Быстродействующий и чувствительный датчик магнитного поля на основе фотонно-кристаллического волокна с наноотверстиями, пропитанными магнитной жидкостью

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 9672 (2022) Цитировать эту статью

Доступы 1987 г.

8 цитат

8 Альтметрика

Подробности о метриках

Был продемонстрирован датчик магнитного поля с быстрым временем отклика (0,1 с) с использованием фотонно-кристаллического волокна с воздушными отверстиями наноразмера, пропитанными магнитной жидкостью на основе полиэтиленгликоля. Подробно исследовано влияние концентрации магнитных наночастиц в жидкости на работу магнитооптического датчика и ее зависимость при изменении нагрузки магнитного поля. В частности, отклик датчика был аналитически смоделирован с помощью функции Ланжевена с хорошим соответствием (R\(\ge\)0,996). Пороговая точка чувствительности составляла всего 20 гаусс, а диапазон обнаружения 0–350 гаусс был продемонстрирован посредством измерений оптической передачи. Экспериментальные результаты были подтверждены теоретически с использованием волноводной модели световода, основанной на моделировании методом конечных элементов основных направляемых мод в датчике с проникающим волокном. Простая схема опроса, высокая чувствительность и быстрое время отклика делают предлагаемый гибридный волоконно-оптический магнито-флюидный зонд многообещающей платформой для новых приложений биохимического зондирования.

С появлением Интернета вещей, носимых датчиков и персонализированной медицины растет спрос на компактные и надежные датчики, обеспечивающие биосенсорство и мониторинг окружающей среды для пользователей и существ с искусственным интеллектом. Среди различных типов датчиков на основе оптических волокон специальные волокна, пропитанные магнитной жидкостью, в последнее время привлекли внимание к разработке высокочувствительных и компактных датчиков магнитного поля. Датчики магнитного поля широко используются при измерении электрического тока, в металлургии, энергетике, в биомедицинских целях, при разведке нефти и газа, а также в авиационной промышленности1,2,3. Наиболее распространенные методы основаны на магнитотранзисторных, магниторезистивных, феррозондовых или эффекте Холла для обнаружения и измерения магнитных полей4,5,6. Эти датчики имеют некоторые недостатки, связанные с их энергопотреблением, ограниченным мультиплексированием, стоимостью, миниатюризацией и возможностями удаленного мониторинга. Кроме того, окружающие источники электрического поля склонны создавать помехи в виде электромагнитных помех в электронных схемах7.

По сравнению с обычными датчиками датчики магнитного поля на основе оптоволокна обладают многообещающими ключевыми преимуществами, такими как компактный размер, невосприимчивость к электромагнитным помехам, возможности удаленного мониторинга и мультиплексирования посредством оптических сетей, высокая надежность и чувствительность. Первые волоконно-оптические датчики магнитного поля, о которых сообщалось за последние четыре десятилетия, использовали магнитострикционные материалы в сочетании с интерферометрией Маха-Цендера, в то время как другие схемы используют изменения состояния поляризации света8,9,10,11.

Между тем, с развитием нанотехнологий и появлением жидкостей, функционализированных наночастицами, в области датчиков изучаются новые применения так называемых магнитных жидкостей (МЖ). МФ представляет собой жидкость, обычно состоящую из однодоменных магнитных наночастиц (МНЧ), покрытых поверхностно-активным веществом в суспензии внутри жидкого носителя, и обладающую специально разработанными физико-химическими свойствами, включая магнитную восприимчивость, полидисперсность и диполярные взаимодействия. Благодаря своим настраиваемым магнитооптическим свойствам МП применяются в различных фотонных устройствах, включая оптические решетки12, оптические переключатели13, модуляторы14, соединители15 и датчики магнитного поля16.

Способность проявлять зависящий от магнитного поля показатель преломления (RI)17,18, который объясняется микроструктурным распределением МНЧ внутри МП, является ключевым параметром, используемым во многих сенсорных приложениях. Соответственно, различные конфигурации оптических волокон в сочетании с МП хорошо изучены в качестве датчиков магнитного поля. Их можно использовать в трех различных конфигурациях: сначала в виде тонкой пленки MF на торцевой грани поперечного сечения оптического волокна, в качестве оболочки травленого/конического волокна (в средней части) и, наконец, в качестве наполнителя внутри волокно. Для первой конфигурации сообщалось о нескольких датчиках на основе Фабри-Перо, которые включают МП внутри секции оптического волокна19,20. Этот метод страдает чувствительностью к тепловому расширению и сложным процессом расчета и изготовления полостей правильных размеров. Эти проблемы были решены с помощью травленых конических волокон21,22, однако эти утонченные волокна очень хрупкие из-за их низкой механической прочности. Наконец, при введении МП внутрь волокна не только сохраняются исходные особенности микроструктуры, но и все волокно также имеет расширенную зону взаимодействия, что повышает чувствительность23. В этой работе мы представляем специальное фотонно-кристаллическое волокно (ФКФ) с воздушными отверстиями нанометрового размера, пропитанными МП. Характеристики сенсора, включая чувствительность, пороговые значения и точки насыщения, время отклика/восстановления, были подробно изучены для различных концентраций МФ. Работа построена следующим образом: в разделе «Технологический процесс и принцип работы» описан процесс проникновения ПКФ и принцип измерения. В разделе «Результаты и обсуждение» рассмотрены экспериментальные исследования влияния концентраций МФ на отклики сенсоров. Кроме того, было проведено численное моделирование выходной мощности, за которым затем последовало сравнение результатов эксперимента и моделирования. Предлагаемый функциональный датчик с такими характеристиками, как компактный размер и быстрое время отклика/восстановления, может найти применение в будущих биохимических и промышленных измерениях.