一种基于多段锥形石英纤维模式干涉结构的海水盐度测量装置的制作方法

本实用新型涉及光纤激光传感领域，具体讲，涉及一种基于多段锥形石英纤维模式干涉结构的海水盐度测量装置，可用于海水盐度信息的测量。

背景技术：

近年来，全光纤传感器，特别是那些高灵敏度的传感器，已经引起了人们的广泛关注。随着光纤激光器的普及，且由于它们具有结构简单、灵敏度高、信噪比高、稳定性好等优点，人们对光纤激光传感器的需求日益增长。现今已经实现了各种光纤激光传感器对温度、应变、折射率等的测量，已广泛应用于生物、医学、环境等各个领域。

海水盐度的测量在水产养殖、海洋环境监测与管理、海洋学研究等多种科学应用中起着不可或缺的作用，传统的基于电子元件的商业盐度传感器通过探测海水电导率来采集盐度信息。近年来，光纤盐度传感器作为一种潜在的有吸引力的替代品受到了广泛的关注。通过测量海水的折射率可以获得盐度信息。现有的光纤盐度传感器形式包括传统的长周期光栅干涉仪、光纤法布里-珀罗腔中的微纤维结型环形谐振器、侧面抛光的双核光纤、u形单模光纤以及v各种锥形特种光纤和微纤维光纤。为了提高光纤盐度传感器的灵敏度，大多采用熔锥或激光钻孔的方法制作。这些传感器大多灵敏度高，然而它们很难构建。此外，这些传感器的传感头要么鲁棒性差，要么增大了传感光纤的温度交叉敏感性，这种脆弱的传感结构变得不可靠，不适合在极端海洋环境中进行测量。最近，基于光纤激光内腔调制的光纤传感器已应用于磁场和温度测量，这些传感器具有灵敏度高、信噪比高、半峰全宽窄等特点，它们在海洋探测方面有很大的潜力。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种基于多段锥形石英纤维模式干涉结构的海水盐度测量装置。这种光纤多模模式干涉结构作为一种内腔感知器件，采用多段锥形石英纤维相连并熔入到一段光纤中构成，将其嵌入到光纤激光器环形腔中，以改善环形腔的工作环境。光纤反射器与基于多段锥形石英纤维的模式干涉结构相级联，来提高调制灵敏度。采用该传感器装置，可以对海水折射率进行测量，根据输出光谱的变化从而可获得海水的盐度信息。为此，本实用新型采取的技术方案是，包括：依次相连的半导体激光器、波分复用耦合器、激光增益光纤、隔离器、反射传感头结构、光循环器、光纤布拉格光栅、光耦合器、光谱分析仪；激光增益介质为一段3米长的掺铒光纤；基于多段锥形石英纤维的模式干涉结构与光纤反射器相级联构成了反射传感头结构，这便于工程设备的组装；装置的输出光谱是由光谱分析仪测量得到的。

半导体激光器作为激光泵浦源，976nm抽运光通过980nm/1550nm波分复用器有效的耦合到掺铒光纤中，其固定输出波长为976nm。

将基于多段锥形石英纤维的模式干涉结构与光纤反射器级联，用作反射传感头，提高了内腔感知深度，其中模式干涉结构是由多段合适长度的锥形石英纤维相连并熔入到一段光纤中构成的。将反射传感头通过光循环器嵌入到光纤环形腔中，作为盐度信息传感器件，同时还有一定滤波作用。

传感头的水密封装设计采用了双套筒结构，用于海水中的防污保护，其中过滤网起到过滤海水中杂质的作用，紫外线发光二极管具有杀菌和净化水质的功效，用于防止传感光纤与海洋生物分子和浮游生物粘附，保证了传感头部分暴露在海水中的可靠性，并将传感头部分通过环氧胶固定在检测保护结构上。同时将传感结构密封起来，能够承受高水压，防止海水渗透到仪器中。

隔离器作为隔离装置，是为了保持单向光传播并防止空间孔燃烧。

光谱分析仪通过10∶90耦合器作为输出，其中10％的光输出连接到光谱仪，用来记录数据并分析输出激光特性，90％回到环形腔形成反馈。光谱分辨率为0.02nm。

海水盐度信息测试方法，利用前述装置实现，将反射传感头部分置于盐度环境下开始测量，然后通过改变传感头周围的盐度大小，可以在装置的输出端得到随之变化的光谱图和功率变化，将其存储下来并进行相应地数据处理，就可以得到海水的盐度信息。

本实用新型的优点在于，基于多段锥形石英纤维模式干涉结构，首次将光纤反射器与基于多段锥形石英纤维的模式干涉结构相级联用作反射传感头，便于工程设备的组装，将其嵌入到光纤激光环形腔中，可用作盐度信息传感器件，同时还有一定滤波作用。对于反射传感头的封装结构，我们采用了双套筒结构设计用于海水中的防污保护，其中其中过滤网起到过滤海水中杂质的作用，紫外线发光二极管具有杀菌和净化水质的功效，用于防止传感光纤与海洋生物分子和浮游生物粘附，保证了传感部分暴露在海水中的可靠性，并将反射传感头通过环氧胶固定在检测保护结构上。同时再采用密封结构和金属塞把传感头部分密封起来，能够承受高水压，防止检测时海水渗透到仪器中。而且其中的基于多段锥形石英纤维模式干涉结构，传输效率高，插入损耗低，利用此结构的多模模式干涉进行调制，可达到低损滤波传感，高精度感知盐度信息。该传感器测量装置几乎不受功率波动的影响，相比较而言其强度稳定性好，测量误差小。

附图说明

图1为本实用新型使用的反射传感头的水密封装结构。

图2为本实用新型使用的基于多段锥形石英纤维的模式干涉结构示意图。

图3为本实用新型的光纤盐度传感器的实验装置系统图。

附图中，各标号所代表的部件例表如下：

1-光纤反射器；2-传输光纤；3-基于多段锥形石英纤维的模式干涉结构；4-密封结构(可承受高水压，防止渗透到仪器中)；5-过滤网(过滤海水中的杂质)；6-紫外线发光二极管(杀菌，净化水质)；7-金属塞；8-单模光纤；9-锥形石英纤维；10-半导体激光器(带尾纤输出的半导体激光器，固定输出波长为976nm)；11-波分复用耦合器(wdm，980/1550nm)；12-激光增益介质(掺铒光纤)；13-隔离器；14-光环形器；15-反射传感头；16-光纤布拉格光栅；17-光耦合器(分光比为10∶90，10％的光输出，90％的光回到环形腔形成反馈)；18-光谱分析仪(osa，光谱分辨率为0.02nm)。

具体实施方式

本实用新型中，首次实现基于多段锥形石英纤维模式干涉结构的海水盐度测量装置，掺铒光纤作为激光增益介质，由基于多段锥形石英纤维的模式干涉结构与光纤反射器构成的传感反射头能够感应海水盐度信息，通过检测传感头因周围盐度变化而变化的输出光谱和功率，能够有效测得盐度传感精度，根据海水折射率可以运算得到海水的盐度信息。基于多段锥形石英纤维的模式干涉结构，与光纤反射镜级联作为反射传感头，作为一种内腔感知器件被嵌入到系统装置中，改善了环形腔系统的工作环境，并根据光纤激光器的输出强度感应腔内损耗调制盐度传感。

本实用新型公开了一种基于多段锥形石英纤维模式干涉结构的海水盐度测量装置，其技术方案如下：

主要包括半导体激光泵浦源、有源内腔感知调制系统、反射传感头结构、光纤布拉格光栅和光谱分析仪。

本传感装置结构简单。泵浦光源976nm激光通过980nm/1550nm波分复用器有效的耦合到增益介质掺铒光纤中，为了保持单向光传播并防止空间孔燃烧，采用了隔离装置。由基于多段锥形石英纤维的模式干涉结构级联一个光纤反射器，用作反射传感头。输出光谱由光谱分析仪通过10∶90耦合器测量，由此可以实现海洋盐度信息传感。

半导体激光器作为激光泵浦源，976nm抽运光通过980nm/1550nm波分复用器有效的耦合到掺铒光纤中，其固定输出波长为976nm。

将基于多段锥形石英纤维的模式干涉结构与光纤反射器级联，用作反射传感头，将其作为一种内腔感知器件嵌入到光纤环形腔中，达到了低损滤波传感，改善了环形腔的工作环境。

双套筒结构设计用于海水中的保护，保证了传感部分暴露在海水中的可靠性。密封结构能够承受高水压，防止水渗透到仪器中。

隔离器作为隔离装置，是为了保持单向光传播并防止空间孔燃烧。

光谱分析仪通过10∶90耦合器作为输出，其中10％的光输出连接到光谱仪，用来记录数据并分析输出激光特性，90％回到环形腔形成反馈。其光谱分辨率为0.02nm。

下面结合附图和实施例进一步详细说明本实用新型。

图1所示为本实用新型使用的反射传感头的水密封装结构。该传感头结构15一端连接传输光纤2，密封结构4和金属塞7结合，能承受高水压，防止海水渗透到仪器中。双套筒结构设计用于防污，其中过滤网5过滤海水中的杂质和紫外线发光二极管6杀菌和净化水质，可防止传感光纤与海洋生物分子和浮游生物粘附。反射传感头15通过环氧胶固定在检测保护结构上。

图2为系统中基于多段锥形石英纤维的模式干涉结构示意图。该模式干涉结构是将三段锥形石英纤维相连并熔入到一段光纤中构成，其一端与光纤反射器1相级联构成了反射传感头15。其嵌入光纤激光器环形腔中，可以改善环形腔的工作损耗环境。

图3为光纤盐度传感器的实验装置系统图。半导体激光器10输出波长为976nm的泵浦光，然后通过980nm/1550nm波分复用耦合器11有效的耦合到增益介质掺铒光纤12中。并且采用了隔离装置隔离器13，保持了系统单向光传播和防止空间烧孔。为了起到滤波作用，在本实用新型中采用了传感头15和光纤布拉格光栅16结构，采用传感头结构15还提高了光纤激光器内腔的内腔感知深度，改善了系统的工作环境。在本实用新型中利用光谱分析仪18的输出光谱图可以得到海水的盐度信息。

本实用新型中，传感头15被放置在模拟海水环境中，当改变其周围环境盐度时，传感系统的输出功率将会发生变化，通过检测处理就可以得到海水的盐度信息，实现系统的高精度低损耗盐度传感。