[发明专利]基于飞秒激光刻写的温度和盐度光纤传感器及其使用方法

说明书

本发明提供一种基于飞秒激光刻写的温度和盐度光纤传感器及其使用方法，涉及光纤传感技术领域。本发明传感器由输入单模光纤，空芯光纤、输出单模光纤拼接而成，简称SHS结构。基于这种结构，引入飞秒激光微加工技术进行波导和开腔的刻写，实现了法布里‑珀罗干涉仪(FPI)和马赫‑曾德尔干涉仪(MZI)的集成。本发明中包层波导的写入为MZI的实现提供了基础，半开放腔又实现了传感臂与外部环境的直接接触，为高灵敏度测量提供了基础。本发明具有良好的稳定性、重复性和再现性，显示了测量海洋温度和盐度的前景。

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，尤其涉及一种基于飞秒激光刻写的温度和盐度光纤传感器及其使用方法。

背景技术

海洋参数很多，其中海水盐度和温度是海洋观测的基本参数。它们的分布和变化直接或间接的影响海洋生态、海洋水产养殖和军事活动。其中，海水盐度0.15‰的变化可引起被称为“水下恶魔”的海洋内波，严重危害沿海设施、水下航行器等的安全，甚至造成潜艇“坠深”现象；持续6个月的0.5℃海水温度异常变化将导致厄尔尼诺现象，导致全球气候发生剧烈变化，如今年的全球热浪等极端天气；因此，有必要准确地获取海洋环境温度和盐度的变化。

目前，用于海洋温度和盐度参数监测的仪器主要是电子传感器，测量准确。然而，国外产品占据了国内海洋监测产品的主要市场，如美国的海鸟、瑞典的SAIV、加拿大的RBR等。此外，这些传感器还存在体积大、功耗高、易腐蚀、寿命短等问题。与电子传感器相比，光纤传感技术在海洋探测中具有独特的优势。它对多个参数敏感，体积小，响应快，成本低，寿命长，传输损耗低，可以实现远距离传输。因此，它受到了许多研究人员的广泛关注。

光纤光栅传感器是最成熟的光纤器件，具有良好的稳定性，但其灵敏度低限制了其应用。此外，基于各种干涉原理的光纤干涉仪和表面等离子体共振(SPR)传感器为海洋参数的测量提供了各种可能性。2011年，提出了一种通过聚焦离子束(FIB)铣削的开腔光纤传感器。可以得到48pm/ppt的盐度灵敏度和29pm/℃的温度灵敏度。Tong等人通过实验验证了一种基于模式干涉的简单传感器，该传感器利用不同包层模式和纤芯模式的干涉来实现温度和折射率的同时测量。后来，Su等人提出了类似的球形结构。然而，它们的灵敏度并不令人满意。Wang等人在理论分析的基础上提出了一种光纤微光纤耦合器(OMC)。从实验结果中获得了高达nm/‰和nm/℃的盐度和温度灵敏度。随后，Yu等人在此基础上测试了深度响应特性。此外，Zhao等人将保偏光纤(PMF)和OMC相结合，通过测量干涉光谱强度和波长的变化来实现温度和盐度的同时测量。这种传感器灵敏度高，但体积大，难以封装。Zhang等人使用不同的金属膜构建了一种双通道SPR传感器。结果表明，它的温度灵敏度和盐度灵敏度可以达到0.3769nm/‰和-0.956nm/℃，但这种类型的传感器的寿命取决于金属膜的性能。近年来，随着飞秒激光微加工技术的发展，越来越多的研究人员将其用于制造传感器。Tian等人利用飞秒激光构建了一种微型多腔传感器。将空气开放腔和石英腔构造成多腔Fabry-Perot(FP)干涉结构，并使用快速傅立叶变换(FFT)分析来获得不同腔的不同响应。此外，已经提出了许多开腔方案，并且频谱质量不断提高。此外，飞秒直接写入波导也是近年来构造马赫-曾德尔(MZ)结构的常用方法。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于飞秒激光刻写的温度和盐度光纤传感器及其使用方法。该传感结构具有高灵敏度、良好的稳定性、重复性和再现性，具有同时测量海水温度和盐度的潜力。

一种基于飞秒激光刻写的温度和盐度光纤传感器，具体包括：输入单模光纤，空芯光纤、输出单模光纤、波导；

所述输入单模光纤、空芯光纤和输出单模光纤通过熔接机依次对准熔接；