一种光纤激光海水盐度传感系统

本发明属于光纤盐度传感领域，特别涉及一种基于光纤长程开放腔的光纤激光海水盐度传感系统。

背景技术：

1、海水盐度是计算海水热力学特性如密度、声速和冰点的基础参数之一，因此海水盐度的精确测量对于海洋水文运动和气候研究、海洋环境检测和海洋探测等科学活动具有重要意义。目前海洋工作者主要使用电导率法测量海水盐度，电导率盐度传感器也是目前应用最广泛的盐度传感器，例如美国seabird公司、意大利idronaut公司、德国sea-sun-tech公司、日本alec公司和我国的国家海洋技术中心等均研发了电导率盐度传感器。但在面对海洋恶劣环境下的长期工作的需要，由于光纤传感器具备灵敏度高、很好的耐恶劣环境等特点，是海水盐度传感技术发展方向之一。包括光纤光栅、光纤表面等离子体共振结构、光纤干涉仪和微纳光纤结构被应用于海洋盐度传感研究，如2017年yang等人利用涂覆电解质多层膜的光纤光栅实现盐度的测量(marine salinity sensing using long-period fiber gratings enabled by stimuli-responsive polyelectrolytemultilayers[j].sensors and actuators b:chemical,2017,253:745-751)；2019年kumari等人使用涂覆性吸湿性聚合物的光纤光栅实现盐度的测量(development ofahighly accurate and fast responsive salinity sensor based on nuttall apodizedfiber bragg grating coated with hygroscopic polymer for ocean observation[j].optical fiber technology,2019,53:102036)；2019年zhao等人采用多模光纤、光子晶体光纤和单模光纤级联结构设计了一种基于表面等离子体效应的温盐深传感探头(simultaneous measurement ofsalinity,temperature and pressure in seawaterusing optical fiber spr sensor[j].measurement,2019,148:106792)；2020年，lin等人提出了一种利用无芯光纤构建马赫增德干涉仪结构光纤盐度传感器，使用无芯光纤降低参考臂有效折射率来提升传感器灵敏度，具有四个熔接点和错位熔接结构(high-sensitivity salinity measurement sensor based on no-core fiber.sensors andactuators a:physical,2020,305:111947)；2019年国防科技大学cao等人提出一种基于微纳光纤耦合器结构的盐度传感器(high sensitivity conductivity-temperature-depthsensing based on an optical microfiber coupler combined fiber loop.chineseoptics letters,2020,18(1):011202)。但是目前光纤盐度传感器设计的结构往往较复杂或者机械稳定性不好，制作一致性和可靠性难以保证。此外，由于采用宽带光源结合光谱探测方式，信噪比低，使得盐度分辨能力低或者测量范围小。因此需要开发新型光纤盐度传感系统实现高盐度分辨率的探测。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提出的一种光纤激光海水盐度传感系统，利用光纤马赫-曾德尔开放腔结构和有源环形谐振腔相结合的结构设计，实现了光纤高分辨率盐度传感。

2、本发明利用以下技术方案实现：

3、一种光纤激光海水盐度传感系统，包括环形谐振腔9，所述环形谐振腔9由通过单模光纤连接的980nm泵浦光源1、980/1550nm波分复用器2、偏振控制器3、掺铒光纤4、光纤马赫-曾德尔开放腔5、5:95单模1×2耦合器6、光隔离器7及光谱分析仪8构成；包括：

4、所述980/1550nm波分复用器2进一步包括输入端口a、输入端口b和输出端口c；输入端口a与980nm泵浦光源1连接；输入端口b与光隔离器7连接，输出端口c与偏振控制器3连接，所述偏振控制器3连接掺铒光纤4；5:95单模1×2耦合器6的三个端口分别为输入端口d，5％输出端口e和95％输出端口f；输入端口d与光纤马赫-曾德尔开放腔5连接；5％输出端口e与光谱分析仪8连接；95％输出端口与光隔离器7连接，所述光隔离器7与波分复用器2的输入端口b连接，构成闭合环路；所述光纤马赫-曾德尔开放腔5进一步包括第一阶单模光纤51、错位熔接的第二阶单模光纤52和第三阶单模光纤53；

5、所述980nm泵浦光源1发射泵浦光，泵浦光通过980/1550nm波分复用器2进入环形谐振腔9中，经过偏振控制器3调节偏振态后激发掺铒光纤4产生放大的自发辐射光到达光纤马赫-曾德尔开放腔5，经光纤马赫-曾德尔开放腔5利用双光束干涉模型进行空间滤波，在所述光纤马赫-曾德尔开放腔5中入射光通过第一阶单模光纤51在第一个横向错位熔接点处被分为两路输出，一路光进入横向错位的第二阶单模光纤52的包层中，另一路光进入由待测介质填充的光纤马赫-曾德尔开放腔5中，两路光在第二个横向错位熔接点处被重新耦合进入第三阶单模光纤53形成干涉，获得增益带宽内所形成的稳定的激光振荡；一部分振荡激光经过5:95单模1×2耦合器6的5％输出端输出至光谱分析仪8，由光谱分析仪8实现光谱测量，得到环形谐振腔9激发出的单波长激光的中心波长；另一部分振荡激光经光隔离器7沿单向传输至980/1550nm波分复用器2，振荡激光与待测介质直接作用引起谐振，产生振荡激光的中心波长漂移，获得待测介质盐度的波长可调的谐振激光，通过测量环形谐振腔9输出的谐振激光中心波长解调出光纤马赫-曾德尔开放腔5内待测介质的海水盐度。

6、进一步的，所述第二阶单模光纤52为错位熔接横向偏移量62.5μm的一段1000μm单模光纤。

7、进一步的，所述第三阶单模光纤53为错位熔接横向偏移量62.5μm的单模光纤。

8、进一步的，所述第二阶单模光纤52和第三阶单模光纤53的横向错位设计满足所述第二阶单模光纤52和第三阶单模光纤53输出的干涉峰呈周期性明暗相间排列，干涉峰的对比度>10db，干涉峰的损耗控制在25～30db之间。

9、与传统光纤盐度传感器及其制做方法相比，本发明的有益效果及显著进步在于：

10、1)整体装置加工成本低廉，易于标准化和批量生产；

11、2)大幅提高盐度测量灵敏度；

12、3)适用于单点的精确测量。

技术特征：

1.一种光纤激光海水盐度传感系统，其特征在于，包括环形谐振腔(9)，所述环形谐振腔(9)由通过单模光纤连接的980nm泵浦光源(1)、980/1550nm波分复用器(2)、偏振控制器(3)、掺铒光纤(4)、光纤马赫-曾德尔开放腔(5)、5:95单模1×2耦合器(6)、光隔离器(7)及光谱分析仪(8)构成；包括：

2.根据权利要求1所述的一种光纤激光海水盐度传感系统，其特征在于，所述第二阶单模光纤(52)为错位熔接横向偏移量62.5μm的一段1000μm单模光纤。

3.根据权利要求1所述的一种光纤海水激光海水盐度传感系统，其特征在于，所述第三阶单模光纤(53)为错位熔接横向偏移量62.5μm的单模光纤。

4.根据权利要求1所述的一种光纤激光海水盐度传感系统，其特征在于，所述第二阶单模光纤(52)和第三阶单模光纤(53)的横向错位设计满足所述第二阶单模光纤(52)和第三阶单模光纤(53)输出的干涉峰呈周期性明暗相间排列，干涉峰的对比度>10db，干涉峰的损耗控制在25～30db之间。

5.根据权利要求1所述的一种光纤激光海水盐度传感系统，其特征在于，所述光纤马赫-曾德尔开放腔(5)的传感部分长度为1000μm。

技术总结
本发明公开了一种光纤激光海水盐度传感系统，包括980nm泵浦光源(1)和环形谐振腔(9)，环形谐振腔(9)由通过单模光纤连接的980/1550nm波分复用器(2)、偏振控制器(3)、掺铒光纤(4)、光纤马赫‑曾德尔开放腔(5)、5:95单模1×2耦合器(6)、光隔离器(7)及光谱分析仪(8)构成；基于光纤马赫‑曾德尔开放腔获得增益带宽内所形成的稳定的激光振荡，输出谐振激光的中心波长漂移，获得待测介质盐度依赖的波长可调谐激光输出，通过测量环形谐振腔输出的谐振激光中心波长解调出光纤马赫‑曾德尔开放腔(5)内待测介质的盐度。本发明能够大幅提高盐度测量灵敏度的同时加工成本低廉。

技术研发人员：江俊峰,于强,刘铁根,刘琨,王双,刘译泽
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15