透射型一維磁光子晶體（Magneto Photonic Crystals，MPCs）的磁光磁場(chǎng)傳感器。傳感器的靈敏度取決于傳感膜的厚度，通過(guò)調(diào)整MPCs的膜層提高法拉第旋轉(zhuǎn)角度，MPCs層數(shù)越少，傳感器的靈敏度、空間分辨率等性能更佳。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，表明引入MPC的磁光磁場(chǎng)傳感器要比單層的BIYIG（具有高法拉第旋轉(zhuǎn)的石榴石薄膜）的磁光磁場(chǎng)傳感器靈敏度高達(dá)11倍，其靈敏度值約為0.057 °/G。

綜上所述，基于法拉第效應(yīng)的光纖磁場(chǎng)傳感器的發(fā)展展示了從基本原理到技術(shù)革新的顯著進(jìn)步?；诜ɡ谛?yīng)的光纖磁場(chǎng)傳感器逐漸實(shí)現(xiàn)了與其他傳感器或系統(tǒng)的集成，形成了多功能化的測(cè)量系統(tǒng)。這種集成不僅提高了測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性，還擴(kuò)展了光纖磁場(chǎng)傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域。對(duì)于法拉第效應(yīng)的光纖磁場(chǎng)傳感器未來(lái)的發(fā)展，可以考慮進(jìn)一步縮小傳感器尺寸，實(shí)現(xiàn)更緊湊的系統(tǒng)集成，以適應(yīng)更多應(yīng)用場(chǎng)景的需求。開(kāi)發(fā)能夠同時(shí)測(cè)量磁場(chǎng)、溫度、壓力等多個(gè)物理量的傳感器，以提供更全面的測(cè)量數(shù)據(jù)。探索新型材料，如稀土摻雜光纖、光子晶體光纖等，以提高傳感器的性能和測(cè)量范圍。

3.2 光纖激光磁場(chǎng)傳感器

光纖激光器的工作原理是基于摻雜光纖的特性。當(dāng)通過(guò)光纖的光能激活摻雜元素時(shí)，它們就會(huì)發(fā)出不同波長(zhǎng)的激光，通過(guò)波分復(fù)用技術(shù)將不同波長(zhǎng)的光從不同的光通道分離并射入對(duì)應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，然后利用數(shù)據(jù)采集平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集[21]。通過(guò)特定的算法還原波長(zhǎng)的變化。光纖激光器的優(yōu)勢(shì)在于它的高光束質(zhì)量和效率，同時(shí)還具有結(jié)構(gòu)緊湊、耐用、維護(hù)便捷等優(yōu)點(diǎn)[29]。

2006 年，美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室Cranch等[30]制作了基于安培力效應(yīng)的光纖激光磁場(chǎng)傳感器，通過(guò)將金涂覆的光纖激光器粘貼在金屬薄片上，當(dāng)薄片通電后，在施加電流和與電流方向垂直的磁場(chǎng)的作用下，金屬薄片會(huì)受到洛倫茲力，產(chǎn)生形變，帶動(dòng)光纖激光器產(chǎn)生形變進(jìn)而影響光纖的中心波長(zhǎng)值，傳感器如圖6所示。實(shí)驗(yàn)表明，在25 mA的電流條件下該傳感器的分辨力達(dá)到5 nT/Hz1/2。

2017 年，王兆剛[31]設(shè)計(jì)了一種雙端固定型的光纖磁場(chǎng)傳感器。傳感器整體由有機(jī)玻璃構(gòu)成，頂端采用墊片、螺釘將金屬梁固定。傳感器下方還裝有中空螺釘使得光纖激光器可以穿過(guò)支架和金屬梁并進(jìn)行點(diǎn)膠。實(shí)驗(yàn)表明，在100 mA的電流條件下，磁場(chǎng)靈敏度可達(dá)1×10?9 nm/mT。

2018年，張軍[32]將正交雙頻光纖激光器置于鍍膜機(jī)內(nèi)，在真空環(huán)境中，對(duì)激光器表層濺鍍金膜。然后將鍍膜后的激光器兩端連接電極，并通過(guò)外部電源給電極通電。這樣，電流被加載到光纖激光器表面。在外界磁場(chǎng)的作用下，電流產(chǎn)生安培力，這種力施加到光纖激光器上。光纖激光器的激光腔內(nèi)雙折射受到安培力的調(diào)制，并反映在激光器的最終輸出的頻率上。通過(guò)這種方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)的測(cè)量。

光纖激光磁場(chǎng)傳感器的研究主要集中在提高分辨率、增強(qiáng)傳感器的穩(wěn)定性和可靠性，以及改進(jìn)傳感器的設(shè)計(jì)和制作工藝。對(duì)于光纖激光磁場(chǎng)傳感器未來(lái)的發(fā)展，可以考慮從降低磁場(chǎng)傳感器工作環(huán)境的噪聲出發(fā)。比如采用石墨烯等新型材料、使用光電供電模式來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)電源等方法來(lái)提高傳感器的靈敏度。降低環(huán)境噪聲，研究如何通過(guò)材料選擇和系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)減少外部噪聲對(duì)傳感器性能的影響。利用集成光學(xué)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)傳感器的微型化和集成化，提高系統(tǒng)的便攜性和可靠性。

表3為基于法拉第效應(yīng)的光纖磁場(chǎng)傳感器和光纖激光磁場(chǎng)傳感器的性能比較。

4 光纖磁場(chǎng)傳感器的應(yīng)用

地磁場(chǎng)的研究是地球科學(xué)的一個(gè)基本領(lǐng)域，它涉及整個(gè)地球以及近地空間的磁性現(xiàn)象。地磁場(chǎng)的測(cè)量對(duì)于多個(gè)領(lǐng)域至關(guān)重要，包括航空航天、地質(zhì)勘探、國(guó)防安全、交通運(yùn)輸、通信以及地震預(yù)警等[33]。隨著技術(shù)的進(jìn)步，利用磁效應(yīng)的各種磁測(cè)量設(shè)備被開(kāi)發(fā)出來(lái)，例如超導(dǎo)量子干涉儀（Superconducting Quantum Interference Device，SQID）和光泵磁強(qiáng)計(jì)（Optically Pumped Magnetomete，OPM）。這些先進(jìn)的儀器在地磁測(cè)量領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。光纖磁場(chǎng)傳感器是另一種在地磁測(cè)量系統(tǒng)中得到應(yīng)用的設(shè)備，它利用光纖的物理特性來(lái)檢測(cè)磁場(chǎng)的變化。光纖傳感器因其穩(wěn)定性強(qiáng)、靈敏度高、抗電磁干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在地磁場(chǎng)測(cè)量中顯示出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[34]。這些傳感器可以用于精確測(cè)量地磁場(chǎng)的變化，從而為上述提到的多個(gè)領(lǐng)域提供重要的數(shù)據(jù)支持。

2005 年，張學(xué)亮等[35]進(jìn)行了一項(xiàng)創(chuàng)新性研究，他們將磁致伸縮材料粘接到光纖上，通過(guò)磁致伸縮效應(yīng)使光纖產(chǎn)生相位變化，并利用光纖干涉儀來(lái)檢測(cè)這些變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)地磁場(chǎng)的傳感。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，這個(gè)光纖磁場(chǎng)傳感系統(tǒng)的相位靈敏度高達(dá)9 × 10?6 rad/nT，能夠測(cè)量到納米級(jí)的交流磁場(chǎng)信號(hào)位移。實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)與理論預(yù)測(cè)吻合，表明該系統(tǒng)適合于高靈敏度的地磁場(chǎng)測(cè)量。

2018 年，Zhao等[36]報(bào)道了一種接近量子噪聲極限、具有絕對(duì)頻率穩(wěn)定性的1083 nm單頻光纖激光器。這種光纖激光器在低頻時(shí)具有低強(qiáng)度的相對(duì)噪聲和卓越的頻率穩(wěn)定性，使其成為高精度磁強(qiáng)計(jì)的理想選擇。

2021 年，Li等[37]開(kāi)發(fā)了一種新型的微型三軸矢量原子磁強(qiáng)計(jì)，這種磁強(qiáng)計(jì)能夠在自旋交換無(wú)松弛狀態(tài)下工作，并具有寬范圍的靈敏度。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列和直接數(shù)字合成技術(shù)，在垂直于激光傳播方向的平面上產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)場(chǎng)，并在泵浦方向上產(chǎn)生另一個(gè)調(diào)制場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)磁場(chǎng)3個(gè)分量的同時(shí)測(cè)量。在60 μT的范圍內(nèi)，其橫向磁場(chǎng)測(cè)量達(dá)到了3.5×105 pT/Hz1/2的靈敏度，在縱向磁場(chǎng)測(cè)量達(dá)到了3 pT/Hz1/2的靈敏度。

以上是對(duì)光纖磁場(chǎng)傳感器的工作原理、研究現(xiàn)狀和性能進(jìn)行了論述。從多通道光纖磁強(qiáng)計(jì)系統(tǒng)到微型三軸矢量原子磁強(qiáng)計(jì)的發(fā)展，體現(xiàn)了傳感器設(shè)計(jì)、材料科學(xué)和精密測(cè)量技術(shù)的綜合進(jìn)步。這些系統(tǒng)不僅提高了測(cè)量的靈敏度和穩(wěn)定性，還實(shí)現(xiàn)了對(duì)磁場(chǎng)多分量的同時(shí)測(cè)量。但技術(shù)的發(fā)展也導(dǎo)致了更復(fù)雜的系統(tǒng)、更高的研發(fā)成本和維護(hù)費(fèi)用。未來(lái)光纖磁場(chǎng)傳感器的發(fā)展可以考慮提高測(cè)量精度、降低系統(tǒng)復(fù)雜性和成本、無(wú)線和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化設(shè)計(jì)，以及開(kāi)發(fā)更加智能和集成化的測(cè)量臺(tái)。

表4為光纖磁場(chǎng)傳感器的性能比較。

5 結(jié)論與展望

本文探討了不同類(lèi)型的光纖磁場(chǎng)傳感器，包括它們的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、工作原理、性能指標(biāo)以及目前的研究進(jìn)展?；诖胖律炜s材料的光纖磁場(chǎng)傳感器結(jié)合了磁致伸縮效應(yīng)和光纖技術(shù)，展現(xiàn)出高靈敏度和潛在的應(yīng)用前景。然而，仍面臨靈敏度、穩(wěn)定性和成本等方面的挑戰(zhàn)。基于磁流體的光纖磁場(chǎng)傳感器具有高靈敏度和易于集成的優(yōu)勢(shì)，但是其受溫度影響大，如何提高磁流體的穩(wěn)定性、擴(kuò)大檢測(cè)范圍是該類(lèi)型傳感器的發(fā)展方向?；诜ɡ谛?yīng)的光纖磁場(chǎng)傳感器的靈敏度通常較低，因此改善其性能是主要的研究方向。而光纖激光磁場(chǎng)傳感器利用電流與磁場(chǎng)的相互作用，通過(guò)測(cè)量光纖激光器的形變來(lái)測(cè)量磁場(chǎng)，具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。而如何進(jìn)一步提高靈敏度和穩(wěn)定性、降低制作成本等仍需要科研人員不斷探索解決。

綜上所述，光纖磁場(chǎng)傳感器作為一種新型的磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的發(fā)展?jié)摿?。在未?lái)的研究中，我們應(yīng)繼續(xù)深入探索其設(shè)計(jì)原理、優(yōu)化性能，并推動(dòng)其在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，以更好地服務(wù)于科學(xué)技術(shù)進(jìn)步和社會(huì)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]Wang H J，Guo J K，Mo H，et al. Fiber optic sensing technology and vision sensing technology for structural health monitoring[J]. Sensors，2023，23（9）：4334

[2]Zhao X Y，Li C X，Qi H C，et al. Integrated near-infrared fiber-optic photoacoustic sensing demodulator for ultra-high sensitivity gas detection[J]. Photoacoustics，2023，33：100560

[3]Gong Z D，Xiang Z Y，Ouyang X，et al. Wearable fiber optic technology based on smart textile：A review[J]. Materials，2019，12（20）：3311

[4]段沐森，李鵬，劉盛春. 光纖磁場(chǎng)傳感器[J]. 黑龍江大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào)，2020，37（4）：477-483"Duan M S，Li P，Liu S C. Optical fiber magnetic field sensors[J]. Journal of Natural Science of Heilongjiang University，2020，37（4）：477-483

[5]賈靈艷，梁麗麗，謝飛，等. 基于磁致伸縮棒的干涉型微納光纖磁場(chǎng)傳感器[J]. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2023，60（7）：0728003"Jia L Y，Liang L L，Xie F，et al. Interferometric optical microfiber magnetic field sensor based on magnetostrictive rod[J]. Laser amp; Optoelectronics Progress，2023，60（7）：0728003

[6]覃尚鵬. 基于折射率調(diào)控及磁致伸縮效應(yīng)的光纖磁場(chǎng)傳感器[D]. 南寧：廣西大學(xué)，2022"Qin S P. Optic fiber magnetic field sensor based on refractive index regulation and magnetostrictive effect[D]. Nanning：Guangxi University，2022

[7]Chen G Y，Jin Z H，Chen J M. A review：Magneto-optical sensor based on magnetostrictive materials and magneto-optical material[J]. Sensors and Actuators Reports，2023，5：100152

[8]呂曉宇. 考慮磁致伸縮效應(yīng)影響的結(jié)構(gòu)振動(dòng)抑制方法研究[D]. 南京：南京航空航天大學(xué)，2020"Lü X Y. Research on structural vibration suppression technology with considering of magnetostriction[D]. Nanjing：Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2020

[9]Liu H L，Or S W，Tam H Y. Magnetostrictive composite-fiber Bragg grating （MC-FBG） magnetic field sensor[J]. Sensors and Actuators A：Physical，2012，173（1）：122-126

[10]Allsop T，Lee G B，Wang C L，et al. Laser-sculpted hybrid photonic magnetometer with nanoscale magnetostrictive interaction[J]. Sensors and Actuators A：Physical，2018，269：545-555

[11]馬瑞，張文濤，李芳. 基于超磁致伸縮材料的光纖磁場(chǎng)傳感器[J]. 鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2019，40（6）：6-10"Ma R，Zhang W T，Li F. A fiber optic magnetic sensor utilizing giant magnetostrictive materials and fiber Bragg grating Fabry-Perot cavity[J]. Journal of Zhengzhou University （Engineering Science），2019，40（6）：6-10

[12]Shi Y，Ma Y Q，Wang Y K. Magneto-elastic-optical coupling of Terfenol-D based optical fiber magnetic field sensors[J]. Materials Research Express，2019，6（8）：086106

[13]Yoshino T，Kurosawa K，Itoh K，et al. Fiber-optic Fabry-Perot interferometer and its sensor applications[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，1982，30（10）：1612-1621

[14]Zhang P， Tang M， Gao F， et al. An ultra-sensitive magnetic field sensor based on extrinsic fiber-optic Fabry-Perot interferometer and Terfenol-D[J]. Journal of Lightwave Technology，2015，33（15）：3332-3337

[15]Sun H Z，Jiang C Q，Tang J R，et al. High sensitivity optical fiber magnetic field sensor based on semi fixed extrinsic Fabry-Perot interferometer[J]. Optical Fiber Technology，2022，70：102890

[16]Li Z K，Li D C，Dong J H，et al. Study of temperature influence on the rheological behavior of magnetic fluids[J]. Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2022，545：168757

[17]Yerin C V，Vivchar V I. Ellipsometry of magnetic fluid in a magnetic field[J]. Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2020，498：166144

[18]Wang Q，Liu X，Zhao Y，et al. Magnetic field sensing based on fiber loop ring-down spectroscopy and etched fiber interacting with magnetic fluid[J]. Optics Communications，2015，356：628-633

[19]Zheng Y Z，Chen L H，Yang J Y，et al. Fiber optic Fabry-Perot opto?uidic sensor with a focused ion beam ablated microslot for fast refractive index and magnetic field measurement[J]. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics，2017，23（2）：5601905

[20]Zhang Z C，Liu F，Ma Q，et al. Vector magnetometer based on localized scattering between optical fiber spectral combs and magnetic nanoparticles[J]. Journal of Lightwave Technology，2021，39（20）：6599-6605

[21]Li Z Y，Liao C R，Song J，et al. Ultrasensitive magnetic field sensor based on an in-fiber Mach–Zehnder interferometer with a magnetic fluid component[J]. Photonics Research，2016，4（5）：197-201

[22]Qin S P，Lu J Y，Li M W，et al. Magnetic field sensing characteristics based on optical microfiber coupler interferometer and magnetic fluid[J]. Photonics，2021，8（9）：364

[23]Yu Q，Li X G，Zhou X，et al. Temperature compensated fiber optic magnetic sensor based on the combination interference principle[J]. Optics Letters，2022，47（10）：2558-2561

[24]曾嘉偉，文建湘，時(shí)昊，等. 法拉第旋轉(zhuǎn)鏡對(duì)旋轉(zhuǎn)光纖磁光性能測(cè)量的影響[J]. 光學(xué)學(xué)報(bào)，2023，43（3）：0312003"Zeng J W，Wen J X，Shi H，et al. Influence of Faraday rotator mirror on measurement of magneto-optical properties of spun fibers[J]. Acta Optica Sinica，2023，43（3）：0312003

[25]王澤清. 偏振光在一維磁光光子晶體中的傳輸特性[D]. 贛州：贛南師范大學(xué)，2019"Wang Z Q. The propagation properties of polarized light in one-dimensional magneto-optic photonic crystals[D]. Ganzhou：Gannan Normal University，2019

[26]楊泗杰，周學(xué)軍，李光，等. 基于法拉第效應(yīng)的三維光纖磁場(chǎng)傳感器的設(shè)計(jì)[J]. 艦船電子工程，2007，27（5）：153-154，182"Yang S J，Zhou X J，Li G，et al. Design of three-dimensional magnetic-field sensor based on the Faraday effect[J]. Ship Electronic Engineering，2007，27（5）：153-154，182

[27]韓建磊. 基于法拉第效應(yīng)的微型光纖激光磁場(chǎng)傳感器[D]. 廣州：暨南大學(xué)，2014"Han J L. Miniature fiber-laser magnetic-field sensor based on Faraday effect[D]. Guangzhou：Jinan University，2014

[28]Zamani M，Ghanaatshoar M. Highly-sensitive magneto-optical sensors based on thin transmission-type one-dimensional magnetophotonic crystals for the visualization of magnetic fields[J]. Chinese Journal of Physics，2017，55（4）：1181-1188

[29]余霞，羅佳琪，肖曉晟，等. 高功率超快光纖激光器研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)激光，2019，46（5）：0508007"Yu X，Luo J Q，Xiao X S，et al. Research progress of high-power ultrafast fiber lasers[J]. Chinese Journal of Lasers，2019，46（5）：0508007

[30]Cranch G A，F(xiàn)lockhart G M H，Kirkendall C K. High-resolution distributed-feedback fiber laser dc magnetometer based on the Lorentzian force[J]. Measurement Science and Technology，2009，20（3）：034023

[31]王兆剛. 面向海底長(zhǎng)期觀測(cè)應(yīng)用的震磁類(lèi)光纖激光傳感器研究[D]. 北京：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，2017"Wang Z G. Research on seismic and magnetic fiber optic laser sensors for long-term underwater observation applications[D]. Beijing：University of Chinese Academy of Sciences，2017

[32]張軍. 基于安培力原理與濺射金膜的光纖激光磁場(chǎng)傳感器[D]. 廣州：暨南大學(xué)，2018"Zhang J. Fiber laser magnetic field sensor based on ampere force and Au sputter coating[D]. Guangzhou：Jinan University，2018

[33]陳卓琳. 地埋式磁通門(mén)磁力儀觀測(cè)技術(shù)研究[D]. 北京：中國(guó)地震局地球物理研究所，2023"Chen Z L. Research on observation technology of buried fluxgate magnetometer[D]. Beijing：Institute of Geophysics，China Earthquake Administration，2023

[34]賈靈艷. 新型光纖磁場(chǎng)傳感器研究[D]. 天津：河北工業(yè)大學(xué)，2022"Jia L Y. Research on novel optical fiber magnetic field sensor[D]. Tianjin：Hebei University of Technology，2022

[35]張學(xué)亮， 周曉軍， 胡永明， 等. 全保偏光纖地磁傳感器[J]. 中國(guó)激光，2005，32（11）：1515-1518"Zhang X L， Zhou X J， Hu Y M， et al. All polarization-maintaining fiber earth magnetic field sensor[J]. Chinese Journal of Lasers，2005，32（11）：1515-1518

[36]Zhao Q L， Zhou K J， Wu Z S， et al. Near quantum-noise limited and absolute frequency stabilized"lt;styled-content style-type=\"number\"gt;"1083"lt;/styled-contentgt; nm single-frequency fiber laser[J]. Optics Letters，2018，43（1）：42-45

[37]Li J J， Deng Y C， Wang X F， et al. Miniature wide-range three-axis vector atomic magnetometer[J]. IEEE Sensors Journal，2021，21（21）：23943-23948