一種基于表面等離子體共振技術(shù)的磁場測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于表面等離子體共振技術(shù)的磁場測量方法，屬于微型光電子檢 測技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 光纖傳感技術(shù)是依據(jù)光學(xué)原理進(jìn)行測量，并有著非接觸和非破壞性測量、幾乎不 受干擾、高速傳輸以及可遙測等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前已成為全世界的研宄熱點(diǎn) (文獻(xiàn)1.侯俊芳，裴麗，李卓軒和劉超光纖傳感技術(shù)的研宄進(jìn)展及應(yīng)用[J]，光電技術(shù)應(yīng) 用，2012,27 (1):49-53)，基于這些優(yōu)點(diǎn)，科研人員提出了基于法拉第效應(yīng)、菲尼爾反射 等光學(xué)效應(yīng)的測量磁場裝置，然而這些方法存在著測量靈敏度低以及所用的敏感材料對 光吸收系數(shù)較大等問題（文獻(xiàn) 2. Arun Anand, Vismay Trivedi and Swapnil Mahajan. Speckle-Based Optical Sensor for Low Field Faraday Rotation Measurement[J], IEEE Sensors Journal. 2013，13 (2):723-727)。
[0003] 為了提高對外界參量的測量靈敏度，我們提出用表面等離子共振（SPR)技術(shù)測量 磁場，這是由于當(dāng)光經(jīng)過其中的納米金屬薄膜表面時，在其兩側(cè)會產(chǎn)生較強(qiáng)的光場，因此它 對接觸物的折射率變化較敏感，利用這種特性能夠?qū)崿F(xiàn)高靈敏度測量(文獻(xiàn)3. Maharana Pradeep Kumar and Jha Rajan. On the electric field enhancement and performance of SPR gas sensor based on graphene for visible and near infrared[J]. Sensors and Actuators B-Chemical. 2015，207:117-122.)。當(dāng)將 SPR 技術(shù)應(yīng)用在磁場測量時， 需要引入對磁場響應(yīng)較好的敏感材料。磁流體，又稱磁性液體，是一種磁性敏感材料，它是 由包裹表面活性劑的磁性粒子懸浮在基液中所形成的穩(wěn)定的膠體體系。經(jīng)過研宄，發(fā)現(xiàn)這 種材料的微觀結(jié)構(gòu)能夠隨著磁場改變而發(fā)生變化，在低磁場作用下，磁流體中的磁性粒子 沿著磁場方向成鏈狀排列，然而在高磁場作用下，形成的磁鏈增大，且磁鏈之間能夠逐漸形 成規(guī)則的"磁流體光子晶體"（文獻(xiàn) 4. Yong Zhao, Yu Ying, Qi Wang and Hai-feng Hu. Simulation on microstructure and optical property of magnetic fluid photonic crystal[J], IEEE Transactions on magnetics. 2014，50(12) :460112)。在這個過程中， 磁流體微觀結(jié)構(gòu)在不同磁場范圍內(nèi)的有效折射率具有不同的響應(yīng)趨勢，即在低磁場范圍的 變化比高磁場范圍內(nèi)敏感，從而將影響高磁場范圍內(nèi)的傳感特性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] (一）要解決的技術(shù)問題 本發(fā)明的目的在于解決磁流體發(fā)生"二相分離"時有效折射率隨磁場變化較低的問題， 提出了一種結(jié)構(gòu)簡單且靈敏度較高的棱鏡耦合結(jié)合磁流體的磁場測量裝置。
[0005] (二）技術(shù)方案 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種棱鏡耦合結(jié)合磁流體的磁場測量裝置。該結(jié)構(gòu)是 在三棱鏡底部放置金膜，同時將填充磁流體的玻璃槽與金膜的另一側(cè)粘貼，使磁流體與金 膜相互作用，然后將其放置于由直流電源和銅線圈組成的磁場發(fā)生單元中。光源發(fā)出的光 經(jīng)過光纖到準(zhǔn)直器時產(chǎn)生空間光路，移動準(zhǔn)直器使入射光按照與法線呈0°到90°夾角的 范圍內(nèi)分別入射到三棱鏡中，并在三棱鏡與金膜接觸面處發(fā)生全反射。接著通過光電探測 器檢測0°到90°夾角范圍內(nèi)的反射率分布。
[0006] 上述方案中，所述的三棱鏡，為保證光由光密介質(zhì)向光疏介質(zhì)傳輸，其折射率取 1. 56 ;所述的金膜，為保證光在三棱鏡底部全反射時產(chǎn)生的倏逝波能夠透過金膜，其厚度 取50nm ;所述的磁流體，粒子成分為Fe304，為保證磁流體不易風(fēng)干，載液選用煤油，體積分 數(shù)為1. 46%，無磁場情況下，它的有效折射率為1. 4565 ;所述的玻璃槽，其腐蝕后的深度為 0. 94 y m ;所述的玻璃槽與金膜的粘貼，采用UV膠涂抹在金膜下表面，后將填充磁流體的玻 璃槽與金膜粘貼在一起后，置于紫光燈下15分鐘，膠慢慢凝固。
[0007] 上述方案中，所述的直流電源，其型號為IT6154,其輸出電流可從0A變化到9A ;所 述的線圈采用半徑為〇.5mm的銅線圈纏繞而成，調(diào)節(jié)直流電源的輸出電流強(qiáng)度，在線圈中 間產(chǎn)生00e至2700e的均勻磁場。
[0008] 上述方案中，所述的光源，其型號為AVESTA，工作波長為1100nm至2000nm，輸 出光信號的平均功率為150mW ;所述的準(zhǔn)直器，其型號為SMA905,其使用波長為200nm 至2500nm ;所述的光電探測器，其型號為PDA50B，工作波長為800nm至1800nm，帶寬為 400kHz，增益為1. 5X103V/A4至4. 75\106￥/^4;所述的光纖為普通單模光纖，芯徑為9 4111， 包層直徑為125 ym。
[0009](三）有益效果 從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果： 1)本發(fā)明提供的一種棱鏡耦合結(jié)合磁流體的磁場測量裝置，將磁流體填充到玻璃槽 中并結(jié)合表面等離子共振技術(shù)方法，利用磁流體微觀結(jié)構(gòu)變化對表面等離子波的調(diào)制作用 實(shí)現(xiàn)對外磁場的測量。這種方法可以降低工藝的復(fù)雜性。
[0010] 2)本發(fā)明提供的一種棱鏡耦合結(jié)合磁流體的磁場測量裝置，可以實(shí)現(xiàn)磁場的高 靈敏度測量，且高磁場范圍內(nèi)的靈敏度是低磁場范圍靈敏度的三倍以上，為表面等離子共 振在磁場傳感領(lǐng)域的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。
【附圖說明】
[0011] 圖1為本發(fā)明提供的棱鏡耦合結(jié)合磁流體的磁場測量系統(tǒng)示意圖； 圖2(a)為本發(fā)明提供的在低磁場階段的共振角響應(yīng)曲線； 圖2(b)為本發(fā)明提供的在低磁場階段的共振角隨磁場變化擬合曲線； 圖3(a)為本發(fā)明提供的在高磁場階段的共振角響應(yīng)曲線； 圖3(b)為本發(fā)明提供的在高磁場階段的共振角隨磁場變化擬合曲線；
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