磁流體包覆無芯-三芯-無芯光纖結構的磁場傳感器

陶 宇， 牛思瑤, 馮文林*

(1. 重慶理工大學 理學院, 重慶 400054;2. 綠色能源材料技術與系統重慶市重點實驗室, 重慶 400054)

1 引 言

近年來，基于磁流體(Magnetic Fluid, MF)的光纖磁場傳感器的研究受到諸多重視[1]。磁流體具有獨特的光學特性，加之光纖傳感器靈敏度高、耐腐蝕、尺寸小、重量輕、結構簡單、不易受外界環境影響等優異特點，與傳統磁場傳感器如磁通門磁強計、霍爾傳感器、核磁共振測場儀相比，磁流體光纖磁場傳感器優勢明顯。由納米磁性顆粒、基液和表面活性劑組成的磁流體，是一種獨特的功能型材料，表面活性劑包裹著納米數量級的磁性粒子，均勻地分布在基液中形成一種均勻穩定的膠體溶液[2-3]。當處于磁場環境中，磁流體被磁化，內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測磁場，將鐵磁流體封裝在閃耀光纖光柵環型諧振腔內來制作磁場傳感器[4-5]。重慶大學Deng[6]等人提出磁流體與邁克爾遜干涉結構結合的光纖磁場傳感器，其磁場靈敏度為64.9 pm/mT。Miao[7]等人研究了一種雙向光纖磁場傳感器，其結構是偏芯和磁流體結合，探測到的垂直和平行光纖軸的磁場靈敏度分別是-0.025 34 dB/Oe和0.011 11 dB/Oe。Wu[8]等人將單模光纖和細芯光纖進行熔接，并結合磁流體構成細芯光纖模式干涉儀實現對磁場的檢測，強度靈敏度可以達到0.058 dB/Oe。Chen[9]等人采用錐形的馬赫-曾德干涉(Mach-Zehnder Interferometer, MZI)結構，并結合磁流體實現了對磁場的探測。Jia[10]等人提出基于無芯光纖級聯光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating, FBG)的光纖磁場傳感結構，在降低溫度的交叉靈敏度的同時也提高了磁場靈敏度。哈爾濱工業大學的胡濤[11]等提出基于磁流體的光纖F-P傳感器，實現了對電磁場的測量。哈爾濱理工大學的沈濤[12]等設計并制作了MZI集成化的全光纖磁場與溫度傳感器，實現了對溫度和磁場的測量。楊淑連[13]等設計了一種基于FBG啁啾效應的磁場傳感器, 導出了FBG的反射譜帶寬與磁感應強度的關系。上述文獻大多采用特種光纖和磁流體結合、復雜的光纖結構和磁流體結合等方法來實現對磁場的測量。因此，本文研究了結構簡單的無芯-三芯-無芯(No-core-Three-core-No-core，NTN)光纖結構與磁流體結合的磁場傳感器，實現了對磁場的精確測量。

2 基本原理

2.1 工作原理

在磁流體的眾多光學特性中有一個是折射率可調即磁流體的折射率隨著外界磁場的變化而變化。當外界加有磁場時，磁流體會出現固相和液相分離的現象[14]，從而導致磁流體的有效介電常數改變，進而改變磁流體的折射率。磁流體的折射率與外加磁場之間的關系為：

(1)

其中：εcol代表固相磁柱的介電常數，這和外界磁場無關；εliq代表液相的介電常數，與磁流體在外磁場作用下產生的實時等效濃度Ms.eff(原始濃度為Ms)有關[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。隨著外加磁場的增大，磁性粒子會發生團聚產生磁柱，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滿足關系式[17]：

(4)

由于三芯光纖纖芯的直徑遠小于無芯光纖(No Core Fiber, NCF)，故當光源發出的光通過傳導單模光纖(Single-Mode Fiber, SMF)進入第一個NCF后大部分光進入纖芯模，剩下的光進入到三芯光纖包層模中。隨后，這兩束光在后一個NCF處實現模間干涉[18-19]。干涉結果由輸出SMF傳輸到光譜分析儀進行監測。因此，透射光譜強度為[20]：

Iout(λ)=

(5)

其中：Ia和Ib分別為芯模和包層模中的光強，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度。當相位差2πΔneffL/λ=(2m+1)π(m是正整數)時發生相消干涉，由公式(5)可得干涉透射光譜中干涉波谷對應的波長為[21]：

λf=2ΔneffL/(2m+1).

(6)

由式(1)～式(4)可以計算出磁流體的折射率。外界環境(磁場) 的變化不會引起三芯光纖芯模的有效折射率變化，但會引起包層模的有效折射率變化。由式(1)～式(4)可知，當磁場強度改變時f會發生變化，f的改變會導致磁流體的折射率發生變化，而磁流體包裹著NTN傳感結構，故被磁流體包裹著的三芯光纖的包層模有效折射率會改變，從而造成Δneff的改變，由式(6)可知干涉谷波長會發生偏移。

在磁流體中施加適當的外部磁場時，磁流體的粒子會發生團聚。在這一區域，由于磁流體的吸收，部分光消失，從而減弱了倏逝場的強度；同時，可以通過改變所施加磁場的強度來調節衰減程度，因為當外部磁場施加超過一定的臨界值時，磁流體內會形成團聚體[22]。這將增強磁流體的吸收并提高散射系數，減少了倏逝場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的強度來調制總出射光強度。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分別是有磁場和無磁場時的透射光譜強度；r是倏逝場的功率與總傳播光場的功率之比；α是磁流體的消光系數；s是沿光軸毛細管中磁流體的長度。由式(7)可知，參數r，α和s可用來調制透射光譜強度，其中磁流體的消光系數α可通過外部施加的磁場改變。因此，通過測量波長位移或功率衰減，可測量出相應的磁場強度。

2.2 傳感結構制作

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

圖1 磁場傳感元件Fig.1 Schematic diagrams of magnetic field sensing element

通過熔接機中的單模-多模熔接程序，按無芯-三芯-無芯的順序熔接好傳感結構，熔接損耗接近于0 dB。然后，將制作好的NTN傳感結構一端和傳導SMF用熔接機的單模-多模熔接程序熔接好后，插入內徑為0.3 mm，長為70 mm的毛細管中，再用熔接機將NTN傳感結構另一端和另一條傳導SMF用相同的熔接程序熔接好，這個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管口，借助毛細管張力的作用，磁流體逐漸充滿毛細管并環繞在傳感光纖結構周圍，最后用紫外固化膠對傳感結構進行封裝，將固化膠滴在毛細管的兩端口，再用紫外燈進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。實驗用的磁流體為水基磁流體(浙江嘉善嘉誠磁性材料廠)，在常溫(25 ℃)時的密度為1.27 g/cm3，其納米磁性顆粒的直徑是10 nm，被磁化時達到的最大磁化強度約為20 mT。

3 實驗結果與討論

圖2是測試NTN結構的磁場傳感器實驗裝置。實驗所用的寬帶光源是C+L波段光源(BBS, ASE-C/L-D-17-FA)，其輸出波長為1 530～1 630 nm。發出的光經過傳導SMF傳輸進NTN傳感結構，透射光譜由分辨率0.1 nm的光譜分析儀(OSA,YOKOGAWAAQ6370D)監測。該傳感實驗是在常溫(25 ℃)下進行的。實驗所需磁場是由(100 mm×10 mm×10 mm)永久釹磁鐵產生的，將磁鐵中心和毛細管對齊平行放置，通過控制與毛細管的距離來改變磁場強度并用精確度為0.1 mT的特斯拉計(TS)實時測量。

圖2 磁場傳感實驗裝置Fig.2 Magnetic field experimental setup

圖3給出了無芯-三芯-無芯光纖傳感結構在不同磁場強度下(0～20 mT)測得的透射光譜，從0 mT開始測量，磁場強度的間隔是2 mT。為了保證光譜的穩定性，每條光波都是在磁場強度變化后1 min再記錄的。從圖中可以看出，在1 606 nm附近的波谷處，透射譜波長向長波移動即產生紅移且隨著磁場的增大紅移現象更加明顯，波長偏移量也更大；此外，在該波長附近的波谷處，光譜強度隨著磁場的增大而增加。

圖3 NTN傳感結構在不同磁場強度下的透射譜Fig.3 Transmission spectra of NTN sensor structures at different magnetic field intensities

圖4 NTN結構在1 606 nm附近的波長漂移Fig.4 Wavelength shift of NTN structure near 1 606 nm

圖4為波長約為1 606 nm的波谷的放大圖，可以看出波谷波長的漂移變化和磁場強度的關系，并在一定的磁場強度范圍內對其關系進行線性擬合處理。由圖4可知，在8～16 mT的磁場強度內，波長從1 606.3～1 606. 8 nm單調增加，從整體上看波長漂移和磁場強度變化的關系是非線性的，但在磁場強度為8～16 mT內，磁場傳感器的波谷波長漂移響應呈現良好的線性關系，對應的波長靈敏度是68.57 pm/mT。

由圖3和圖4可知，隨著磁場的增加，波谷波長向長波方向移動。其原因是，當外界磁場強度增加，在沒達到磁流體飽和磁化強度20 mT時，由式(3)～式(6)可知磁流體的折射率也隨之增大，但在本實驗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，磁流體會吸收更多在三芯光纖包層模中傳輸的光，因此包層模的模場能量減小，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，波谷波長將發生紅移，和實驗結果一致。

圖5 NTN結構在1 606 nm附近的功率衰減Fig.5 Power attenuation of NTN structure near 1 606 nm

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

4 結 論

本文研究并驗證了一種NTN光纖結構和磁流體結合的磁場傳感器，用直徑為125 μm的無芯光纖代替傳統意義上的多模光纖，增強了模間干涉；MF的消光系數可以通過外界磁場的改變而變化，從而導致NCF與MF交界面附近的倏逝場周圍的光通過NCF時產生不可忽略的衰減。通過測量波長漂移或功率衰減，可以測量出相應的磁場強度。該磁場傳感器在磁場強度是8～16 mT，波長為1 606 nm附近的波長漂移靈敏度是68.57 pm/mT，對應的強度靈敏度是0.828 7 dB/mT，優于現有的磁場傳感器。