CN105022004B - 基于表面等离激元的波导磁场/电流传感器及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于表面等离激元的波导磁场/电流传感器，用于对磁场强度或电流强度进行检测，所述磁场/电流传感器包括磁场发生器和安装在磁场发生器内的从上到下依次设置的第一金属波导、电介质通道和第二金属波导，其中第一金属波导和/或第二金属波导内开设有谐振腔，谐振腔通过开设在相应金属波导上的金属缝与电介质通道连通，谐振腔内填充有磁敏感物质。本发明提供的磁场/电流传感器具有以下有益效果：将测量空间缩小到光波导宽度尺寸的数量级，磁场/电流传感器的尺寸可以做到很小，方便技术人员进行集成化和阵列化；由于磁场/电流传感器能够避免受光源波动等外界条件影响，具有探测灵敏度高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及磁场检测领域，更具体地，涉及一种基于表面等离激元的波导磁场/电流传感器及其装置。
背景技术
磁场强度作为一个基本的物理量，不管是在科学研究领域，还是工业应用领域都被人们所重视着。磁场的测量可广泛应用于航空航天、信息存储、环境监测、导航和能源调查等。传统的电磁传感器通常缺乏稳定性，同时难以与其它的结构集成，且不能在污染严重或恶劣的环境下工作。另一方面，由于结构紧凑、高精度、高分辨率的光纤结构已广泛应用于很多领域。因此，基于MF作为敏感材料的光纤磁场传感正在持续的被关注。然而这些使用磁流体作为覆层的特殊光纤或特殊光纤结构的磁场/电流传感器件的结构尺寸还是很大。
而过去几十年里，表面等离子体传感器—一种基于倏逝波的传感器得到了广泛地研究。在集成光学领域，人们已经设计出几种基于表面等离子体检测技术的传感器，这些传感器都是将很薄的金属层置于集成的光波导体系上层，使其成为与传感层直接接触的平台。但是，这些基于表面等离子体的传感器都是由低折射率对比的介质材料制成的，因此，光波导体和光学器件的经典尺寸太大以至于不能进一步小型集成化，因而不能应用到实验芯片的研究中。
目前表面等离子体探测的研究热点是将表面等离子体激发原理和集成光波导结合在一起，由于检测的是表面等离子体透射的光谱信号，因此可以把表面等离子体传感器的敏感部分缩小到光波导尺寸，使整个光路限制在光波导中传输。光波导表面等离子体传感器具有下述优点：1)可以将测量空间缩小到光波导宽度尺寸的数量级；2)使传感器避免受光源波动等外界条件影响。这为实现传感器阵列、光学集成提供了可靠的基础实现条件，同时通过优化结构设计，可以获得更高的探测灵敏度，且能够利用集成制造工艺使生产实现规模化，降低生产成本。
发明内容
本发明为解决以上现有技术的不足，提供了一种基于表面等离激元的波导磁场/电流传感器，用于对磁场强度或电流强度进行检测，该磁场/电流传感器将测量空间缩小到光波导宽度尺寸的数量级，且能够使传感器避免受光源波动等外界条件影响。所以磁场/电流传感器的尺寸小，方便技术人员进行小型集成化，同时还具有探测灵敏度高的优点。
为实现以上发明目的，采用的技术方案是：
一种基于表面等离激元的波导磁场/电流传感器，包括磁场发生器和安装在磁场发生器内的从上到下依次设置的第一金属波导、电介质通道和第二金属波导，其中第一金属波导和/或第二金属波导内开设有谐振腔，谐振腔通过开设在相应金属波导上的金属缝与电介质通道连通，谐振腔内填充有磁敏感物质。
在使用本发明提供的磁场/电流传感器时，先将宽带光源和光谱仪分别与磁场/电流传感器的输入端和输出端连接起来，其中宽带光源用于发出激发光，即待检测的光，激发光的波长范围为可见红到近红外波段，光谱仪用于观测透射谱的谐振波长。
上述方案中，使用磁场/电流传感器对磁场强度进行检测时，首先使激发光通过电介质通道进入磁场/电流传感器，在激发光入射在电介质通道与第一金属波导、第二金属波导的接触界面的条件下，接触界面会产生表面等离激元，并生成表面等离子波。在第一金属波导、第二金属波导内均开设有谐振腔时，电介质通道与第一金属波导接触界面生成的表面等离子波进入开设在第一金属波导内的谐振腔，而电介质通道与第二金属波导接触界面生成的表面等离子波进入开设在第二金属波导内的谐振腔；在第一金属波导内开设有谐振腔而第二金属波导没有开设谐振腔时，电介质通道与第一金属波导接触界面生成的表面等离子波进入开设在第一金属波导内的谐振腔，而电介质通道与第二金属波导接触界面生成的表面等离子波经界面反射后进入第一金属波导的谐振腔内。当满足谐振条件时，表面等离子波会在谐振腔中谐振。此时通过磁场发生器使传感器内部会产生垂直于激发光传播方向的磁场，并通过控制磁场发生器使传感器内部的磁场强度处于变化的状态下。在不同的磁场强度下，谐振腔内的磁敏感物质的折射率改变，这导致谐振腔产生的驻波谐振波长发生改变，因此使用光谱仪观测到的透射谱的谐 振波长也会产生漂移，根据透射谱的谐振波长漂移的情况，即获知激发光的磁场强度。而使用磁场/电流传感器对电流强度进行检测的原理及步骤同上。
由上可知，本发明提供的磁场/电流传感器将测量空间缩小到光波导宽度尺寸的数量级，因此磁场/电流传感器的尺寸可以做到很小，方便技术人员进行集成化和阵列化，同时能够使传感器避免受光源波动等外界条件影响，所以该磁场/电流传感器还具有探测灵敏度高的优点。
优选地，所述第一金属波导、第二金属波导均为银薄膜。
优选地，所述第一金属波导、第二金属波导的宽度为60～160nm。
优选地，所述金属波导上开设的金属缝的宽度为10～50nm。
优选地，所述电介质通道为空气通道。
优选地，所述电介质通道的宽度为20～60nm。
优选地，所述磁敏感物质为磁流体。
优选地，所述谐振腔通过聚焦离子束或者电子束光刻结合干法刻蚀的方法开设而成。谐振腔内部填充磁流体，磁流体的材料为水基Fe3O4，并密封好。在不同磁场下，谐振腔内磁流体的折射率改变，导致透射谱的谐振波长产生漂移。
优选地，所述谐振腔的长度为350～600nm，宽度为40～100nm。
同时本发明还提供了一种应用上述磁场/电流传感器的装置，包括宽带光源、第一光纤链路、磁场/电流传感器、第二光纤链路和光谱仪，其中宽带光源通过第一光纤链路与磁场/电流传感器的输入端连接，磁场/电流传感器的输出端通过第二光纤链路与光谱仪连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)磁场/电流传感器将测量空间缩小到光波导宽度尺寸的数量级，因此磁场/电流传感器的尺寸可以做到很小，方便技术人员进行集成化和阵列化；
2)由于磁场/电流传感器能够避免受光源波动等外界条件影响，所以具有探测灵敏度高的优点。
附图说明
图1为磁场/电流传感器的轴向剖面示意图。
图2为装置的结构示意图。
图3为磁流体折射率随磁场强度变化的示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制；
以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。
实施例1
如图1、图2所示，基于表面等离激元的波导磁场/电流传感器1，包括磁场发生器11和安装在磁场发生器11内的从上到下依次设置的第一金属波导12、电介质通道13和第二金属波导14，其中第一金属波导12、第二金属波导14内均开设有谐振腔15；两个谐振腔15分别通过开设在第一金属波导12、第二金属波导14上的金属缝与电介质通道13连通，谐振腔15内填充有磁敏感物质。其中所述磁场发生器11包括位于顶部的第一极板111和位于底部的第二极板112。
本实施例中，第一金属波导12、第二金属波导14均为银薄膜，第一金属波导12、第二金属波导14的宽度为60～160nm，第一金属波导12、第二金属波导14上开设的金属缝的宽度为10～50nm。电介质通道13为空气通道，电介质通道13的宽度为20～60nm。磁敏感物质为磁流体。
在使用本发明提供的磁场/电流传感器1时，先将宽带光源2和光谱仪5分别与磁场/电流传感器1的输入端和输出端连接起来，其中宽带光源2用于发出激发光，即待检测的光，激发光的波长范围为可见红到近红外波段，光谱仪5用于观测透射谱的谐振波长。
上述方案中，使用磁场/电流传感器1对磁场强度进行检测时，首先使激发光通过电介质通道13进入磁场/电流传感器1，在激发光入射在电介质通道13与第一金属波导12、第二金属波导14的接触界面的条件下，接触界面会产生表面等离激元，并生成表面等离子波，生成的表面等离子波通过金属缝分别进入两个谐振腔内。当满足谐振条件时，表面等离子波会在谐振腔15中谐振，谐振条件具体如下：
其中m表示等离子波驻波的波腹数，为表面等离子波在谐振腔15中往返一次的相位延迟；
其中和分别为光在谐振腔15两端界面反射时产生的附加相位差，neff表示波导的有效折射率，λm为等离子波的谐振波长，L为谐振腔15的长度。
由(1)(2)式可得谐振波长：
此时通过磁场发生器11使传感器内部会产生垂直于激发光传播方向的磁场，并通过控制磁场发生器11使传感器内部的磁场强度处于变化的状态下。如图3所示，在不同的磁场强度下，谐振腔15内的磁敏感物质的折射率改变，这导致谐振腔15产生的驻波谐振波长发生改变，因此使用光谱仪5观测到的透射谱的谐振波长也会产生漂移，根据透射谱的谐振波长漂移的情况，即可获知激发光的磁场强度。而使用磁场/电流传感器1对电流强度进行检测的原理及步骤同上。
本实施例中，可以通过可编程电源控制线圈输出电流的大小的方式来控制磁场发生器11的产生的磁场的磁场强度，使磁场强度的范围保持在0Oe-450Oe。
由上可知，本发明提供的磁场/电流传感器1将测量空间缩小到光波导宽度尺寸的数量级，因此磁场/电流传感器1的尺寸可以做到很小，方便技术人员进行集成化和阵列化，同时能够使传感器避免受光源波动等外界条件影响，所以磁场/电流传感器1还具有探测灵敏度高的优点。
上述方案中，谐振腔15通过聚焦离子束或者电子束光刻结合干法刻蚀的方法开设而成。谐振腔15内部填充磁流体，磁流体的材料为水基Fe3O4，并密封好。在不同磁场下，谐振腔15内磁流体的折射率改变，导致透射谱的谐振波长产生漂移。其中，谐振腔15的长度为350～600nm，宽度为40～100nm。
本发明提供的磁场/电流传感器具有以下有益效果：
1)磁场/电流传感器将测量空间缩小到光波导宽度尺寸的数量级，因此磁场/电流传感器的尺寸可以做到很小，方便技术人员进行集成化和阵列化；
2)由于磁场/电流传感器能够避免受光源波动等外界条件影响，所以具有探测灵敏度高的优点。
实施例2
同时，本发明还提供了一种应用实施例1所述磁场/电流传感器1的装置，如图2所示，包括宽带光源2、第一光纤链路3、磁场/电流传感器1、第二光纤 链路4和光谱仪5，其中宽带光源2通过第一光纤链路3与磁场/电流传感器1的输入端连接，磁场/电流传感器1的输出端通过第二光纤链路4与光谱仪5连接。宽带光源2用于发出激发光，即待检测的光，激发光的波长范围为可见红到近红外波段，光谱仪5用于观测透射谱的谐振波长。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于表面等离激元的波导磁场传感器，其特征在于：包括磁场发生器（11）和安装在磁场发生器（11）内的从上到下依次设置的第一金属波导（12）、电介质通道（13）和第二金属波导（14），其中第一金属波导（12）和/或第二金属波导（14）内开设有谐振腔（15），谐振腔（15）通过开设在相应金属波导上的金属缝与电介质通道（13）连通，谐振腔（15）内填充有磁敏感物质。
2.根据权利要求1所述的基于表面等离激元的波导磁场传感器，其特征在于：所述第一金属波导（12）、第二金属波导（14）均为银薄膜。
3.根据权利要求2所述的基于表面等离激元的波导磁场传感器，其特征在于：所述第一金属波导（12）、第二金属波导（14）的宽度为60~160nm。
4.根据权利要求3所述的基于表面等离激元的波导磁场传感器，其特征在于：所述金属波导上开设的金属缝的宽度为10~50nm。
5.根据权利要求1所述的基于表面等离激元的波导磁场传感器，其特征在于：所述电介质通道（13）为空气通道。
6.根据权利要求5所述的基于表面等离激元的波导磁场传感器，其特征在于：所述电介质通道（13）的宽度为20~60nm。
7.根据权利要求1所述的基于表面等离激元的波导磁场传感器，其特征在于：所述磁敏感物质为磁流体。
8.根据权利要求1~7任一项所述的基于表面等离激元的波导磁场传感器，其特征在于：所述谐振腔（15）通过聚焦离子束结合干法刻蚀的方法开设而成，或者通过电子束光刻结合干法刻蚀的方法制作而成。
9.根据权利要求8所述的基于表面等离激元的波导磁场传感器，其特征在于：所述谐振腔（15）的长度为350~600nm，宽度为40~100nm。
10.一种基于表面等离激元波导谐振腔的磁场传感装置，其特征在于：包括宽带光源（2）、第一光纤链路（3）、权利要求1~9任一项所述的磁场传感器（1）、第二光纤链路（4）和光谱仪（5），其中宽带光源（2）通过第一光纤链路（3）与磁场传感器（1）的输入端连接，磁场传感器（1）的输出端通过第二光纤链路（4）与光谱仪（5）连接。
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