本發(fā)明屬于磁場傳感和光纖傳感，涉及一種雙螺旋偏振調(diào)控循環(huán)放大微納波導(dǎo)磁場傳感裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、弱磁測量在水下目標(biāo)探測、地磁匹配導(dǎo)航、電力系統(tǒng)監(jiān)測、深空探測、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。當(dāng)前已有基于霍爾效應(yīng)、超導(dǎo)量子干涉技術(shù)、磁通門技術(shù)、電磁感應(yīng)線圈、磁阻效應(yīng)等非光學(xué)測量方法和基于光泵效應(yīng)、磁致伸縮材料引起光纖應(yīng)變效應(yīng)、磁光法拉第效應(yīng)等原理的光學(xué)磁場傳感器，但都存在其固有的局限性。

2、基于霍爾效應(yīng)的磁場傳感器，精度不高，很難實現(xiàn)靈敏度優(yōu)于μt的磁測量。超導(dǎo)量子干涉磁力儀能實現(xiàn)小于ft的磁靈敏度，但需要低溫環(huán)境，裝置難以小型化；磁通門傳感器是當(dāng)前研究比較成熟的一種，敏感單元由高磁導(dǎo)率軟磁合金與激勵線圈和信號線圈組成，靈敏度極限在數(shù)十pt，同時存在尺寸難以小型化、尺寸與靈敏度相矛盾的問題；感應(yīng)線圈是最常見的基于電磁感應(yīng)原理的磁傳感器，但只能測量交變磁場，通常在khz以上頻段才能發(fā)揮優(yōu)勢；利用磁阻效應(yīng)制作的磁場傳感器具有體積小、功耗小、成本低的特點，但當(dāng)前精度較難突破nt量級。以上是非光學(xué)原理的磁場測量方法，抗電磁干擾能力差是這類傳感器的共同缺點。

3、光泵磁力儀是基于光學(xué)原理的重要磁場傳感器之一，具有ft級的靈敏度，近年來發(fā)展迅速，已成為替代超導(dǎo)量子磁力儀的熱門傳感器，但測量帶寬難以突破khz，探頭難以實現(xiàn)小型化；另一類光學(xué)磁場傳感器是磁場探測與光纖技術(shù)相結(jié)合的光纖磁場傳感器，主要有3種：第一種是基于m-z或sagnac干涉結(jié)構(gòu)，利用雙光束干涉結(jié)構(gòu)測量磁致應(yīng)變，靈敏度可達到100pt，但環(huán)境穩(wěn)定性較差，原因來源于磁性材料本身的環(huán)境穩(wěn)定性及其與光纖固聯(lián)的穩(wěn)定性問題，同時由于磁致伸縮材料在弱磁下存在低伸縮性和應(yīng)變非線性，需要施加較大直流調(diào)制磁場以增加磁敏感度，很難實現(xiàn)高穩(wěn)定磁測量。第二種是基于磁光法拉第效應(yīng)的磁場傳感器，利用磁光晶體的高磁光偏轉(zhuǎn)系數(shù)，磁場平行于光的傳播方向時，在晶體中傳播的線偏振光的偏振態(tài)產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)的角度與磁場大小、磁光系數(shù)、晶體的長度成線性關(guān)系，通過測量偏振光的偏轉(zhuǎn)角度測量磁場，提高靈敏度的主要思路是通過采用高磁光系數(shù)材料和增加材料長度實現(xiàn)，當(dāng)前yig(釔鐵石榴石)是一種相對成熟的磁光系數(shù)較高的材料，在1150nm波長處的磁光系數(shù)僅為328rad/m/t，且yig材料成本較高、光損耗較大，通過在yig中摻雜bi元素可以大幅度提升磁光系數(shù)，但bi:yig材料的光損耗更大，制作困難，成本更高，目前市場暫無成熟產(chǎn)品，增加敏感材料的長度可使靈敏度得到一定提升，但大大增加了傳感器的尺寸，難以實現(xiàn)pt級的小型化磁場測量，不利于現(xiàn)場應(yīng)用。第三種是光纖磁場傳感器，其原理是以光纖微結(jié)構(gòu)結(jié)合磁流體作為磁敏感物質(zhì)測量磁場，磁流體折射率隨外界磁場強度變化產(chǎn)生相應(yīng)的變化、同時存在法拉第效應(yīng)和雙折射效應(yīng)，結(jié)合光學(xué)方法可實現(xiàn)對磁場的精密測量，但實際使用時無法利用光與磁流體直接相互作用測量磁場，原因在于磁流體的透光性差、傳輸損耗大，而減小磁-光作用長度卻限制了傳感器的磁靈敏度，一般利用磁流體改變波導(dǎo)中傳輸光的倏逝場或?qū)５脑韺崿F(xiàn)磁場測量，外界磁場改變了磁流體的折射率，引起波導(dǎo)有效折射率變化，導(dǎo)致傳輸光的強度或共振波長變化，優(yōu)化波導(dǎo)尺寸與結(jié)構(gòu)可改變光-磁流體的相互作用特性，可在一定程度上提高磁靈敏度，但當(dāng)前仍難以突破400pt，同時溫度引起的穩(wěn)定性問題也難以解決。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對當(dāng)前磁場傳感器難以同時實現(xiàn)高靈敏度、高穩(wěn)定性、小尺寸的難題，本發(fā)明提出了一種雙螺旋偏振調(diào)控循環(huán)放大微納波導(dǎo)磁場傳感裝置及方法，利用基于飛秒激光雙光子聚合技術(shù)制備具有磁光折變效應(yīng)的雙螺旋微納波導(dǎo)磁場探頭，結(jié)合偏振調(diào)控循環(huán)放大和閉環(huán)相位檢測等技術(shù)提高磁場測量靈敏度并用于磁場探測，所設(shè)計的傳感器具有尺寸小、系統(tǒng)靈敏度優(yōu)于5pt等優(yōu)點。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、一種雙螺旋偏振調(diào)控循環(huán)放大微納波導(dǎo)磁場傳感裝置，包括光源、電路控制系統(tǒng)、基于循環(huán)放大系統(tǒng)的馬-曾干涉結(jié)構(gòu)，所述的電路控制系統(tǒng)用于控制光源和基于循環(huán)放大系統(tǒng)的馬-曾干涉結(jié)構(gòu)；

4、所述的基于循環(huán)放大系統(tǒng)的馬-曾干涉結(jié)構(gòu)包括光電探測器、保偏耦合器、第二偏振分束器、光纖延遲線圈、雙螺旋微納波導(dǎo)磁場探頭、偏振控制器、第一偏振分束器和集成光學(xué)元件；

5、所述光源出射端連接集成光學(xué)元件的y1端口，集成光學(xué)元件的y2端口連接第一偏振分束器的a端口，第一偏振分束器的c端口連接偏振控制器入射端口，偏振控制器出射端口通過串聯(lián)的雙螺旋微納波導(dǎo)磁場探頭和光纖延遲線圈連接第二偏振分束器的c端口，第二偏振分束器的b端口連接第一偏振分束器的b端口，第二偏振分束器的a端口連接保偏耦合器的h3端口，保偏耦合器的h2端口連接集成光學(xué)元件的y3端口，保偏耦合器的h1端口連接光電探測器。

6、優(yōu)選的，所述的電路控制系統(tǒng)包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器、現(xiàn)場可編程邏輯陣列、第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器和第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器；所述現(xiàn)場可編程邏輯陣列分別連接模數(shù)轉(zhuǎn)換器、第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器和第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器，所述的第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器和第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器分別與集成光學(xué)元件的電極和偏振控制器的電極相連，所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器與光電探測器和電源相連。

7、優(yōu)選的，所述的集成光學(xué)元件的y2端口和保偏耦合器的h3端口之間的光路構(gòu)成馬-曾干涉結(jié)構(gòu)的測量臂，集成光學(xué)元件的y3端口和保偏耦合器的h2端口之間的光路構(gòu)成馬-曾干涉結(jié)構(gòu)的參考臂。

8、優(yōu)選的，所述的雙螺旋微納波導(dǎo)磁場探頭由磁光折變聚合物材料通過飛秒激光雙光子聚合技術(shù)制備而成，磁光折變聚合物材料通過摻鋱納米顆粒與聚合物合成制成，通過磁折變材料提升波導(dǎo)的磁敏感性，通過雙螺旋結(jié)構(gòu)在較小尺寸下增加磁敏波導(dǎo)長度，進一步提升光子器件的磁敏感性。

9、優(yōu)選的，所述的集成光學(xué)元件的y1端口作為線偏振光入射端口，y2端口和y3端口作為線偏振光出射端口，從y1端口入射的光在內(nèi)部分成兩束光，分別從y2端口和y3端口出射。

10、優(yōu)選的，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應(yīng)的原理，其a端口和b端口分別用于傳輸豎直方向的線偏振光和水平方向的線偏振光，c端口用于傳輸任意方向的線偏振光；從a端口或b端口入射的豎直方向的線偏振光或水平方向的線偏振光只能從c端口出射，從c端口入射的豎直方向的線偏振光只能從b端口出射，從c端口入射的水平方向的線偏振光只能從a端口出射。本發(fā)明匯中，兩個偏振分束器的b1和b2端口0°焊接。

11、優(yōu)選的，所述的保偏耦合器的h2端口和h3端口作為線偏振光入射端口，h1端口作為線偏振光出射端口，馬-曾干涉結(jié)構(gòu)的參考臂與測量臂的光分別從h2端口和h3端口入射至保偏耦合器，并發(fā)生干涉后從h1端口出射。

12、優(yōu)選的，所述的雙螺旋微納波導(dǎo)磁場探頭呈太極狀結(jié)構(gòu)，是由兩個相同的螺旋結(jié)構(gòu)相切連接形成，其中單個螺旋結(jié)構(gòu)分別以最內(nèi)層的兩個半圓弧單元的圓弧中心為圓心，分別設(shè)有m個半徑從里到外依次增大的同心半圓弧單元，所述同心半圓弧單元的開口方向一致；最內(nèi)層的兩個半圓弧單元相切且開口方向相反，其余同心半圓弧單元依次相連形成螺旋結(jié)構(gòu)；一個螺旋結(jié)構(gòu)最外圍的開口與另一個螺旋結(jié)構(gòu)最外圍的開口各自通過1/4圓弧延長后相切，形成太極狀雙螺旋結(jié)構(gòu)，另外兩個開口分別作為太極狀雙螺旋結(jié)構(gòu)的輸入輸出口。

13、優(yōu)選的，所述的偏振控制器為基于鈮酸鋰晶體的偏振控制器，所述的光纖延遲線圈為保偏光纖線圈，其長度取決于控制系統(tǒng)的頻率。

14、本發(fā)明還公開了一種上述雙螺旋偏振調(diào)控循環(huán)放大微納波導(dǎo)磁場傳感裝置的控制方法，所述裝置中的雙螺旋微納波導(dǎo)磁場探頭置于待測磁場環(huán)境中，包括：

15、1)由光源出射的偏振態(tài)為豎直方向的線偏振光從集成光學(xué)元件的y1端口入射后一分為二，分別從y2端口和y3端口出射，且分別進入馬-曾干涉光路的測量臂端和參考臂端，通過電路控制系統(tǒng)為集成光學(xué)元件的電極施加電壓以調(diào)制y2端口的出射光相位，調(diào)制測量臂光路與參考臂光路相位差；

16、2)進入馬-曾干涉光路的測量臂端的線偏振光在循環(huán)放大系統(tǒng)中循環(huán)多次，具體為：

17、從集成光學(xué)元件的y2端口出射的豎直方向的線偏振光從a端口入射至第一偏振分束器，再從c端口進入偏振控制器的入射端，此時通過電路控制系統(tǒng)為偏振控制器的電極施加電壓，用于將光的偏振態(tài)轉(zhuǎn)為水平方向，則水平方向的線偏振光從偏振控制器的出射端依次進入雙螺旋微納波導(dǎo)磁場探頭和光纖延遲線圈，從光纖延遲線圈出射的水平方向的線偏振光從c端口入射至第二偏振分束器，再從第二偏振分束器的b端口進入第一偏振分束器的b端口，完成一次循環(huán)放大；通過控制偏振控制器的電極所施加的電壓，維持由偏振控制器出射的線偏振光的偏振態(tài)為水平方向，即可使得光信號在光路中多次繞行實現(xiàn)多次放大；

18、當(dāng)需要輸出信號光時，通過控制偏振控制器的電極所施加的電壓使得光的偏振態(tài)轉(zhuǎn)為豎直方向，則豎直方向的線偏振光從偏振控制器的出射端依次進入雙螺旋微納波導(dǎo)磁場探頭和光纖延遲線圈，從光纖延遲線圈出射的豎直方向的線偏振光從c端口入射至第二偏振分束器，再從第二偏振分束器的a端口進入保偏耦合器的h3端口；

19、3)由集成光學(xué)元件的y3端口出射的光從h2端口進入保偏耦合器，與從h3端口進入保偏耦合器的光發(fā)生干涉，干涉光信號從h1端口出射并由光電探測器接收，將接收到的光信號轉(zhuǎn)成數(shù)字信號，解調(diào)后得到待測磁場大小。

20、本發(fā)明的有益效果在于：

21、本發(fā)明利用基于飛秒激光雙光子聚合技術(shù)制備具有磁光折變效應(yīng)的雙螺旋微納波導(dǎo)磁場探頭，結(jié)合循環(huán)放大時序控制方法，突破循環(huán)次數(shù)可控、循環(huán)光路中功率衰落穩(wěn)定補償?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)，搭建循環(huán)放大光路，獲得高靈敏度、高穩(wěn)定性的微納光子器件、偏振調(diào)控循環(huán)放大系統(tǒng)和靈敏度5pt的高性能磁場測量系統(tǒng)，形成小型化、高靈敏度的微納光子弱磁傳感器。