[发明专利]一种基于光学双环谐振腔的磁场传感系统

说明书

本发明提出了一种基于光学双环谐振腔的磁场传感系统，本发明的宽带光源输出的宽带光经光纤衰减器、偏振控制器送入耦合波导，波导用于将光场耦合进出双环谐振腔结构，出射光场经耦合波导送入光谱仪的光纤端口，光谱仪上测到的谱线送入数据处理与显示系统；双环谐振腔中的两个环分布在耦合波导的两侧或同一侧，两个环的环长差要保证两环谐振位置差别不超过环长较小的环腔的模式线宽，一个环为参考环，另一个环为传感环，除传感环外区域均覆盖有低折射率紫外固化胶，传感环所在的凹槽位置上利用磁致伸缩介质块封装了磁流体到凹槽内。本发明可探测直流磁场，具备对环境温度不敏感、低成本、低功耗、抗电磁干扰等优点。

技术领域

本发明涉及的是一种基于光学双环谐振腔的磁场传感系统，具体涉及的是由磁致伸缩介质和光学双环谐振腔构建的磁场传感系统，属于光学领域。

背景技术

目前基于光学谐振腔进行磁场测量的手段主要是利用单个谐振腔的透射谱线上的一个谷的中心波长的强度值或波长值随磁场的变化来解调磁场信息，当外界环境存在温度等扰动时，会导致单环谐振腔中心波长的漂移，使得磁场测量存在误差。我们提出了一种基于双环谐振腔的磁场传感结构，通过使用该结构产生的分裂谱线，可以有效降低环境扰动导致的测量误差值。该结构中传感单元的尺寸可以在百微米到几米的量级之间变化，同时兼具低成本和低功耗的优点，可能直接应用于磁场测量相关领域。此外，它还能集成至光纤系统中、不受电磁干扰、且可进行远程探测。

发明内容

本发明针对现有单个谐振腔磁场传感系统受环境扰动影响的不足，提出了一种基于光学双环谐振腔的磁场传感系统，可降低外界环境扰动对于传感器件性能的影响，该传感系统可用于直流磁场的探测。

一种基于光学双环谐振腔的磁场传感系统，包括宽带光源、衰减器、偏振控制器、耦合波导、双环谐振腔结构、紫外固化胶、光谱仪，数据处理与显示系统；

所述的宽带光源输出的宽带光经光纤衰减器、偏振控制器,送入耦合波导，耦合波导用于将光场耦合进出双环谐振腔结构，出射光场经耦合波导送入光谱仪的光纤端口，光谱仪上测到的谱线送入数据处理与显示系统；其中双环谐振腔结构通过紫外固化胶与输入输出耦合波导粘结在一起，所述的双环谐振腔结构包括两个环、磁致伸缩介质和磁流体；两个环分布在耦合波导的两侧或同一侧，两个环之间互相不耦合，两个环的环长差要保证两环谐振位置差别不超过环长较小的环腔的模式线宽，一个环为参考环，另一个环为传感环，除传感环外区域均覆盖有紫外固化胶，传感环所在的凹槽位置上利用磁致伸缩介质块封装了磁流体到凹槽内，传感系统中宽带光源、衰减器、偏振控制器、耦合波导、光谱仪之间的连接均采用光纤连接；光谱仪和数据处理与显示系统之间使用电学方式连接。

作为优选，所述的双环谐振腔用两个微纳光纤环、两个回音壁模式光学微腔或硅片上加工的耦合双波导环构建得到，环长从几百微米到几厘米之间选择，根据空间分辨率按需选择。

作为优选，所述的宽带光源的波段范围要覆盖环长较小的环的3倍自由光谱范围，且与光谱仪的接收波段相匹配。

作为优选，所述的磁致伸缩介质为Terfenol-D或其它的在磁场作用下能够伸缩的介质；磁流体选择商用磁流体，只要保证能在磁场作用下发生折射率变化。

作为优选，所述的双环谐振腔结构要保证光源输出的光场在其内低损耗的传输，同时在腔外表面存在倏逝波。

作为优选，所述的光纤要保证所选波段内光信号的低损耗传输和易探测。

作为优选，所述的偏振控制器的偏振状态要保证光学模式的光学品质因数最高。

作为优选，所述的衰减器要保证到达探测器的光功率在探测器的可接收的功率范围内。

作为优选，所述的紫外固化胶的折射率值要保证光场在腔内低损耗传输。

作为优选，所述的磁流体在传感环的内侧或外侧，或内外侧皆有。