Temperature and magnetic field optical fiber sensor based on magnetic fluid structure

磁场与温度的测量在化学工业、海洋监测、电力系统等领域有举足轻重的地位。光纤传感器具有结构紧凑、灵敏度高、功耗低等优良特性，若结合磁敏材料或温敏材料，则可以把外界环境的磁场和温度的改变，转化为光纤中可以监测到的相位、幅度等参量的变化，从而达到测量的目的。具有多功能磁光特性的磁流体是最合适的选择。

在没有外界环境影响时，磁流体中的磁性纳米颗粒随机分布在基液中。当磁场或温度变化时，磁性纳米颗粒就会重新排布，从而影响磁流体折射率。最近几年，学者们利用磁流体折射率对温度和磁场响应的特性，使磁流体包覆倾斜光栅^[1]、腐蚀的细芯光纤^[2]、无芯光纤^[3]、D型光纤^[4]等传感结构，或者将磁流体填充于光子光纤空气孔^[5]、F-P传感腔^[6]等方式，使得在磁场和温度的作用下，磁流体的折射率变化引起光纤中传输光束的相位、幅度等相应参数发生改变，从而实现对外界温度和磁场的测量^[7]。这些磁场与温度传感器虽然获得了较高的灵敏度，但制作成本高，且存在一定的危险性和复杂性。

本文中制作了一种球形-细芯-球形(sphere-thin core fiber-sphere, STS)结构的传感器并由磁流体包覆，实现了磁场与温度的同时测量，灵敏度为-0.0967 nm/mT和0.0667 nm/℃，但由于该传感器的透射光谱消光比较差，不利于传感器的解调。本文作者改良设计了一个磁流体包覆球形-多模-细芯-球形(sphere-multi mode fiber-thin core fiber-sphere, SMTS)的传感器，该传感结构在第1个球形结构处增加了一段多模光纤，充分激发细芯光纤中的高阶模，增加在细芯光纤包层中传输光的能量，增强传感器的消光比，提高了传感器的抗噪性能。在实际运用中，该磁流体包覆的球形-多模-细芯-球形传感器制作简单、成本低、且灵敏度较高，在温度与磁场同时测量领域具有可观的应用前景。

基于磁流体包覆的干涉型光纤传感器，通常通过不同光纤拼接、拉锥、放电熔接等方式，制成模式失配节点。光束经过这一节点时，一部分光进入到光纤的包层中传输，剩余光继续在纤芯中传输，然后于另一模式失配节点耦合进入输出光纤纤芯中传输。在纤芯和包层传输的光束经过传感光纤后产生相位差，发生干涉后输出。输出光的光强可表示为^[8]：

式中，I_core是纤芯基模的光强；I_{cladding, m}是m阶包层模的光强；φ为二者的相位差，可表示为：

式中，L是传感光纤长度；λ是光波长；Δn_eff是纤芯模和包层模的有效折射率差。当φ=(2m+1)π时，m为整数，干涉光强最小，此时波长可表示为^[9]：

干涉仪的光谱可以通过自由光谱范围、消光比等参量进行评价。自由光谱范围可以表示为^[10]：

由上式可以看出，有效折射率差、干涉长度和波长可以影响自由光谱范围。

定义光谱的消光比R为^[11]：

由(5)式可知，I_cladding/I_core的值越接近1，即纤芯与包层模中的能量差越小，消光比越大，干涉效果越明显。

该传感器中传感结构由磁流体包覆，在外界温度与磁场的影响下，磁流体的磁性纳米粒子的运动状态改变，所以其折射率发生改变^[12]，从而影响光纤包层的折射率，使Δn_eff改变。由(2)式和(3)式可知，该传感器透射光谱的幅度和波长发生偏移。因此，通过监测透射光谱某单一特征波谷的波长和幅度的偏移量，建立敏感矩阵，即可实现温度与磁场的变化。当磁场与温度的变化量分别为ΔH和ΔT时，该敏感矩阵可表示为^[13]：

式中，Δλ和ΔI分别为该特征波谷的波长和幅度偏移量；K₁和K₃分别表示在磁场作用下，该特征波谷波长和幅度的灵敏度；K₂和K₄分别表示在温度的作用下，该特征波谷波长和幅度的灵敏度，其中K₁·K₄≠K₂·K₃。在实际应用中，仅监测单个特征波谷的波长和幅度变化量，即可获得外界温度和磁场的变化量。

该磁流体包覆的球形-细芯-球形温度与磁场双参量传感结构如图 1a所示，其中球形是光纤熔接机在单模光纤(single mode fiber, SMF)末端多次放电制成的，其直径为176 μm，显微镜实物图如图 1b所示，在两个球形之间连接一段长15 mm的细芯光纤(thin core fiber, TCF)组成马赫-曾德尔干涉仪，其中细芯光纤的纤芯与包层直径分别为6 μm /80 μm。将传感结构封装于玻璃毛细管中，并使磁流体均匀充分地包覆于传感结构表面。

Figure 1.  STS sensor structure diagram

光源发出光束，经入射光纤传输到球形结构时，激发出高阶模，一部分光进入到细芯光纤包层中传输，剩余光束继续在纤芯中传输，两束光在第2个球形产生干涉，耦合进入出射光纤^[14]。

该传感器在空气和在磁流体(magnetic fluid, MF)包覆环境下的透射光谱如图 2所示。可以看出, 加磁流体包覆之后，透射光谱蓝移，这是因为与空气相比，磁流体的折射率较大，此时包层折射率较大，则Δn_eff较小，由(3)式可知，波长蓝移。从图 2可知，当外界环境是磁流体时，透射光谱的功率下降，干涉效果减弱，这是由于细芯光纤的直径小于球形结构，球形结构中部分高阶模式的光在传输时耦合进入外界环境中，高阶模式的光在传输过程被磁流体颗粒散射、折射或吸收，导致耦合回纤芯的高阶模式光能量减小，干涉谱的光功率下降，干涉效果弱^[15-16]。

Figure 2.  Transmission spectra of the STS sensing structure in air and magneto-fluid environments

定义ΔP为透射谱中特征波谷与前一个波峰的光强差：

式中，I_{max, λ}为特征波谷前一个波峰的光强；I_{min, λ}为特征波谷处的光强。ΔP是传感器透射光谱的干涉效果的直观表现，干涉效果好的透射谱具有较强的抗噪性能。

磁场传感系统如图 3所示。实验时温度保持为室温状态，采用超辐射发光二极管(super-luminescent emitting diode, SLED)宽谱光源，将传感器固定，使用两块永久磁铁，磁场强度由特斯拉计测量，光谱仪用来记录透射谱。

Figure 3.  Magnetic field sensing system

图 4a为该结构1514 nm处特征波长在不同磁场下的透射谱。随着磁场增加，波长蓝移，特征波长的幅度增加。当外加磁场改变时，结构外包覆的磁流体折射率增大^[17]，光纤包层折射率相应增加，光束的相位差减小，由(3)式可知，特征波长蓝移。特征波长处的波长和幅度与磁场的关系如图 4b所示。随着磁场强度增大，特征波长处的幅度增大，波长蓝移，在0 mT~20 mT的范围内，幅度增加0.4393 dB，波长偏移了1.5120 nm。当磁场上升到20 mT之后，波长不再发生明显变化，这是因为磁流体此时已经处于磁饱和状态，折射率不再发生改变。通过数据拟合可知，在1514 nm处的波长磁场灵敏度分别为-0.0967 nm/mT、0.0022 dB/mT。

Figure 4.  Magnetic field sensing characteristics of the STS

在温度响应实验中，将STS传感器置于恒温水槽，每隔5 min记录一次数据。该传感结构1514 nm处特征波长在不同温度下的透射谱如图 5a所示，随着温度增加，波长红移，特征波谷的幅度逐渐增加。这是因为温度增加，磁流体的折射率减小^[18]，光束的相位差增大，特征波长红移。特征波长处的波长和幅度与温度的关系如图 5b所示，温度灵敏度分别为0.0677 nm/℃、0.0307 dB/℃。

Figure 5.  Temperature sensing characteristics of the STS

由图 4a可知，在施加24 mT的磁场时，特征波谷对应的峰值与谷值之差ΔP仅为0.2232 dB。随着磁场与温度的增加，该传感结构透射光谱的幅度都呈单调增加趋势，且在1514 nm处的ΔP呈下降趋势，如图 6所示。该传感器采用单峰解调方式，透射谱的消光比低，易受噪声影响，测量范围受限。因此，需要改良设计一个干涉效果明显、具有抗噪性能的磁场传感器。

Figure 6.  a—diagram of ΔP and magnetic field   b—diagram of ΔP and temperature

前面制作的STS传感结构是由球形结构和细芯光纤直接熔接，不存在偏芯，因此球形结构是激发高阶模的关键，由上述的实验分析可知，该传感器的干涉效果不明显，只利用球形结构来激发高阶模不够充分。因此改良设计了一种球形-多模-细芯-球形的传感结构，如图 7所示。该传感器在STS传感器的基础上，在第1个球形结构后增加了一段长1 mm、纤芯与包层直径分别为105 μm /125 μm的多模光纤(multi-mode fiber, MMF)。增加这段多模光纤可以使包层模能量增大，进而增强透射谱的干涉效果。

Figure 7.  Sensing structure of the SMTS

由图 8可以看出，SMTS传感结构透射谱的特征波谷与STS传感结构对应，两传感结构在1475 nm~1600 nm波长范围内的自由光谱范围(free spectrum range, FSR)如图 9a所示。可知增加一段多模光纤不改变传感结构的自由光谱范围，但透射谱的消光比明显大于STS传感结构，其相应特征波谷输出峰值与谷值之差ΔP的关系如图 9b所示。SMTS传感结构各特征波谷的ΔP均在6.4 dB以上，而STS传感结构的ΔP均值小于2 dB，1540 nm附近的波谷ΔP不及1 dB，抗噪性能弱。随着温度与磁场的增加，输出透射谱的幅度逐渐增加，消光比较弱的波谷存在波谷消逝的风险，不支持幅度解调或双波长解调方式。在STS结构上增加一段多模光纤，多模光纤的纤芯直径大于球形结构和细芯光纤的纤芯直径，光束进入球形结构和多模光纤，可以激发出更多的高阶模，更多光进入包层中传输，包层中的能量增加，消光比增大。将STS和SMTS传感结构的透射谱进行傅里叶变换，得到的空间频谱如图 10所示。在空间频率为0的峰值表示基模的振幅峰，STS和SMTS传感结构除了基模振幅峰外，都存在包层模振幅的峰。STS结构透射谱中存在0.0572 nm^-1、0.0715 nm^-1频率的干涉模式，而SMTS结构透射谱中存在0.0715 nm^-1、0.0780 nm^-1、0.1286 nm^-1、0.1501 nm^-1、0.1572 nm^-1频率的主干涉模式，SMTS传感结构激发了更多的包层模，证实了上述情况。SMTS传感结构的透射谱具有较好的消光比，很好地解决了波谷消逝问题，具有抗噪功能，且可用于解调的特征波谷较多，可支持多种解调方式，在实际应用中具有很好的复用性。

Figure 8.  Transmission spectra of the STS and the SMTS sensing structures

Figure 9.  Spectral correlation parameters of the STS and the SMTS structures vary with wavelength

Figure 10.  Spatial spectrum of the STS and the SMTS sensing structures

由于SMTS与STS的自由光谱范围相同，选择波长1520 nm处的波谷作为特征波谷。SMTS传感结构在0 mT~24 mT磁场范围内的磁场响应如图 11a所示。随着磁场增大，波长蓝移，特征波谷的幅度增加。特征波谷的变化趋势与STS传感器相同，其波长和幅度与磁场的关系如图 11b所示，在1520 nm处的磁场灵敏度分别为-0.0601 nm/mT、0.2237 dB/mT。

Figure 11.  Magnetic field sensing characteristics of the SMTS

SMTS传感器的温度响应如图 12a所示。随着温度的增加，波长红移，特征波谷的幅度变化小，其波长和幅度与磁场的关系如图 12b所示。在1520 nm处的温度灵敏度分别为0.0505 nm/℃、-0.0127 dB/℃。

Figure 12.  Temperature sensing characteristics of the SMTS

在实际应用中，将SMTS传感器在磁场和温度情况下分别得到的波长响应灵敏度和幅度响应灵敏度代入(6)式，可建立敏感矩阵：

将实验中获得的波长和幅度变化量代入矩阵(8)式，得到磁场与温度的变化量，即可同时测量磁场和温度。SMTS传感器具有很好的干涉效果，存在多个可利用的特征波谷。虽然在1520 nm特征波长处，其温度与磁场灵敏度小于STS传感器相对应特征波长的温度与磁场灵敏度, 但SMTS传感器在特征波长为1565 nm或1575 nm处的灵敏度高于STS传感器，如特征波长为1575 nm时，SMTS传感器的波长和幅度与磁场的关系如图 13a所示。由数据拟合可知，磁场灵敏度为0.1267 nm/mT。1575 nm特征波谷处的温度响应情况如图 13b所示，其温度灵敏度为-0.1213 nm/℃。相比于其它基于磁流体的磁场传感器，如LI等人^[19]设计的单模-无芯-单模传感结构具有0.0774 nm/mT; WANG等人^[20]设计的单模-多模-单模-球形传感结构具有0.0470 nm/mT的磁场灵敏度，本文作者所设计传感器的结构稳固、成本低、磁场灵敏度高、线性度好, 有较好的应用前景。

Figure 13.  Sensing characteristics of the wavelength at 1575 nm

实验制作了基于磁流体和球形结构的两种温度与磁场传感器，球形-细芯-球形传感器结构稳固、制作简单，但输出透射谱的干涉效果差，随着磁场与温度的增加，特征波谷存在消逝的风险，测量范围受限，存在一定的测量误差。因此，改良设计了球形-多模-细芯-球形传感结构，利用多模光纤充分激发高阶模，增加包层模中的能量，该传感器透射谱的消光比有明显的增强，解决了特征波谷随磁场与温度增加而消逝的风险问题，具有较好的抗噪性能，且SMTS传感器存在多个可利用的特征波谷，可支持多种解调方式，复用性好、灵敏度高, 在温度与磁场双测量领域有可观的应用前景。