基于磁流体的光子晶体光纤磁场传感器，可用于生化和环境感知
近年来，基于磁流体（MF）的光纤磁场传感器在各类传感应用中开始掀起新的热潮。与传统电磁传感器相比，光纤磁场传感器具有结构紧凑、抗电磁干扰、灵敏度高、稳定性高以及易于构建分布式网络等优点。随着纳米技术的发展和纳米颗粒功能液体的出现，以磁流体为代表的新型功能介质因其可定制的磁光特性，开始被广泛应用于光学光栅、光开关、调制器、耦合器和磁场传感器等各种光子器件。
据麦姆斯咨询报道，近日，来自魁北克大学高等技术学院（École de technologie supérieure）、拉瓦尔大学（Université Laval）和亚苏季大学（Yasouj University）的研究人员共同提出一种基于磁流体的光子晶体光纤（PCF）磁场传感器，该传感器结构紧凑，具有读取简单、灵敏度高和快速响应等特点，有望在新兴生化和环境感知等领域实现广泛应用。相关研究成果已发表于Scientific Reports期刊。
该传感器基于一种特殊的光子晶体光纤，具有亚微米级气孔，并渗透有功能磁流体。由此产生了具备高灵敏度（0-350高斯）、快速响应时间（0.1 s）和尺寸紧凑的磁场传感器。其原理是，当渗透了磁流体的光子晶体光纤暴露于磁场时，磁流体的空间分布从随机均匀转变为有序的场相关模式。由于尼尔和布朗弛豫（Néel and Brownian relaxation）效应，磁性纳米粒子（MNP）会沿着磁场方向聚集并形成链状簇。当磁场强度发生变化时，磁流体的折射率（RI）随之改变。
磁流体渗入光子晶体光纤的实验
研究人员使用了具有亚微米级气孔的特殊光子晶体光纤，可以在800~1000 nm范围内实现光透射，并通过使用经济高效的近红外激光二极管对其光投射效果进行了驱动验证。
基于磁流体渗入的光子晶体光纤的光投射示意图
该传感器基于折射率（RI）变化工作，该现象很大程度上取决于磁性纳米粒子的体积分数和液体载体（水、有机溶剂等）。研究人员针对不同浓度的磁流体，进一步分析了该传感器的灵敏度、阈值和饱和点、响应/恢复时间等性能。研究发现，光子晶体光纤的输出光功率与施加的磁场强度表现出强相关性，传感器饱和点随着磁性纳米粒子浓度的增加而增加。
不同磁流体浓度的样品透射损耗与磁场关系图
光子晶体光纤输出光功率与磁场强度关系图
为了评估该传感器的动态响应，研究人员将渗入不同浓度磁流体的光子晶体光纤以相同时间暴露于250 ± 8.7高斯的恒定磁场中。结果表明，含有最低磁颗粒浓度（5.9 Vol%）的样品表现出非常快的响应/恢复时间（其传输光功率从90%变化到10%的时间间隔）为0.1s，且响应/恢复时间不受所施加磁场强度的影响，验证了该传感器在灵敏度和响应时间方面具有显著的优势。
基于磁流体渗入的光子晶体光纤动态响应图
此外，研究人员还模拟了渗透光子晶体光纤的主要波导机制，将实验结果采用Langevin函数进行拟合，并通过有限元方法仿真验证了磁场和光纤波导传输模型，证实了该设计方法与实验结果的一致性。
该项研究利用成熟的光纤技术与功能性磁流体完美结合，为混合型光纤磁场传感器的设计开发提供了新的思路，也为新兴生化和环境感知等应用提供了理想的解决方案。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41598-022-13873-z
延伸阅读：
《传感器技术和市场趋势-2020版》
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