Жидкокристаллический датчик магнитного поля на основе оптического волокна

Гордеева А.И., Гилев В.Г., Нурмухаметов Д.И., Паньков А.С., Пономарев Р.С.

Ссылка для цитирования:

Гордеева А.И., Гилев В.Г., Нурмухаметов Д.И., Паньков А.С., Пономарев Р.С. Жидкокристаллический датчик магнитного поля на основе оптического волокна // Оптический журнал. 2026. Т. 93. № 5. С. 90–99. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2026-93-05-90-99

Gordeeva А.I., Gilev V.G., Nurmuhametov D.I., Pankov A.S., Ponomarev R.S. Liquid crystal magnetic field optical fiber sensor [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2026. V. 93. № 5. P. 90–99. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2026-93-05-90-99

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Метрологические характеристики волоконно-оптического датчика магнитного поля, выполненного в виде полости микрометрового размера, заполненной нематикохолестерической смесью или нематиком 5СВ. Цель работы. Разработка волоконно-оптического датчика магнитного поля с использованием жидких кристаллов в качестве чувствительного элемента и исследование его характеристик, а также выявление закономерностей, которые в дальнейшем могут быть использованы при серийном производстве волоконно-оптических датчиков на основе жидких кристаллов. Метод. Измерение угла вращения плоскости поляризации оптического излучения, проходящего через жидкий кристалл, при внесении чувствительного элемента в область магнитного поля различной напряженности осуществлено поляриметрическим методом. Основные результаты. Решена задача удаленного и высокоточного измерения напряженности магнитного поля. Представлены основные принципы работы и структурная схема чувствительной части жидкокристаллического датчика магнитного поля. Приведены результаты испытаний рабочих элементов, выполненных на торце изотропного и анизотропного оптических волокон, заполненных нематико-холестерической смесью или нематиком 5СВ. Результаты испытаний жидкокристаллического датчика магнитного поля на основе оптического волокна соответствуют заявленной цели исследования, а именно измерению напряженности магнитного поля. Практическая значимость. Результаты исследования позволят решить задачи научного и прикладного характера дистанционного мониторинга магнитного поля.

Ключевые слова:

волоконно-оптический датчик, жидкие кристаллы, нематико-холестерическая смесь, магнитное поле, поляризованное излучение

Благодарность:

исследование выполнено при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках Государственного задания № FSNF-2024-0001 «Разработка элементной базы фотонных систем для задач телекоммуникаций и сенсорных применений»

Коды OCIS: 230.0230, 130.6010, 230.5440

Список источников:

1. Chen W., Xiaohua L., Zhang W., et al. Recent progress of optical fiber Fabry–Perot sensors // Acta Optica Sinica. 2018. V. 38. № 3. P. 0328010. https://doi.org/10.3788/AOS201838.0328010

2. Islam M.R., Ali M., Lai M.-H., et al. Chronology of Fabry–Perot interferometer fiberoptic sensors and their applications: A review // Sensors. 2014. V. 14. P. 7451–7488. https://doi.org/10.3390/s140407451

3. Oh K.D., Wang A., Claus R.O. Fiber-optic extrinsic Fabry–Perot dc magnetic field sensor // Opt. Lett. 2004. V. 29. № 18. P. 2115–2117. https://doi.org/10.1364/ol.29.002115

4. Mozafari M., Sanjabi Z., Granpayeh N. Design and fabrication of piezo-optical Fabry–Perot voltage sensor // Proc. Avionics, Fiber-Optics and Photonics Technology Conf. 2008. P. 39–40. https://doi.org/10.1109/AVFOP.2008.4653165

5. Chen X., Lu D., Xing H., et al. Recent progress in MEMS fiber-optic Fabry–Perot pressure sensors // Sensors. 2024. V. 24. № 4. P. 1079. https://doi.org/10.3390/s24041079

6. Humar M. Liquid-crystal-droplet optical microcavities // Liquid Crystals. 2016. V. 43. № 13–15. P. 1937–1950. https://doi.org/10.1080/02678292.2011221151

7. Chen X., Du F., Guo T., et al. Liquid crystal-embedded tilted fiber grating electric field intensity sensor // J. Lightwave Technol. 2017. V. 35. № 16. P. 3393–3400. https://doi.org/10.1109/JLT.2016.2643163

8. Ma M., Chen H., Li S.-G., et al. Highly sensitive temperature sensor based on Sagnac interferometer with liquid crystal photonic crystal fibers // Optik — Intern. J. Light and Electron Opt. 2019. V. 179. P. 665–671. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.20111.006

9. Kaur Bal H. Optical fiber refractive index, voltage and strain sensors: Fabrication and applications // PhD Thesis. Australia: Centre for Telecommun. and Microelectron., Victoria University, 2011. 208 р.

10. Yang H., Wang C., Jin G., et al. Optical liquid-crystal magnetic field sensor with temperature compensation // IEEE Sensors J. 2024. V. 24. Iss. 8 P. 12259–12265. https://doi.org/10.1109/JSEN.2023.3328186

11. Gersak R., Copar S. Interactions on the interface between two liquid crystal materials // Crystals. 2020. V. 10. № 5. P. 393. https://doi.org/10.3390/cryst10050393

12. Zhao C., Cai L., Zhao Y. An optical fiber electric field sensor based on polarization-maintaining photonic crystal fiber selectively filled with liquid crystal // Microelectron. Eng. 2021. V. 250. P. 111639. https://doi.org/10.1016/j.mee.2021.111639

13. Liu Y., Lin W., Vai M.I., et al. Fiber optic electric field intensity sensor based on liquid crystal-filled photonic crystal fiber incorporated ring laser // IEEE Photon. J. 2022. V. 14. № 1. P. 1–9. https://doi.org/10.1109/JPHOT.2021.3136879

14. Liu Y., Zhao C., Zhang Y., et al. Electrically tunable optical fiber device based on hollow-core fiber infiltrated with liquid crystal // Sensors and Actuators A: Physical. 2021. V. 318. P. 112500. https://doi.org/10.1016/j.sna.2020.112500

15. Гилев В.Г., Платунова А.С. Температурная зависимость двулучепреломления в нематическом жидком кристалле МВВА // Вестник Пермского университета. Физика. 2012. Т. 2. Вып. 20. С. 64–68.

Gilev V.G., Platunova A.S. Temperature dependence of birefringence in nematic liquid crystal MBBA [in Russian] // Bulletin of Perm University. Physics. 2012. V. 2. № 20. P. 64–68.

16. Lv R.-Q., Zhao Y., Wang D., et al. Magnetic fluid-filled optical fiber Fabry–Perot sensor for magnetic field measurement // IEEE Photon. Technol. Lett. 2014. V. 26. P. 217–219. https://doi.org/10.1109/LPT.2013.2290546

17. Zhao Y., Lv R.-Q., Ying Y., et al. Hollow-core photonic crystal fiber Fabry–Perot sensor for magnetic field measurement based on magnetic fluid // Opt. & Laser Technol. 2012. V. 44. P. 899–902. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2011.11.011

18. Гордеева А.И., Нурмухаметов Д.И., Пономарев Р.С. Волоконно-оптический датчик напряженности электрического поля на основе нематико-холестерической смеси // Электроника, фотоника и киберфизические системы. 2024. Вып. 4. № 3. С. 26–32.

Gordeeva A.I., Nurmukhametov D.I., Ponomarev R.S. Fiber-optic electric field strength sensor based on a nematic-cholesteric mixture [in Russian] // Electronics, Photonics, and Cyberphysical Systems. 2024. V. 4. № 3. P. 26–32.

19. Bogi A., Faetti S. Elastic, dielectric and optical constants of 4-pentyl-4-cyanobiphenyl // Liq. Cryst. 2001. V. 28. № 5. Р. 729–739. https://doi.org/10.1080/02678290010021589

20. Morozov O., Agliullin T., Sakhabutdinov A., et al. Fiber-optic hydraulic sensor based on an end-face Fabry–Perot interferometer with an open cavity // Photonics. 2023. V. 11. № 1. P. 22. https://doi.org/10.3390/photonics11010022