基于磁力共振的高灵敏度光纤激光磁场传感器与阵列

High sensitive magnetic field sensor array is key equipment for many frontier researches. Fiber-optic sensors have attract many attentions for their advantages on light-weight, convenience for multiplexing and so on. However, currently, the sensitivity of fiber-optic magnetic field sensors are not very high, which limits their applications greatly. Based on our previous work, we note that widely used erbium ion in active fibers is paramagnetic. Therefore, erbium is attracted in a gradient magnetic field and generate magnetic force. Through the interaction between magnetic force and laser dynamics in fiber lasers, it is possible to realize a high sensitive fiber-laser magnetic field sensor. With this innovation idea, the project proposes a high sensitive fiber-laser magnetic field sensor based on magnetic force resonance. By utilizing the resonance of fiber in acoustic band, resonance mechanism is introduced into fiber-optic magnetic field sensors to realize high sensitive detection of magnetic field. Besides, with the advantage of convenience for multiplexing of fiber, it is possible to implement high sensitive fiber-optic magnetic field sensor array and distributed detection of magnetic field. Moreover, the project will also set up a set of sophisticated theoretical model and research method for the interaction among magnetic field, lasers, and doped paramagnetic or ferromagnetic ions in fiber, which will show significant scientific implications.

高灵敏度的磁场传感器阵列是开展许多前沿研究的关键设备，非常重要。光纤传感器由于具有轻便、易于复用组网等众多优点而广受关注。但是长期以来，光纤磁场传感器的灵敏度并不出众，极大地限制了光纤磁场传感器的应用。通过前期的研究，我们注意到有源光纤中广泛使用的铒离子是一种具有较强顺磁特性的粒子，在梯度磁场中会被吸引而产生磁力。通过磁力与光纤激光器的激光动力学过程相互作用，有望实现一种高灵敏度的光纤激光磁场传感器。项目基于这一创新观点，提出了基于磁力共振的高灵敏度光纤激光磁场传感器，利用光纤在声学频段的共振响应，将共振机制引入到光纤磁场传感器中，从而实现高灵敏度的磁场探测。同时，结合光纤易于复用组网的优点，构建高灵敏度的光纤磁场传感阵列，实现对磁场的分布式测量。此外，项目还将对光纤中磁场、激光和掺杂顺磁或铁磁离子之间的相互作用机制建立起一个完善的理论模型和研究方法，具有重要的科学意义。

本项目执行期为2019年1月至2022年12月，资助直接经费62万元，计划开展基于正交双频光纤激光器的高灵敏度光纤激光磁场传感器与阵列研究。项目围绕光纤激光器对磁场的敏感机理与增敏研究、光纤激光器对磁场的动态响应特性及其调控研究、高灵敏度光纤激光磁场传感器设计及其分布式传感阵列等三个主题开展研究。项目在敏感机理与增敏研究方面，研究了正交双频光纤激光器在梯度磁场中的敏感特性，基于磁场梯度力原理建立了物理模型，阐明了敏感机理；对光栅阵列构成的传感阵列，基于琼斯矩阵建立了物理模型，分析了阵列传感中，偏振态空间分布的演化规律，并利用琼斯矩阵的酉阵特性，给出了基于行列式的抗偏振衰落解调方案。在动态响应特性及其调控方面，研究了正交双频光纤激光器对动态梯度磁场的响应特性，明确了其超窄带响应的特点，响应带宽约4.5 kHz；对正交双频光纤激光器进行封装，基于封装结构的谐振特性，利用交变的安培力，在实现对磁场响应增敏的同时，抑制了环境干扰，实现了超过50 dB的信噪比。在高灵敏度光纤激光磁场传感器及其分布式传感阵列方面，研究并提出了延迟自相干瞬时频率解调方案，对频率调制的射频和激光信号，实现了无需外部参考和稳定工作偏置点的频率解调方案，大大提高了光纤激光传感器的工作范围和可靠性，解决了光纤激光传感器复用组阵的一个关键难点问题；对分布式传感中的非线性、串扰、偏振衰落等问题开展了研究，并提出了解决方案。研究并提出的基于相位编码和延迟偏振复用的分布式传感方案，实现了超过50 dB的信噪比，大于30 dB的动态范围。. 在项目组全体成员共同努力下，项目完成了预定的研究目标。在高水平期刊上发表了论文12篇，受邀在ICAIT2020等光纤光学与光纤传感领域的国际知名会议上做特邀报告1次。授权发明专利2项，申请发明专利1项（含国内已授权并进一步申报美国专利1项）。在项目执行期间，结合本项目培养硕士研究生8 名。