一种增强型回音壁模式光学谐振腔磁场传感系统

摘要

本发明提供一种增强型回音壁模式光学谐振腔磁场传感系统，该系统的宽带光源的发射端与隔离器的输入端连接，隔离器的输出端与衰减器的输入端连接，衰减器的输出端与波长尺度光纤锥的输入端连接，衰减器的输出端与波长尺度光纤锥的输入端之间的光纤上设置有偏振控制器。波长尺度光纤锥与含磁流体与磁致伸缩介质的WGM光学谐振腔结构通过光学倏逝波耦合的方式将光纤锥中的光场耦合进出谐振腔，光纤锥的输出端与光谱仪的接收端相连。本发明同时引入了磁流体和磁致伸缩介质两种磁场转换介质，二者在磁场作用下，都会改变WGM谐振腔的光学输出特性，这两种介质共同作用能够提高WGM光学谐振腔的磁场测量精度。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种高灵敏度的光学谐振腔磁场传感系统，具体涉及一种含磁流体与磁致伸缩介质的回音壁模式(Whispering gallery mode,WGM)光学谐振腔磁场传感系统，属于光学领域。

背景技术

磁场传感器是信息产业之中不可缺少的基础元器件，在工业自动化、交通运输、电力电子技术、办公自动化、家用电器、医疗仪器等行业都有广泛的应用。其中基于光学谐振腔的磁场传感器由于易集成、功耗低等优点，同时兼具高灵敏度和宽频带的优势，有望在磁场传感领域发挥重要作用。随着磁场传感器应用需求的发展，很多时候现有光学谐振腔磁场传感系统已经无法满足高精度的测量要求。我们提出了一种含磁流体与磁致伸缩介质的WGM光学谐振腔磁场传感系统，利用这种结构进行磁场传感时，灵敏度相比单独利用磁流体或磁致伸缩介质的光学谐振腔磁场传感器的灵敏度有大幅提高，可以用于高精度的磁场测量。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种含磁流体与磁致伸缩介质的WGM光学谐振腔磁场传感系统，可用于高精度的磁场传感。

一种增强型回音壁模式光学谐振腔磁场传感系统，包括宽带光源、隔离器、衰减器、偏振控制器、光纤锥、含磁流体与磁致伸缩介质的WGM光学谐振腔结构、光谱仪。其中含磁流体与磁致伸缩介质的WGM光学谐振腔结构包括内部可填充介质的空心WGM光学气泡状谐振腔、磁致伸缩介质颗粒、胶水、磁流体、及封装的盒子。宽带光源的发射端与隔离器的输入端连接，隔离器的输出端与衰减器的输入端连接，衰减器的输出端与光纤锥的输入端连接，衰减器的输出端与光纤锥的输入端之间的光纤上设置有偏振控制器。光纤锥与含磁流体与磁致伸缩介质的WGM光学谐振腔结构通过光学倏逝波耦合的方式将光纤锥中的光场耦合进出内部可填充介质的空心WGM光学气泡状谐振腔，光纤锥的输出端与光谱仪的接收端相连，磁致伸缩介质颗粒通过胶水固定在谐振腔内，磁流体设置在谐振腔与封装的盒子之间，其中的连接部分全部由光纤来完成；所述的光纤锥与含磁流体与磁致伸缩介质的WGM光学谐振腔结构中的谐振腔始终处于耦合状态，所述的光纤锥的锥区部分的截面直径小于输入光波长；光纤锥与封装的盒子接触位置滴入紫外固化胶，调整光纤锥的位置至最佳的耦合状态，利用紫外灯照射使胶水固化，进而固定光纤锥的位置。

所述的含磁流体与磁致伸缩介质的WGM光学谐振腔结构是传感元，感知外界环境磁场的变化。

所述的含磁流体与磁致伸缩介质的WGM光学谐振腔磁场传感系统中谐振腔的尺寸可以调整，光纤锥截面方向上谐振腔的周长选取范围为百微米到厘米。

所述的谐振腔的壁厚要通过数值模拟计算，保证光在其内传输时会有倏逝波存在于谐振腔的外表面。

所述的含磁流体与磁致伸缩介质的WGM光学谐振腔磁场传感系统中谐振腔的形状不必是气泡状结构，只要保证在磁致伸缩介质及磁流体共同存在时，光学模式能够传输即可。

所述的谐振腔的材料为保证光在其中传输时有倏逝波存在于谐振腔的外表面。

所述的磁致伸缩介质为在磁场作用下能够伸缩的介质。

所述的含磁流体与磁致伸缩介质的WGM光学谐振腔结构中谐振腔和与之耦合的光纤锥均处于磁流体中。

所述的磁流体的折射率会随外界磁场变化发生变化，磁流体在磁场作用下的折射率分布也要保证光在谐振腔内传输；所述的宽带光源的波段选用通讯波段，便于与其它的光学系统进行集成，且与光谱仪的接收波段相匹配。本发明中的传感系统在进行磁场传感时，相比光学谐振腔单独利用磁流体或磁致伸缩介质进行磁场传感，在同样的条件下具有更高的灵敏度。同时，光纤与光学谐振腔的耦合系统尺寸较小，易于集成。

附图说明

图1为发明的一种含磁流体与磁致伸缩介质的WGM光学谐振腔磁场传感系统的结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步阐明本发明的实质性特点和显著进步，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施方式：

具体实施方式一：如图1所示，本实施方式所述的一种含磁流体与磁致伸缩介质的WGM光学谐振腔磁场传感系统，它包括宽带光源1、隔离器2、衰减器3、偏振控制器4、光纤锥5、含磁流体与磁致伸缩介质的WGM光学谐振腔结构S、光谱仪11。所述的含磁流体与磁致伸缩介质的WGM光学谐振腔结构S包括内部可填充介质的空心WGM光学气泡状谐振腔6、磁致伸缩介质颗粒7、胶水8、磁流体9、及可封装的盒子10。宽带光源1的发射端与隔离器2的输入端连接，隔离器2的输出端与衰减器3的输入端连接，衰减器3的输出端与光纤锥5的输入端连接，衰减器3的输出端与光纤锥5的输入端之间的光纤上设置有偏振控制器4。光纤锥5与谐振腔结构S通过光学倏逝波耦合的方式将光纤锥5中的光场耦合进出谐振腔结构S中的谐振腔6，光纤锥5的输出端与光谱仪11的接收端相连。其中的连接部分全部由光纤来完成。在测量磁场时，将该系统置于待测环境中，调整至最佳磁场响应位置，通过光谱仪11探测到的谱线的中心波长的漂移可以解调出待测环境中磁场的变化。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一所述的一种含磁流体与磁致伸缩介质的WGM光学谐振腔磁场传感系统的进一步限定，所述的谐振腔6中首先填充磁致伸缩介质颗粒7，将中间气泡部分填充尽量多的磁致伸缩介质颗粒7，而后利用紫外固化胶8将空隙填满，利用紫外灯照射使腔内胶水固化，并将其固定在盒子10中。利用光线锥5将光耦合进入谐振腔6内，在盒子10内缓慢加入磁流体9，调整光纤锥的位置，保持光纤锥5与谐振腔6的耦合状态。而后，在光纤锥与盒子10接触位置滴入紫外固化胶，继续调整光纤锥5的位置至最佳的耦合状态，利用紫外灯照射使胶水固化，进而固定光纤锥的位置。