基于侧抛光纤损耗模谐振的高灵敏矢量磁场传感研究

Because of the advantages of small size, electric insulation, ease of networking integration, etc., all-fiber magnetic flied sensors have become one of the research hotspots in the field of optical fiber sensing. The key concern in magnetic field sensing is how to achieve the high sensitivity to both of the magnetic field intensity and direction simultaneously. In this project, we plan to start with innovating the magnetic field sensing mechanism, the micro-nano structure of optical fiber, and nanoparticle magnetic fluid (MF), and then develop the optical fiber vector magnetic field sensors with high sensitivity. The specific research includes as following: (1) enhance the evanescent field strength by depositing sub-micrometer or nanometer coating on the surface of side-polished fiber (SPF) and stimulating the lossy mode resonance (LMR); explore the microstructure of MF around SPF and reveal the mechanism of MF tuning LMR. (2) Construct the simulation model of LMR devices based on SPF, study the influences of structure parameters and MF microstructure to the sensitivity of vector magnetic field including intensity and direction, and optimize the design of devices. (3) Conduct the research on the key technologies including the fabrication of SPFs with high precision，the deposition of thin film layer, the encapsulation of magnetic fluid, etc. (4) Conduct the experimental research on the vector magnetic field sensing with high sensitivity based on optical fiber LMR. The implementation of this project will provide the all-fiber vector magnetic field sensing with a novel mechanism and a versatile platform, possessing the important research significance and application values.

全光纤磁场传感器具有体积小、电绝缘和易集成等优点，成为近年来光纤传感领域的研究热点。如何同时获得对磁场强度和磁场方向的高灵敏响应是其中的关键问题。本项目拟从创新磁场传感机制、光纤的微纳结构和纳米磁流体材料出发，发展高灵敏的光纤矢量磁场传感方法和器件。具体研究包括：（1）在侧抛光纤的表面镀亚微/纳米光学薄膜层，通过激发损耗模谐振（LMR）的方式来增强倏逝场强度；探索磁流体在侧抛光纤周围的非均匀聚集特性，揭示磁流体对LMR的调控机制。（2）构建侧抛光纤LMR器件的仿真模型，研究矢量磁场（强度和方向）传感灵敏度受结构参数和磁流体的非均匀聚集特性的影响，完成器件优化设计。（3）开展高精度侧抛光纤的制备、LMR薄膜层的制备、磁流体的封装等关键技术的研究。（4）开展光纤LMR矢量磁场传感器的表征测试和应用推广研究。本项目的开展将为全光纤矢量磁场传感提供新的机制和平台，具有重要的研究意义和应用价值。

磁场作为基本的物理量之一，对其进行准确的测量在民用、工业、军事等领域具有重要意义。基于磁流体的全光纤磁场传感器成为近年来光纤传感领域的研究热点，然而前期工作以标量磁场传感为主，且灵敏度有待提升。本项目则从磁场作用下的磁流体在光纤周围的非均匀分布特性出发，通过侧边抛磨来打破光纤中光场的中心对称性，同时在光纤表面镀制纳米光学薄膜层，激发出具有强倐逝场的损耗模共振（LMR）或表面等离子体共振（SPR，可看作为一种特殊的LMR），综上来获得高灵敏度的矢量磁场光纤传感器。在本项目中，研究了基于侧抛光纤LMR的产生机理以及关键参数对灵敏度的影响规律，对传感器结构参数进行了优化，实验获得5326.43 nm/RIU（1.334-1.381 RIU）的折射率灵敏度，为进一步集成磁流体后高灵敏的磁场传感提供了条件；研究了对不同光纤结构（包括侧抛少模、多模光纤结构和异芯光纤结构）表面镀制金属膜层时，SPR的激发和光场分布特性，及其折射率和温度响应特性；研究了磁场作用下的磁流体在光纤周围的非均匀分布特性，及其随磁场方向的变化规律，为矢量磁场传感提供了研究基础；将磁流体披覆在镀制纳米光学膜层的侧抛光纤或异芯光纤结构外部，获得高灵敏的矢量磁场传感器，磁场强度和方向灵敏度分别最高达到1008 pm/Oe和-11.917 nm/degree，超过项目申请时的500 pm/Oe和1 nm/degree的预期指标。基于以上工作，在本领域主流期刊上发表直接相关论文12篇，申请发明专利和实用新型各3项，授权3项。在本项目支持下，还在纳米材料增强的棱镜型SPR生物传感等方面进行了探索，发表相关论文7篇。负责人在国内和国际会议上做邀请报告2次、分组报告1次、墙报2次。培养硕士研究生3名、本科生5名：培养研究生在第8届APOS国际会议上做口头报告，并被授予“2019 OSA Student Prize”；培养本科生获得2019年全国大学生创新创业年会两项奖励、并持续成功入选2020年年会，获得2021年广东省“挑战杯”大学生学术科技作品竞赛特等奖。本项目所获成果，将对光纤磁场传感、磁响应光子器件等领域的发展产生积极作用。