基于高Q值回音壁模谐振腔的弱磁场光纤传感技术研究

Optical fiber magnetic field sensors have attracted significant interest in the field of fiber-optic sensing, owing to their advantages of small size, electrically neutral, anti-electromagnetic interference, anti-corrosion and so on, compared to the conventional electrical magnetic field sensors. However, optical fiber weak magnetic sensors are not fully investigated until now, due to the limitation of resolution and sensitivity of the sensors. In this project, we focus on the development of new approach and new devices for weak magnetic sensors by combining the whispering-gallery-modes (WGMs) resonator and magnetic fluid. In details, high Q-factor WGMs devices, magnetic functional nanomaterials, and weak magnetic response characteristic will be deeply investigated and demonstrated. High sensitivity of the sensor can be realized by enhancing the evanescent field coupling effect between WGMs and ferromagnetism nanoparticles. Meanwhile, high magnetic field intensity resolution can also be obtained by fabricating the high Q-factor WGMs devices. Finally, the performance of the proposed sensors with magnetic field range of 20 μT - 120 μT, intensity sensitivity of 100 pm/μT, and detection limitation of 0.01 μT will be achieved. The implementation of this project will provide a new approach for all-fiber-optic and compact weak magnetic sensors, possessing the important research significance and potential applications.

光纤磁场传感器相比于传统电学式传感器具有不带电、抗电磁干扰、体积小、抗腐蚀等优势已成为光纤传感技术领域的研究热点之一。然而，目前弱磁场光纤传感器因受分辨率和灵敏度的制约仍缺乏深入研究，亟待进一步探索。本项目拟将光学微腔理论与磁流体纳米材料相结合，开展新型弱磁场光纤传感方法和器件的研究。具体将从“高Q值回音壁模式(WGM)器件”、“磁性纳米材料磁光特性”和“传感器制备及弱磁场响应特性”三个方面系统研究。研究基于WGM谐振腔的弱磁场传感机理，掌握提高WGM与磁性纳米粒子的磁光耦合的方法，提高磁场探测灵敏度；建立WGM数理模型，制备高Q值空心微球WGM器件，提高磁场探测分辨率。最终达到磁场测量范围20μT-120μT，磁场强度灵敏度100pm/μT，探测极限小于0.01μT。本项目为弱磁场光纤传感提供新方法，推动弱磁场传感技术向微型化和全光纤化方向发展，具有重要科学研究意义和客观需求。

弱磁场探测技术已广泛应用于陆地、海洋、太空、生物医疗、军事等领域，光纤弱磁场传感器可有效克服传统电学磁场传感器在抗电磁干扰、尺寸大、耐腐蚀弱等方面的不足。本项目将光纤WGM技术与磁流体纳米功能材料相结合，通过对局部磁性纳米粒子有效折射率随磁场强度的高灵敏度探测，实现对弱磁场高精度传感测量。本项目的主要工作内容包括了光纤空心微球谐振腔的光学理论仿真、光纤空心微球WGM器件制备、磁流体纳米材料动力学分析和传感器解调四大部分。.1）光纤空心微球WGM谐振腔理论研究.建立了空心微球WGM数理模型，分析了偏心度、半径、壁厚等参数对WGM的影响。采用时域有限差分法(FDTD)仿真分析谐振模式的光场分布特性。研究空心微球谐振模式对填充介质参数的响应机制，建立填充介质介电常数与谐振模式的理论模型，为空心微球的制备和传感机理研究奠定了理论基础。.2）光纤空心微球的制备工艺研究.提出了新的全角度非接触加热方法制备光纤空心微球谐振腔，具有高对称度和低畸变特点，能够降低光在微泡内的传输损耗。掌握了高质量空心微球的制备工艺，并通过优化工艺过程探索出最优制备参数。为后续空心微球WGM的激发以及磁场传感器的研制提供了关键器件支撑。.3）磁流体纳米材料磁光特性模型研究.探索磁流体纳米材料在空心微球谐振腔的动力学模型，分析磁性纳米粒子的磁场调控机理。实验研究表明磁流体的磁光特性微观上是由磁性纳米粒子的运动与分布所决定的。设计磁光耦合结构，实验验证与分析基于磁流体磁光特性的磁场传感机理，并为后续磁场传感器研究奠定理论和实验基础。.4）光纤弱磁场传感器制备和实验测试研究.搭建了空心微球WGM测试平台，实验采集与分析了谐振光谱特性，计算了空心微球谐振光谱Q值。搭建了光纤磁场传感测试平台，制备了基于空心微球和磁流体的光纤弱磁场传感器，通过WGM谐振模式与磁流体材料的光耦合作用，使谐振波长随磁场强度变化，实现了对弱磁场的高灵敏度传感测量。