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：
1、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。
2、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。
3、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。
技术实现思路
1、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。
2、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；
3、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；
4、所述波导分为三段，其中第一段波导的起点设置在输入单模光纤纤芯上，距离输入单模光纤和空芯光纤熔接界面1000微米位置处，第一段波导与纤芯的夹角角度是2.29度，其终点在输入单模光纤和空芯光纤熔接界面停止；以第一段波导的终点作为第二段波导的起点，第二段波导的长度是100微米，以第二段波导的终点作为第三段波导的起点，第三段波导的终点为输出单模光纤纤芯上，终点距离输出单模光纤和空芯光纤熔接界面1000微米位置处。
5、所述空芯光纤中心设置有矩形半开腔，所述矩形半开腔是利用飞秒激光微加工技术制备的，将空芯光纤的一半打通，保证了空芯光纤空气孔和外界的连通；
6、所述单模光纤和空芯光纤的包层直写波导作为mzi的参考臂，半开腔路径作为mzi的传感臂，空芯光纤和两侧单模光纤的两个熔接界面作为fpi的两个反射端面，形成马赫-曾德尔干涉仪mzi和法布里-珀罗干涉仪fpi。
7、另一方面，一种基于飞秒激光刻写的温度和盐度光纤传感器的使用方法，基于前述一种基于飞秒激光刻写的温度和盐度光纤传感器实现，具体包括以下步骤：
8、步骤1：用π型管对光纤传感器进行封装；
9、所述π型管包括端口1-端口4，光纤传感器从π型管的端口2进入，端口1传出，外界流体通过端口3和端口4流入和流出；
10、步骤2：将光纤传感器的输入单模光纤端通过环形器和超连续谱光源以及光谱仪1进行连接，输出单模光纤端直接和光谱仪2连接。
11、步骤3：根据马赫-曾德尔干涉仪和法布里-珀罗干涉仪的干涉原理，得到他们的干涉波谷、开腔内有效折射率和波导有效折射率的关系，如公式1所示。
12、
13、其中ne，nw分别为开腔和波导内传输光的有效折射率。λmz和λfp分别是mzi和fpi的干涉图谱的波谷波长，m为常数，l1是波导起点到输入单模光纤和空芯光纤熔接界面的距离，l2是空芯光纤长度，θ是波导的偏芯角度，nco是光纤纤芯中传输光的有效折射率。
14、当开腔内的折射率发生变化时，马赫-曾德尔干涉仪和法布里-珀罗干涉仪的干涉光谱将发生偏移，从而可以实现对盐度和温度的监测。将封装后的结构放入到恒温箱上，通过向π型管注入不同盐度的海水，从而实现盐度的测量，通过改变恒温箱的温度，实现温度的测量；同时监测两个光谱仪上的反射光谱和透射光谱，构建其敏感矩阵实现双参数的同时测量。
15、采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
16、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，本发明通过刻写波导，实现mzi的构建，通过构建半开腔，保证了mz干涉结构中传感光束和被测物质的直接接触，实现了被测物质的高灵敏度测量。
17、本发明将fp和mz干涉结构集成在一起，同时获得双光谱信息，实现温度和盐度的双参数测量。利用fp干涉仪和mz干涉仪对温度和盐度都敏感的特性，获取包含温度和盐度变化信息的双光谱，通过波长解调的方式获得其不同敏感特性，通过构建敏感矩阵，实现温度和盐度的同时测量。
1.一种基于飞秒激光刻写的温度和盐度光纤传感器，其特征在于，包括：输入单模光纤，空芯光纤、输出单模光纤、波导；
2.根据权利要求1所述的一种基于飞秒激光刻写的温度和盐度光纤传感器，其特征在于，所述空芯光纤中心设置有矩形半开腔，所述矩形半开腔是利用飞秒激光微加工技术制备的，将空芯光纤的一半打通，保证了空芯光纤空气孔和外界的连通。
3.根据权利要求1所述的一种基于飞秒激光刻写的温度和盐度光纤传感器，其特征在于，所述单模光纤和空芯光纤的包层直写波导作为mzi的参考臂，半开腔路径作为mzi的传感臂，空芯光纤和两侧单模光纤的两个熔接界面作为fpi的两个反射端面，形成马赫-曾德尔干涉仪mzi和法布里-珀罗干涉仪fpi。
4.一种基于飞秒激光刻写的温度和盐度光纤传感器的使用方法，基于权利要求1所述的一种基于飞秒激光刻写的温度和盐度光纤传感器实现，其特征在于，包括以下步骤：