双螺旋偏振调控循环放大微纳波导磁场传感装置及方法

本发明属于磁场传感和光纤传感，涉及一种双螺旋偏振调控循环放大微纳波导磁场传感装置及方法。

背景技术：

1、弱磁测量在水下目标探测、地磁匹配导航、电力系统监测、深空探测、生物医学等领域具有重要的应用前景。当前已有基于霍尔效应、超导量子干涉技术、磁通门技术、电磁感应线圈、磁阻效应等非光学测量方法和基于光泵效应、磁致伸缩材料引起光纤应变效应、磁光法拉第效应等原理的光学磁场传感器，但都存在其固有的局限性。

2、基于霍尔效应的磁场传感器，精度不高，很难实现灵敏度优于μt的磁测量。超导量子干涉磁力仪能实现小于ft的磁灵敏度，但需要低温环境，装置难以小型化；磁通门传感器是当前研究比较成熟的一种，敏感单元由高磁导率软磁合金与激励线圈和信号线圈组成，灵敏度极限在数十pt，同时存在尺寸难以小型化、尺寸与灵敏度相矛盾的问题；感应线圈是最常见的基于电磁感应原理的磁传感器，但只能测量交变磁场，通常在khz以上频段才能发挥优势；利用磁阻效应制作的磁场传感器具有体积小、功耗小、成本低的特点，但当前精度较难突破nt量级。以上是非光学原理的磁场测量方法，抗电磁干扰能力差是这类传感器的共同缺点。

3、光泵磁力仪是基于光学原理的重要磁场传感器之一，具有ft级的灵敏度，近年来发展迅速，已成为替代超导量子磁力仪的热门传感器，但测量带宽难以突破khz，探头难以实现小型化；另一类光学磁场传感器是磁场探测与光纤技术相结合的光纤磁场传感器，主要有3种：第一种是基于m-z或sagnac干涉结构，利用双光束干涉结构测量磁致应变，灵敏度可达到100pt，但环境稳定性较差，原因来源于磁性材料本身的环境稳定性及其与光纤固联的稳定性问题，同时由于磁致伸缩材料在弱磁下存在低伸缩性和应变非线性，需要施加较大直流调制磁场以增加磁敏感度，很难实现高稳定磁测量。第二种是基于磁光法拉第效应的磁场传感器，利用磁光晶体的高磁光偏转系数，磁场平行于光的传播方向时，在晶体中传播的线偏振光的偏振态产生偏转，偏转的角度与磁场大小、磁光系数、晶体的长度成线性关系，通过测量偏振光的偏转角度测量磁场，提高灵敏度的主要思路是通过采用高磁光系数材料和增加材料长度实现，当前yig(钇铁石榴石)是一种相对成熟的磁光系数较高的材料，在1150nm波长处的磁光系数仅为328rad/m/t，且yig材料成本较高、光损耗较大，通过在yig中掺杂bi元素可以大幅度提升磁光系数，但bi:yig材料的光损耗更大，制作困难，成本更高，目前市场暂无成熟产品，增加敏感材料的长度可使灵敏度得到一定提升，但大大增加了传感器的尺寸，难以实现pt级的小型化磁场测量，不利于现场应用。第三种是光纤磁场传感器，其原理是以光纤微结构结合磁流体作为磁敏感物质测量磁场，磁流体折射率随外界磁场强度变化产生相应的变化、同时存在法拉第效应和双折射效应，结合光学方法可实现对磁场的精密测量，但实际使用时无法利用光与磁流体直接相互作用测量磁场，原因在于磁流体的透光性差、传输损耗大，而减小磁-光作用长度却限制了传感器的磁灵敏度，一般利用磁流体改变波导中传输光的倏逝场或导模的原理实现磁场测量，外界磁场改变了磁流体的折射率，引起波导有效折射率变化，导致传输光的强度或共振波长变化，优化波导尺寸与结构可改变光-磁流体的相互作用特性，可在一定程度上提高磁灵敏度，但当前仍难以突破400pt，同时温度引起的稳定性问题也难以解决。

技术实现思路

1、针对当前磁场传感器难以同时实现高灵敏度、高稳定性、小尺寸的难题，本发明提出了一种双螺旋偏振调控循环放大微纳波导磁场传感装置及方法，利用基于飞秒激光双光子聚合技术制备具有磁光折变效应的双螺旋微纳波导磁场探头，结合偏振调控循环放大和闭环相位检测等技术提高磁场测量灵敏度并用于磁场探测，所设计的传感器具有尺寸小、系统灵敏度优于5pt等优点。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种双螺旋偏振调控循环放大微纳波导磁场传感装置，包括光源、电路控制系统、基于循环放大系统的马-曾干涉结构，所述的电路控制系统用于控制光源和基于循环放大系统的马-曾干涉结构；

4、所述的基于循环放大系统的马-曾干涉结构包括光电探测器、保偏耦合器、第二偏振分束器、光纤延迟线圈、双螺旋微纳波导磁场探头、偏振控制器、第一偏振分束器和集成光学元件；

5、所述光源出射端连接集成光学元件的y1端口，集成光学元件的y2端口连接第一偏振分束器的a端口，第一偏振分束器的c端口连接偏振控制器入射端口，偏振控制器出射端口通过串联的双螺旋微纳波导磁场探头和光纤延迟线圈连接第二偏振分束器的c端口，第二偏振分束器的b端口连接第一偏振分束器的b端口，第二偏振分束器的a端口连接保偏耦合器的h3端口，保偏耦合器的h2端口连接集成光学元件的y3端口，保偏耦合器的h1端口连接光电探测器。

6、优选的，所述的电路控制系统包括模数转换器、现场可编程逻辑阵列、第一数模转换器和第二数模转换器；所述现场可编程逻辑阵列分别连接模数转换器、第一数模转换器和第二数模转换器，所述的第一数模转换器和第二数模转换器分别与集成光学元件的电极和偏振控制器的电极相连，所述的模数转换器与光电探测器和电源相连。

7、优选的，所述的集成光学元件的y2端口和保偏耦合器的h3端口之间的光路构成马-曾干涉结构的测量臂，集成光学元件的y3端口和保偏耦合器的h2端口之间的光路构成马-曾干涉结构的参考臂。

8、优选的，所述的双螺旋微纳波导磁场探头由磁光折变聚合物材料通过飞秒激光双光子聚合技术制备而成，磁光折变聚合物材料通过掺铽纳米颗粒与聚合物合成制成，通过磁折变材料提升波导的磁敏感性，通过双螺旋结构在较小尺寸下增加磁敏波导长度，进一步提升光子器件的磁敏感性。

9、优选的，所述的集成光学元件的y1端口作为线偏振光入射端口，y2端口和y3端口作为线偏振光出射端口，从y1端口入射的光在内部分成两束光，分别从y2端口和y3端口出射。

10、优选的，所述的第一偏振分束器和第二偏振分束器基于倏逝耦合效应的原理，其a端口和b端口分别用于传输竖直方向的线偏振光和水平方向的线偏振光，c端口用于传输任意方向的线偏振光；从a端口或b端口入射的竖直方向的线偏振光或水平方向的线偏振光只能从c端口出射，从c端口入射的竖直方向的线偏振光只能从b端口出射，从c端口入射的水平方向的线偏振光只能从a端口出射。本发明汇中，两个偏振分束器的b1和b2端口0°焊接。

11、优选的，所述的保偏耦合器的h2端口和h3端口作为线偏振光入射端口，h1端口作为线偏振光出射端口，马-曾干涉结构的参考臂与测量臂的光分别从h2端口和h3端口入射至保偏耦合器，并发生干涉后从h1端口出射。

12、优选的，所述的双螺旋微纳波导磁场探头呈太极状结构，是由两个相同的螺旋结构相切连接形成，其中单个螺旋结构分别以最内层的两个半圆弧单元的圆弧中心为圆心，分别设有m个半径从里到外依次增大的同心半圆弧单元，所述同心半圆弧单元的开口方向一致；最内层的两个半圆弧单元相切且开口方向相反，其余同心半圆弧单元依次相连形成螺旋结构；一个螺旋结构最外围的开口与另一个螺旋结构最外围的开口各自通过1/4圆弧延长后相切，形成太极状双螺旋结构，另外两个开口分别作为太极状双螺旋结构的输入输出口。

13、优选的，所述的偏振控制器为基于铌酸锂晶体的偏振控制器，所述的光纤延迟线圈为保偏光纤线圈，其长度取决于控制系统的频率。

14、本发明还公开了一种上述双螺旋偏振调控循环放大微纳波导磁场传感装置的控制方法，所述装置中的双螺旋微纳波导磁场探头置于待测磁场环境中，包括：

15、1)由光源出射的偏振态为竖直方向的线偏振光从集成光学元件的y1端口入射后一分为二，分别从y2端口和y3端口出射，且分别进入马-曾干涉光路的测量臂端和参考臂端，通过电路控制系统为集成光学元件的电极施加电压以调制y2端口的出射光相位，调制测量臂光路与参考臂光路相位差；

16、2)进入马-曾干涉光路的测量臂端的线偏振光在循环放大系统中循环多次，具体为：

17、从集成光学元件的y2端口出射的竖直方向的线偏振光从a端口入射至第一偏振分束器，再从c端口进入偏振控制器的入射端，此时通过电路控制系统为偏振控制器的电极施加电压，用于将光的偏振态转为水平方向，则水平方向的线偏振光从偏振控制器的出射端依次进入双螺旋微纳波导磁场探头和光纤延迟线圈，从光纤延迟线圈出射的水平方向的线偏振光从c端口入射至第二偏振分束器，再从第二偏振分束器的b端口进入第一偏振分束器的b端口，完成一次循环放大；通过控制偏振控制器的电极所施加的电压，维持由偏振控制器出射的线偏振光的偏振态为水平方向，即可使得光信号在光路中多次绕行实现多次放大；

18、当需要输出信号光时，通过控制偏振控制器的电极所施加的电压使得光的偏振态转为竖直方向，则竖直方向的线偏振光从偏振控制器的出射端依次进入双螺旋微纳波导磁场探头和光纤延迟线圈，从光纤延迟线圈出射的竖直方向的线偏振光从c端口入射至第二偏振分束器，再从第二偏振分束器的a端口进入保偏耦合器的h3端口；

19、3)由集成光学元件的y3端口出射的光从h2端口进入保偏耦合器，与从h3端口进入保偏耦合器的光发生干涉，干涉光信号从h1端口出射并由光电探测器接收，将接收到的光信号转成数字信号，解调后得到待测磁场大小。

20、本发明的有益效果在于：

21、本发明利用基于飞秒激光双光子聚合技术制备具有磁光折变效应的双螺旋微纳波导磁场探头，结合循环放大时序控制方法，突破循环次数可控、循环光路中功率衰落稳定补偿等关键技术，搭建循环放大光路，获得高灵敏度、高稳定性的微纳光子器件、偏振调控循环放大系统和灵敏度5pt的高性能磁场测量系统，形成小型化、高灵敏度的微纳光子弱磁传感器。