基于磁流体包覆微纳光纤布拉格光栅的磁场传感特性研究*

聂力远，吴 越，邵明臣，杨宇亮，罗海梅，王昌晶，祝远锋

(江西师范大学江西省光电子与通信重点实验室，江西 南昌 330022)

光纤磁场传感器因其具有安全性好、灵敏度高、响应快、体积小以及抗电磁干扰能力强等诸多优点而受到研究人员的广泛关注[1-2]。磁流体是一种具有多种磁光效应的纳米材料，比如其折射率可由磁场调节，其透射率以及双折射随磁场而变化，此外，还包括法拉第效应等[3-4]，这些效应在近年来都被应用于磁场测量的研究中[5-9]。光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)作为一种基本光纤元件，在光通信和多波长光纤激光器中得到了广泛的应用[10-12]。传统的FBG在标准单模光纤(Single Mode Fiber，SMF)中制作，其光能量被限制在光纤纤芯中且折射率调制深度在整个FBG的长度内是均匀的，这就使得其反射波长不易受到环境折射率的影响从而无法应用于高灵敏度的光纤传感领域。2019年梁星等人提出了一种在5.0 mT~20.0 mT磁场范围内灵敏度为34.9 pm/mT的磁流体包覆薄包层FBG的磁场传感器[13]，但是这种传感器的磁场测量范围较小。微纳光纤布拉格光栅(microfiber Bragg grating，MF-BG)是一种直径在微米或纳米量级的光波导器件，相比于普通的FBG，MF-BG具有倏逝场传播易受环境折射率变化影响的特点[14]，从而可将外界折射率变化转化为反射波长的漂移，因此被应用于液体乃至气体的折射率传感[15]。目前，MF-BG应用于不同环境折射率传感的理论和技术已成为国内外光纤传感研究领域的热点[16]。本文在对MF-BG折射率传感特性进行系统理论研究的基础上，实验制备了不同直径的MF-BG，实现了基于磁流体包覆的MF-BG高灵敏度磁场环境实时在线测量，为MF-BG折射率传感器的设计、优化以及应用提供了参考。

1 理论分析

根据布拉格光栅理论，布拉格波长λB可表示为[17]:

式中:neff和Λ分别表示MF-BG的有效折射率和周期。当Λ不变，λB将随neff线性变化。单模光纤中基模的有效折射率可表示为[18]:

经过高斯场近似和有限元分析可将上式简化得到U和V有如下关系[19-20]:

将式(4)代入到式(2)中，neff进一步可表示为:

实际上，式中的nco和k0为常数，所以neff成为r和ncl的函数。在我们这个模型中，r其实就是近似为MF-BG的半径，而ncl为MF-BG外包层也就是磁流体包层的有效折射率。结合式(1)，我们可以知道λB随着MF-BG的半径和环境折射率改变而改变[21]，MF-BG的中心波长λB随环境折射率(surrounding refractive index，SRI)变化的响应灵敏度可用下式表示:

为了概括不同尺寸MF-BG对于环境折射率的响应灵敏度，计算了工作波长为1 550 nm时，直径为3μm~25μm的MF-BG其neff在环境折射率由1.30增加至1.45过程中的数值变化情况，结果如图1所示。MF-BG的相关参数设置如下:微纳光纤的折射率为1.450 5，布拉格光栅的周期Λ＝0.535 1μm，光栅区长度L＝5 mm，光栅为均匀光栅。从图1我们可以看出，当折射率在1.30附近时，MF-BG中的导模基本被限制在微纳光纤中，因而受到外界环境折射率的影响非常小，随着环境折射率的增大，光纤导模逐渐摆脱光纤区域的限制同时和外界介质的相互作用增强，从而使得MF-BG的折射率对环境折射率的响应灵敏度非线性增加。另外，随着光纤直径减小，导模模场与环境介质的相互作用逐渐增强，所以MF-BG的响应灵敏度也随之增大。

图1 不同直径MF-BG有效折射率随环境介质折射率的变化

根据式(6)，布拉格波长λB对环境折射率的变化和neff呈现同一变化规律。图2描述了不同直径MF-BG的有效折射率对SRI变化的响应灵敏度，图中曲线证明当SRI趋近于微纳光纤的有效折射率时，其响应灵敏度迅速增大。

图2 不同直径MF-BG的n eff对于SRI的响应灵敏度

2 传感器制备和实验测量

2.1 MF-BG的制备

利用氢氧焰加热的方法制备了不同尺寸的基于标准单模光纤的微纳光纤。首先，将标准单模光纤的涂覆层去掉后将其两端分别固定在一对夹具上，这对夹具可由步进电机进行控制；然后，将单模光纤中剥去涂覆层的那一段放置在氢氧焰中进行加热至熔融状态；接着，启动电机控制夹具以大约0.16 mm/s的速度对单模光纤进行缓慢拉伸。通过控制火焰高度以及拉伸的时长，我们获得了直径在10μm范围内的不同粗细的微纳光纤。

利用紫外光穿过周期为535 nm的光栅掩模板对制备好的微纳光纤进行照射。图3所示为MF-BG的实验制备和在线测量示意图。波长为248 nm能量为15 mJ的KrF被用作照射的紫外光光源，在紫外光照射过程中微纳光纤紧贴着光掩模版。紫外光照射时长大约10 min，扫描速度为1 mm/min。被照射的微纳光纤一端通过一个1×2光纤耦合器连接到一个波长范围为1 200 nm~1 700 nm的宽谱光源(Broadband Light Source，BBS)，光源经过MF-BG的反射光被耦合到光谱仪(optical spectrum analyzer，OSA)，从而可以测量MF-BG的反射光谱；被照射的微纳光纤的另一端连接了一个光衰减器，用来防止光纤产生的端面反射。

图3 MF-BG刻写与在线测量实验装置示意图

图4(a)~(c)为扫描电子显微镜(scanning electron microscope，SEM)拍摄的直径分别为3.94μm、6.47μm和9.24μm的MF-BG，从图中可以看出三根MF-BG的布拉格光栅区域都显示出均匀的直径分布和光滑的光纤表层。图4(d)为不同直径MG-BG的反射谱，根据理论分析，随着微纳光纤直径变小，光栅的布拉格波长将向短波长漂移。同时，我们发现随着光纤直径减小，光栅的反射峰强度也随之减小，这种现象可以解释为光纤拉伸区域和未拉伸区域的数值孔径不相匹配而造成的。另外，光纤直径变小还会导致光栅的反射光谱变得不规则，出现许多侧峰，所以尽管MF-BG直径越小对外界环境的折射率变化越敏感，我们还是选择直径为9.24μm的MF-BG进行后面的电磁场测量实验。

图4 MF-BG的SEM照片及反射谱曲线

2.2 磁流体包覆MF-BG磁场传感器

本文基于磁流体的MF-BG磁场传感器是利用磁流体的折射率会随着外加磁场的变化而发生改变的光学特性，来实现对其包覆的MF-BG的前向传输纤芯模式与后向传输纤芯模式之间的耦合特性进行调谐，从而制作成布拉格波长随外界磁场改变而漂移的磁场传感器。该传感器的结构示意图如图5所示，MF-BG的光栅区域用毛细管套住，采用针管注入的方法将磁流体注入到毛细管将MF-BG光栅部分全部包覆。磁流体包覆的MF-BG的一端依旧经过一个耦合器连接至BBS，其反射光谱通过OSA来进行观察。外加磁场由一个电磁铁提供，磁场强度H的方向垂直于MF-BG，磁场强度的变化范围为0 mT到160 mT，由一个平行于MF-BG放置的高斯计来标定。

图5 磁流体包覆MF-BG磁场传感器结构示意图

我们用Pu等人[22]提出的光纤端面后向反射法来测量磁流体在不同磁场强度下的折射率。利用一个3 dB的“X”型光纤耦合器将波长为1 550 nm的激光器产生的入射光耦合至平切的探测光纤端面，并将此探测光纤端面浸入到磁流体样品中，端面的反射光经由耦合器被光功率计采集，该光功率计的读数取决于磁流体样品和探测光纤的折射率。当室温为20℃，工作波长为1 550 nm，我们测得的密度为1.2 g/mL的水基磁流体样品的折射率随外加磁场强度的变化如图6所示。随着磁场强度由0 mT变化至160 mT，磁流体的折射率由1.447减小至1.425，最大变化量为0.022。

图6 磁流体折射率与磁场强度的关系图

2.3 实验结果与分析

通过OSA观察到的磁流体包覆MF-BG磁场传感器随外加磁场变化的反射谱如图7所示:当外加磁场强度由0 mT开始逐渐增大至160 mT时，MF-BG的反射峰波长逐渐向短波长方向偏移。当磁场强度为0 mT时，其反射峰波长是1 550.17 nm，当磁场强度增加至40 mT，反射峰向短波长方向偏移到1 548.72 nm，当外加磁场强度达到最大值160 mT时，反射峰相较于无外加磁场时总共漂移了1.94 nm。

图7 不同磁场强度下磁流体包覆MF-BG的反射谱曲线

为了更加直观，根据实验测得的在不同外加磁场作用下的反射峰波长绘制拟合曲线，如图8所示。

由图8可以看出，外加磁场在0 mT~40 mT的范围内，其线性度为81.15%，在40 mT~160 mT的范围内，其线性度为94.83%。因此，可以利用这种局部范围内的高线性关系特性进行环境磁场强度传感检测，只不过对应的波长灵敏度不同，在0 mT~40 mT和40 mT~160 mT范围内波长灵敏度分别为36.2 pm/mT和3.6 pm/mT。

图8 不同磁场强度下磁流体包覆MF-BG的反射谱曲线

3 结论

本文提出并制备了一种基于磁流体包覆的MF-BG的全光纤磁场传感器，最高灵敏度达到约36.2 pm/mT，可以应用于弱磁场的实时在线测量。实验采用氢氧焰拉锥技术获得表面光滑且均匀的微纳光纤，并对紫外光刻写前后、磁流体填充前后的反射谱变化进行分析，成功制备出一种灵敏度高、响应速度快、线性度好的磁场传感器，在弱磁场调制、化学微检测以及地质信息监测等方面具有良好的应用前景。