【摘 要】
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海水盐度是表征海洋环境的重要参量之一,是海洋检测和海洋探测等科学活动中的重要测量对象。以往海水盐度测量主要采用基于电导率的海水盐度电学传感器,由于光纤传感器具有灵敏度高、耐腐蚀和纤细等优点,近年来多种光纤盐度传感机制被提出,光学无源方案使得光与物质作用长度受限,且通常需要设计单独的流体通道,增加了检测复杂度。针对上述问题,本文开展了集成微管腔的环腔光纤激光盐度传感研究,利用微管腔将光学信号通道和流
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海水盐度是表征海洋环境的重要参量之一,是海洋检测和海洋探测等科学活动中的重要测量对象。以往海水盐度测量主要采用基于电导率的海水盐度电学传感器,由于光纤传感器具有灵敏度高、耐腐蚀和纤细等优点,近年来多种光纤盐度传感机制被提出,光学无源方案使得光与物质作用长度受限,且通常需要设计单独的流体通道,增加了检测复杂度。针对上述问题,本文开展了集成微管腔的环腔光纤激光盐度传感研究,利用微管腔将光学信号通道和流体通道集成为一体盐度敏感单元,结合双拉锥光纤耦合和增益光纤构建了环腔激光增强了信号强度和减小了光谱线宽,实现了高灵敏度和宽动态范围的盐度传感。主要研究内容包括以下三个方面:1、研究了集成微管腔的环腔光纤激光基本理论,建立了双拉锥光纤与微管腔耦合的光谱滤波模型,仿真分析了微管腔尺寸、泵浦功率和掺铒光纤长度对激光输出的影响。结果显示利用半径范围30μm～60μm微管腔的光纤环腔可实现单波长激光输出,且光信噪比大于56.994 d B;提高泵浦功率或增加增益光纤长度可以增大铒离子激发态能级粒子数密度,初始阶段光信噪比提高和谱宽压缩明显,但最终受限于环腔噪声而达到稳定。2、研究了回音壁谐振模微管腔盐度传感机制,建立了双拉锥光纤与微管腔耦合模型并设计了耦合装置,制备了外径范围65μm～100μm,壁厚1.5μm～2.3μm的6支微管腔,搭建了集成微管腔的环腔光纤激光盐度传感实验系统,输出激光光谱与无增益微管腔透射光谱相比,光信噪比提高了41.721 d B,谱宽压缩了19.75倍。实验研究了泵浦功率对激光输出的影响,结果表明光纤激光盐度传感器的激光阈值功率约100 m W,在350 m W泵浦功率时,光信噪比达到72.425d B。3、实验研究了光纤激光盐度传感特性。在盐度探测范围0‰～45‰内,结合微管腔参数对盐度传感的稳定性、重复性和灵敏度进行了测试。实验结果显示盐度传感灵敏度最高达到107.2 pm/‰;理论最低探测极限为0.1666‰,与无增益微管腔相比降低了10倍;传感器动态范围达到270,超过其他结构的光纤盐度传感器。在-5℃～35℃内5个温度点下,传感器的盐度响应保持线性,灵敏度随温度降低而增加,从35℃至-5℃,灵敏度提升6.58%～21.63%。
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