《Optics & Laser Technology》：Magnetic fluid coated mirror polarization maintaining long-period fiber grating vector magnetic field probe
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矢量磁场探头设计及其性能研究。通过在单模光纤端面镀金膜形成反射结构，并嵌入偏振保持光纤实现磁场传感，利用磁流体的磁光特性实现矢量磁场测量。实验表明该传感器在1-10 mT范围内具有-0.6927 nm/mT的强度敏感度和0.149 nm/°的方向敏感度，结构紧凑且稳定。
董迪|苏春波|戴立勇|于泽|弗拉基米尔·R·图兹|耿涛
中国教育部光纤集成光学重点实验室，哈尔滨工程大学物理与光电工程学院，哈尔滨150001，中国
摘要
本文提出并展示了一种基于镜面保偏长周期光纤光栅（MPMF-LPFG）的矢量磁场探头，该探头不仅能实现矢量磁场测量，还能以反射模式工作，为磁场传感探头的设计提供了更合适的解决方案。该传感器通过将保偏光纤嵌入单模光纤中，并在其外层包裹磁性流体（MF）来实现磁场测量。实验结果表明，在1–10 mT的磁场范围内，传感器的最大磁场强度灵敏度和方向灵敏度分别为-0.6927 nm/mT和0.149 nm/°，且光栅区域的长度仅为3.25 mm。此外，整个结构的表面保持圆形对称性，结构强度也得到了保障。本文提出的传感器结构紧凑、制造简单，有望应用于磁场检测领域。
引言
矢量磁场传感器在军事、医疗、航空航天和深海勘探等领域发挥着重要作用[1]。与传统磁场传感器相比，光纤传感器具有显著的优势，如高灵敏度、紧凑性和抗电磁干扰能力强。因此，它们成为电磁场传感的重要补充技术[2,3]。磁性流体（MF）由均匀分散在液体基质中的磁性纳米颗粒组成，具有可调的磁光特性：可调折射率（RI）[4,5]、法拉第旋转[6]和磁双折射[7]。近年来，磁性流体作为一种新型磁敏材料受到了广泛关注。除了优异的磁光特性外，其流动性使其易于与光纤结合[8]。
近年来，出现了许多光纤矢量磁场传感器。其中一种方法利用注入光子晶体光纤微结构中的磁性流体的可调折射率来实现磁场测量。然而，由于需要将磁性流体填充到微米级的空气孔中，制造过程较为复杂。其他研究人员提出了基于磁性流体涂层的非对称光纤传感器，这种传感器的非对称衰减场可以与磁性流体相互作用以实现矢量测量[9]。这类非对称结构的光纤传感器通常通过交错熔接、侧面抛光和蚀刻工艺制造，但会导致传感器机械性能下降和结构稳定性较差。因此，亟需设计一种结构稳定、灵敏度高、体积小且成本低的光纤矢量磁场传感器。
光纤光栅是光纤传感领域的理想组件，基于光纤光栅的传感器在集成度、灵敏度和灵活性方面已有显著提升。2015年，毛等人[10]提出了一种新型倾斜长周期（TLPFG）矢量磁场传感器。许多光纤磁场传感器通过打破光纤轮廓的圆形对称性或在结构中引入非对称折射率分布来实现矢量测量，但这会导致与偏振相关的损耗增加[11]。在结构中引入保偏光纤（PMF）是消除磁场传感过程中光学偏振干扰的有效方法[12]。2022年，江等人[13]展示了使用保偏光纤制造的矢量磁场传感器，有效消除了测量过程中的光偏振干扰。然而，这种传感器为透射型结构，其集成和封装限制了应用范围。因此，需要设计一种尺寸小、灵敏度高且成本低的光纤反射式LPFG传感器。
为克服这些限制，本文提出了一种镜面保偏长周期光纤光栅（MPMF-LPFG）并进行了实验验证。通过光纤切割拼接技术，将保偏光纤（PMF）段埋入单模光纤（SMF）中，并在光纤端面镀金，使传感器能够以反射模式工作。该结构外层包裹磁性流体，从而实现磁场测量。由于磁性流体的折射率会随磁场变化而变化，因此传感器对折射率变化敏感，且整个MPMF-LPFG结构保持圆形对称性，确保了结构的稳定性。实验结果表明，该传感器的最大磁场强度灵敏度和方向灵敏度分别为-0.6927 nm/mT和0.149 nm/°。这种探针型矢量磁场传感器在结构设计、灵敏度和尺寸方面取得了显著改进。
部分内容摘录
磁性流体折射率可调特性
磁性流体是一种新型纳米材料，由磁性纳米颗粒、表面活性剂和基底支撑液体组成[14]。在没有外加磁场的情况下，磁性流体中的纳米颗粒在MPMF-LPFG内部均匀分布，如图1(a)所示。当施加磁场时，纳米颗粒会形成链状结构，并沿磁场方向排列。
折射率响应测量
首先描述了MPMF-LPFG结构对周围折射率变化的光谱响应。实验中，将传感器浸入不同折射率的液体中。折射率的变化（1.33–1.4205）导致反射光谱发生漂移，如图4所示。随着周围折射率的增加，干涉波长向短波方向移动。快轴模式和慢轴模式的折射率灵敏度分别为-107.2646 nm/RIU和-178.8761 nm/RIU。
结论
总结来说，我们利用光纤分割拼接技术开发了一种镜面反射式嵌入式保偏LPFG传感器。该传感器利用非对称衰减场分布和磁性流体的磁光特性来测量矢量磁场。通过在光纤端面镀金，传感器可以在反射模式下工作。在1–10 mT的磁场范围内，该传感器的最大磁场强度灵敏度为-0.6927 nm/mT。
作者贡献声明
董迪：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、软件开发、方法论设计、实验研究、数据分析、概念构建。苏春波：撰写 – 审稿与编辑、数据可视化、软件开发、方法论设计、实验研究。戴立勇：撰写 – 审稿与编辑、软件开发、数据管理。于泽：结果验证、方法论设计、实验研究。弗拉基米尔·R·图兹：项目指导、项目管理和资金筹集。耿涛：项目指导、项目管理和资金筹集。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本项工作得到了中央高校基本科研业务费（项目编号：3072024XX2502）的资助。
