一种基于SPR的六方晶格排布光子晶体光纤磁场传感系统

本技术属于传感器，具体涉及一种基于spr的六方晶格排布光子晶体光纤磁场传感系统。

背景技术：

1、光纤磁场传感系统因其体积小、测量精度高、免疫电磁干扰等优点而受到广泛关注。然而，传统光纤的单一结构、双折射特性，以及测量磁场范围的限制都阻碍了磁场传感性能的进一步提升。相较于传统光纤，光子晶体光纤(photonic crystal fibers,pcf)在光纤磁场传感系统中展现出更优越的光学性能，如可调整的色散、无截至单模传输、高双折射、低损耗和大模场面积等。为满足不同应用场景的需求，优化设计光子晶体光纤及磁场传感系统成为了一项重要且具有挑战性的工作。

2、表面等离子体共振(surface plasmon resonance,spr)的出现进一步推动了光子晶体光纤的发展。表面等离子体共振是一种发生在金属与介质界面的光学共振现象，当光束垂直入射到金属表面上的薄膜或金属纳米结构时，会与金属表面的电子云发生共振，导致光的吸收、反射和透射发生变化，以更好地控制光的传播路径。

3、近年来，pcf-spr传感器在磁场检测方面取得了显著的进步。huang等人(huang,h.,et al.,a highly magnetic field sensitive photonic crystal fiber based onsurface plasmon resonance.sensors,2020.20(18):p.5193.)提出了一种基于方形排布的pcf磁场传感器，其中央气孔被涂有金属薄层，并注入了磁性敏感材料磁流体(mf)。朱l.q等人(zhu,l.,et al.,optical fiber spr magnetic field sensor based on photoniccrystal fiber with the magnetic fluid as cladding.measurement science andtechnology,2021.32(7):p.075106.)报道了一种基于spr的六方形配置排列pcf用于磁场检测。最大灵敏度可达4.42nm·mt-1。dash,j.n等人(dash,j.n.and r.das,spr basedmagnetic-field sensing in microchannelled pcf:a numerical approach.journal ofoptics,2018.20(11):p.115001.)提出了一种侧面抛光的pcf磁场传感器，表面涂有ito涂层以激发spr效应，其磁场灵敏度和最大分辨率分别为0.564nm·oe-1和0.177oe。然而，为满足不同应用场景的需求，pcf-spr传感器在磁场检测方面的灵敏度仍然需要进一步提高。

技术实现思路

1、本实用新型旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。

2、为此，本实用新型提出了一种基于spr的六方晶格排布光子晶体光纤磁场传感系统，包括：光源、偏振调节器、单模光纤、光子晶体光纤、磁场建立装置和采集分析系统；光源用于发射光束；偏振调节器与光源相连接，偏振调节器用于对光束进行偏振调节，以发射出偏振光束；单模光纤的输入端与偏振调节器相连接，单模光纤用于传输偏振光束：光子晶体光纤包括包层和空气孔，空气孔以六方晶格结构排布在包层内，且空气孔沿包层的长度方向延伸并贯穿包层，其中，部分空气孔内填充有磁流体；光子晶体光纤的输入端与单模光纤的输出端相连接，光子晶体光纤用于使偏振光束产生表面等离子体共振；磁场建立装置设置在光子晶体光纤的外侧，磁场建立装置用于建立磁场；采集分析系统与光子晶体光纤的输出端相连接，采集分析系统用于采集和分析数据。

3、另外，本实用新型提供的上述技术方案中的一种基于spr的六方晶格排布光子晶体光纤磁场传感系统还可以具有如下附加技术特征：

4、可选的，磁场建立装置套装在光子晶体光纤的外侧，以在光子晶体光纤的传感区域内建立均匀磁场。

5、可选的，磁场建立装置为螺线管。

6、可选的，空气孔包括第一空气孔、第二空气孔和第三空气孔，第一空气孔排布在六方晶格结构的外层，第二空气孔排布在六方晶格结构的内层和中间层，第三空气孔排布在六方晶格结构的内层和中间层。

7、可选的，空气孔还包括填充孔，填充孔排布在六方晶格结构中间层，填充孔用于填充磁流体。

8、可选的，填充孔的内壁面上覆盖有金属薄膜，金属薄膜在填充孔内围设成填充腔，填充腔内填充有磁流体。

9、可选的，第一空气孔、第二空气孔和第三空气孔的直径均不相等。

10、可选的，第一空气孔的直径为0.8～1.1微米，第二空气孔的直径为1.4～1.7微米，第三空气孔的直径为1.4～1.7微米，填充孔的直径为1.8～2.1微米。

11、可选的，采集分析系统包括：光谱分析仪和计算机；光谱分析仪与光子晶体光纤的输出端相连接，光谱分析仪用于采集偏振光束的损耗数据，形成损耗光谱；计算机与光谱分析仪相连接，计算机用于分析损耗光谱。

12、本实用新型的一种基于spr的六方晶格排布光子晶体光纤磁场传感系统，与现有技术相比，有益效果为：

13、空气孔以六方晶格结构排布在包层中相比于其他布局方式，在制备过程中相对容易控制和实现，操作简单，生产效率高，适合规模化生产。

14、空气孔以六方晶格结构排布在包层中，其排列更加紧密，能够在有限的空间内形成更高密度的光子晶体光纤，高密度的空气孔布局不仅可以提供更大的表面积，增加与光的相互作用，还可以形成更复杂的光子晶格，有助于提高光子晶体光纤的性能，提高了光纤的利用率。

15、光子晶体光纤主要利用磁流体的折射率可调性，通过在部分空气孔内填充磁流体，以改变光子晶体光纤中的折射率分布，实现传光子晶体光纤的传感功能，磁流体的折射率可以通过改变外部磁场的强度来调节，因此通过填充磁流体，可以实现光纤对磁场的高灵敏度响应，使光纤可以用于精确的磁场检测，提高检测精度，扩大了检测范围。

16、光纤磁场传感系统利用了磁流体的折射率随磁场强度的变化而变化的特性，通过改变磁场强度，改变磁流体的折射率；而磁流体的折射率变化会使共振条件发生变化，进而使共振损耗图谱中的共振损耗峰发生明显变化，即当磁流体的折射率增大或减小时，采集分析系统显示的不同折射率下的损耗峰峰值分别会发生红移或蓝移，从而实现了磁场的准确测量。光纤磁场传感系统利用磁流体，提高了传感的灵敏度、扩大了磁场检测的范围，更好地实现了对光子晶体光纤传导光信号的折射率需求，更好地兼容了检测精度，提高了品质因数。

17、当磁流体折射率从1.42增加到1.45时，共振波长从832nm移到1281nm，平均波长灵敏度为14786nm/riu；同时，在折射率范围为1.42～1.45时，波长灵敏度可达到最大值25000nm/riu。

技术特征：

1.一种基于spr的六方晶格排布光子晶体光纤磁场传感系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于spr的六方晶格排布光子晶体光纤磁场传感系统，其特征在于：

3.根据权利要求2所述的一种基于spr的六方晶格排布光子晶体光纤磁场传感系统，其特征在于：

4.根据权利要求1所述的一种基于spr的六方晶格排布光子晶体光纤磁场传感系统，其特征在于：

5.根据权利要求4所述的一种基于spr的六方晶格排布光子晶体光纤磁场传感系统，其特征在于：

6.根据权利要求5所述的一种基于spr的六方晶格排布光子晶体光纤磁场传感系统，其特征在于：

7.根据权利要求6所述的一种基于spr的六方晶格排布光子晶体光纤磁场传感系统，其特征在于：

8.根据权利要求7所述的一种基于spr的六方晶格排布光子晶体光纤磁场传感系统，其特征在于：

9.根据权利要求1～8中任一项所述的一种基于spr的六方晶格排布光子晶体光纤磁场传感系统，其特征在于，所述采集分析系统(6)包括：

技术总结
本技术提供了一种基于SPR的六方晶格排布光子晶体光纤磁场传感系统，所属传感器技术领域，包括：光源、偏振调节器、单模光纤、光子晶体光纤、磁场建立装置和采集分析系统；光子晶体光纤包括包层和空气孔，空气孔以六方晶格结构排布在包层内，且空气孔沿包层的长度方向延伸并贯穿包层，其中，部分空气孔内填充有磁流体。磁流体的折射率可以通过改变外部磁场的强度来调节，通过填充磁流体，可以实现光纤对磁场的高灵敏度响应，使光纤可以用于精确的磁场检测。光纤磁场传感系统利用了磁流体的折射率随磁场强度的变化而变化的特性，磁流体的折射率变化会使共振条件发生变化，使共振损耗图谱中的共振损耗峰发生明显变化，从而实现了磁场的准确测量。

技术研发人员：唐畅,赵雨玉,杨丹,程同蕾,杨松泽
受保护的技术使用者：东北大学
技术研发日：20230714
技术公布日：2024/2/8