CN112284567B - 测量海水温盐的级联孤子自频移全光纤传感系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测量海水温盐的级联孤子自频移全光纤传感系统及方法，其特征在于，所述系统包括：光纤激光器，光纤传感器，光谱仪，上位机；其中，光纤激光器与光纤传感器相连，光纤传感器与光谱仪相连，光谱仪与上位机相连；采用该系统的测量方法包括以下步骤：(1)光纤激光器发射的激光脉冲，直接耦合进空气孔中填充有海水的碲酸盐光子晶体光纤传感器，产生级联双孤子；(2)该级联双孤子经过碲酸盐光子晶体光纤传感器的另一端传输至光谱仪；(3)光谱仪在上位机显示图谱的变化。本发明提出的光纤传感系统及方法，结构简单、制作成本低、全光纤化，是实现海水温度与盐度检测的有效手段。
Description
技术领域
本发明属于光学设计技术领域，具体涉及一种测量海水温盐的级联孤子自频移全光纤传感系统及方法。
背景技术
光脉冲在光纤中传输时，同时受到色散和非线性Kerr效应的影响，在两种不同效应作用下，脉冲均会发生展宽。在光纤的反常色散区，群速度色散和自相位调制相互作用可以实现平衡，由此在传输中形成无形变的光脉冲，这种光脉冲被称为光孤子，被广泛应用于光纤通信、可调谐激光器等领域。当入射的光脉冲的功率、初始脉宽、光纤的非线性系数、色散满足一定的关系时，便可在光纤的反常色散区产生高阶孤子。当光脉冲以高阶孤子的形式在光纤的反常色散区传输时，在脉冲内拉曼散射的作用下，高阶孤子发生分裂，分裂成多个基阶孤子。每个基阶孤子具有不同的脉宽和峰值功率，高阶孤子分裂在孤子自频移产生拉曼孤子的过程中起着重要的作用。光子晶体光纤(PCF)包层中含有周期排布的微空气孔，具有无截止单模传输特性、高度灵活可控的色散特性、高非线性效应、优异的双折射特性，为级联孤子的产生提供了很大的设计自由度，是产生级联孤子的天然载体。
海洋生态系统中温度与盐度是海洋状态中最基本的参数，探索实时性、高灵敏检测技术一直是国内外科学家致力研究的方向。据报道当温度与盐度发生变化时，海水的折射率均会发生改变，如何解决海水温度与盐度带来的交叉灵敏问题随之产生。将海水填入PCF微空气孔中，当海水温度与盐度发生变化而引起折射率变化时，光纤传感器色散特性随之变化，进而光纤反常色散区光孤子中心波长移动。
发明内容
针对上述的问题，本发明的目的是提供一种同时测量海水温度与盐度的级联孤子自频移全光纤传感系统及方法，应用在近红外与中红外波段，实现海水温度与盐度同时测量。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种测量海水温盐的级联孤子自频移全光纤传感系统，包括：光纤激光器，光纤传感器，光谱仪，上位机；其中，光纤激光器与光纤传感器相连，光纤传感器与光谱仪相连，光谱仪与上位机相连；
所述光纤传感器为空气孔中填充有海水的碲酸盐光子晶体光纤传感器，该传感器由纤芯和所述纤芯外面以所述纤芯为圆心的包层组成；所述包层内设置有四层空气孔，从内到外依次为第一层、第二层、第三层及第四层，四层空气孔以纤芯为中心呈正六边形分布，其中，第一层、第二层及第三层空气孔的孔径相等，第四层空气孔孔径大于第一层、第二层及第三层空气孔的孔径；
所述光纤传感器的纤芯直径范围为1.32um～1.48um；纤芯外的包层的厚度范围为38.52um～48.68um，其中第一层、第二层及第三层空气孔的孔径范围均为1.5um～1.9um，第四层空气孔的孔径范围为2um～2.5um；所述第四层空气孔的孔内壁镀有一层温度敏感材料，该温度敏感材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)，其厚度范围为0.5um～1um。
进一步的，所述光纤传感器的纤芯直径为1.4um；所述纤芯外的包层厚度为38.6um；其中第一层、第二层及第三层空气孔的孔径为1.7um，第四层空气孔的孔径为2um；所述第四层空气孔的孔内壁镀有的温度敏感材料聚二甲基硅氧烷(PDMS)的厚度为1um。
进一步的，所述光纤传感器的纤芯材料为一种碲酸盐玻璃，由摩尔比TeO2:Na2O:ZnO:PbO＝7:10:10:3制备而成，本发明中简称为TNZP(7TeO2-10Na2O-10ZnO-3PbO)；所述包层材料也是一种碲酸盐玻璃，由摩尔比AlF3:BaF2:CaF2:YF3:SrF2:MgF2:TeO2＝33:9:17:12:8:11:10制备而成，本发明中简称为ABCYSMT(33AlF3-9BaF2-17CaF2-12YF3-8SrF2-11MgF2-10TeO2)。
一种采用所述的测量海水温盐的级联孤子自频移全光纤传感系统的测量方法，包括以下步骤：
(1)光纤激光器发射中心波长1550nm，脉宽100fs，功率1KW的激光脉冲，直接耦合进空气孔中填充有海水的碲酸盐光子晶体光纤传感器，产生级联双孤子；
(2)该级联双孤子经过碲酸盐光子晶体光纤传感器的另一端传输至光谱仪；
(3)光谱仪在上位机显示图谱的变化；当海水温度发生变化时，海水与温度敏感材料聚二甲基硅氧烷(PDMS)的折射率随温度发生改变，使得传感器有效折射率发生改变，进而影响碲酸盐光子晶体光纤传感器色散特性，使得光孤子的中心波长发生移动；当海水盐度发生变化时，海水的折射率随盐度发生改变，使得碲酸盐光子晶体光纤传感器有效折射率发生改变，进而影响碲酸盐光子晶体光纤传感器色散特性，使得光孤子的中心波长发生移动。
上述采用所述的测量海水温盐的级联孤子自频移全光纤传感系统的测量方法，其中：
光纤激光器发射的激光脉冲，在空气孔中填充有海水的碲酸盐光子晶体光纤传感器中产生级联双孤子，利用双波长矩阵的方法，计算两个光孤子中心波长的移动量，反推出海水温度和盐度；双波长矩阵的方法具体为：当海水盐度保持不变而改变海水温度时，双孤子中心波长相对泵浦波长均会发生不同大小的移动；当海水温度保持不变而改变海水盐度时，双孤子中心波长相对泵浦波长均会发生不同大小的移动，碲酸盐光子晶体光纤传感器的双波长矩阵为：
其中，△λT与△λS分别为温度与盐度对应的光孤子中心波长的移动量；A、C为一阶孤子、二阶孤子当海水温度变化时的传感灵敏度，B、D为一阶孤子、二阶孤子当海水盐度变化时的传感灵敏度。碲酸盐光子晶体光纤传感器中一阶孤子中心波长在中红外波段，二阶孤子中心波长在近红外波段。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明提出的一种测量海水温盐的级联孤子自频移全光纤传感系统及方法，利用碲酸盐光子晶体光纤的高非线性特性产生级联孤子，并将其应用到光纤传感领域，相比于传统的石英光纤传感器，碲酸盐光子晶体光纤传感器具有高非线性特性，且传输带宽宽，波长范围覆盖近红外与中红外窗口，相比于可见光，其检测灵敏度高、稳定性强。
(2)本发明提出的一种测量海水温盐的级联孤子自频移全光纤传感系统及方法，结构简单、制作成本低、全光纤化，是实现海水温度与盐度检测的有效手段。
(3)本发明将碲酸盐光子晶体光纤中级联孤子自频移现象应用到海水温度和盐度同时测量当中，解决现有传感器中温度与盐度交叉敏感问题，其工作在近红外波段与中红外波段，制备工艺简单、成本低、全光纤化。
附图说明
图1(a)为本发明的碲酸盐光子晶体光纤传感器的纤芯及包层排列方式示意图。
图1(b)为本发明实施例的碲酸盐光子晶体光纤传感器色散曲线。
图1(c)为本发明实施例的碲酸盐光子晶体光纤传感器有效折射率曲线。
图2为本发明的测量海水温盐的级联孤子自频移全光纤传感系统的整体结构示意图。
图3为本发明实施例的碲酸盐光子晶体光纤传感器海水温度测量光谱曲线。
图4为本发明实施例的碲酸盐光子晶体光纤传感器海水盐度测量光谱曲线。
图5为本发明实施例的碲酸盐光子晶体光纤传感器海水温度测量灵敏度曲线。
图6为本发明实施例的碲酸盐光子晶体光纤传感器海水盐度测量灵敏度曲线。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合实施例与附图，对本发明的技术方案进行进一步说明。
一种测量海水温盐的级联孤子自频移全光纤传感系统包括：光纤激光器(8)，光纤传感器(9)，光谱仪(10)，上位机(11)；其中，光纤激光器与光纤传感器相连，光纤传感器与光谱仪相连，光谱仪与上位机相连；具体连接方式如图2所示；
所述光纤激光器(8)采用FLP100-1550光纤激光器；
所述光谱仪(10)采用YOKOGAWA AQ6375B光谱仪；
所述光纤传感器(9)为空气孔中填充有海水的碲酸盐光子晶体光纤传感器，所述光纤传感器(9)的纤芯(1)直径为1.4um，材料为一种碲酸盐玻璃，具体由摩尔比TeO2:Na2O:ZnO:PbO＝7:10:10:3制备而成，简称为TNZP(7TeO2-10Na2O-10ZnO-3PbO)；在所述纤芯外面以所述纤芯为圆心包有包层(2)，所述包层(2)厚度为38.6um，包层材料也是一种碲酸盐玻璃，具体由摩尔比AlF3:BaF2:CaF2:YF3:SrF2:MgF2:TeO2＝33:9:17:12:8:11:10制备而成，简称为ABCYSMT(33AlF3-9BaF2-17CaF2-12YF3-8SrF2-11MgF2-10TeO2)；在制备纤芯和包层中使用的上述原料纯度均≥99.99％；所述包层(2)内设置有四层空气孔，从内到外依次为第一层(3)，第二层(4)，第三层(5)，第四层(6)，四层空气孔以纤芯为中心呈正六边形分布，其中，第一层空气孔(3)，第二层空气孔(4)，第三层空气孔(5)的孔径均为1.7um，第四层空气孔(6)的孔径为2um；所述第四层空气孔(6)的孔内壁镀有温度敏感材料(7)，所述温度敏感材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)，其厚度为1um；碲酸盐光子晶体光纤长度为5cm；所述碲酸盐光子晶体光纤传感器的纤芯及包层排列方式如图1(a)所示。
一种采用所述的测量海水温盐的级联孤子自频移全光纤传感系统的测量方法，包括以下步骤：
(1)FLP100-1550光纤激光器(8)发射中心波长1550nm，脉宽100fs，功率1KW的激光脉冲，直接耦合进空气孔中填充有海水的碲酸盐光子晶体光纤传感器(9)，产生级联双孤子；
(2)该级联双孤子经过碲酸盐光子晶体光纤传感器(9)的另一端传输至YOKOGAWAAQ6375B光谱仪(10)；
(3)YOKOGAWA AQ6375B光谱仪(10)在上位机(11)显示图谱的变化；
当海水温度30℃，盐度35‰时，碲酸盐光子晶体光纤传感器的色散曲线与有效折射率曲线如图1(b)、图1(c)所示；当海水盐度保持35‰不变，海水温度变化范围为0℃～30℃时，双孤子中心波长发生不同大小的移动，如图3所示；当海水温度保持30℃不变，海水盐度变化范围为15‰～35‰时，双孤子中心波长会发生不同大小的移动，如图4所示。传感器的双波长矩阵为：
其中，△λT与△λS分别为温度与盐度对应的光孤子中心波长的移动量；A、C为一阶孤子、二阶孤子当温度变化时的传感测量灵敏度，B、D为一阶孤子、二阶孤子当盐度变化时的传感测量灵敏度，碲酸盐光子晶体光纤传感器的海水温度测量灵敏度和海水盐度测量灵敏度分别如图5和图6所示，此时传感器的双波长矩阵为：
碲酸盐光子晶体光纤传感器(9)中产生的一阶孤子中心波长范围在中红外波段，二阶孤子中心波长范围在近红外波段，通过观察一阶孤子、二阶孤子中心波长相对泵浦波长的移动量即可反推出海水温度和盐度大小。不仅可解决温度对海水盐度测量的交叉敏感问题，还可以实现海水盐度和温度同时检测，为海水温盐的高精度测量提供了可能。
Claims (3)
1.一种测量海水温盐的级联孤子自频移全光纤传感系统，其特征在于，包括：光纤激光器，光纤传感器，光谱仪，上位机；其中，光纤激光器与光纤传感器相连，光纤传感器与光谱仪相连，光谱仪与上位机相连；
所述光纤传感器为空气孔中填充有海水的碲酸盐光子晶体光纤传感器，该传感器由纤芯和所述纤芯外面以所述纤芯为圆心的包层组成；所述包层内设置有四层空气孔，从内到外依次为第一层、第二层、第三层及第四层，四层空气孔以纤芯为中心呈正六边形分布，其中，第一层、第二层及第三层空气孔的孔径相等，第四层空气孔孔径大于第一层、第二层及第三层空气孔的孔径；
所述光纤传感器的纤芯直径范围为1.32um～1.48um；纤芯外的包层的厚度范围为38.52um～48.68um，其中第一层、第二层及第三层空气孔的孔径范围均为1.5um～1.9um，第四层空气孔的孔径范围为2um～2.5um；所述第四层空气孔的孔内壁镀有一层温度敏感材料，该温度敏感材料为聚二甲基硅氧烷，其厚度范围为0.5um～1um；
所述光纤传感器的纤芯材料由摩尔比TeO2:Na2O:ZnO:PbO＝7:10:10:3制备而成；所述包层材料由摩尔比AlF3:BaF2:CaF2:YF3:SrF2:MgF2:TeO2＝33:9:17:12:8:11:10制备而成。
2.根据权利要求1所述的测量海水温盐的级联孤子自频移全光纤传感系统，其特征在于，所述光纤传感器的纤芯直径为1.4um；所述纤芯外的包层厚度为38.6um；其中第一层、第二层及第三层空气孔的孔径为1.7um，第四层空气孔的孔径为2um；所述第四层空气孔的孔内壁镀有的温度敏感材料聚二甲基硅氧烷的厚度为1um。
3.一种采用权利要求1所述的测量海水温盐的级联孤子自频移全光纤传感系统的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)光纤激光器发射中心波长1550nm，脉宽100fs，功率1KW的激光脉冲，直接耦合进空气孔中填充有海水的碲酸盐光子晶体光纤传感器，产生级联双孤子；
(2)该级联双孤子信号经过碲酸盐光子晶体光纤传感器的另一端传输至光谱仪；
(3)光谱仪在上位机显示图谱的变化；
产生的级联双孤子，利用双波长矩阵的方法，计算两个光孤子中心波长的移动量，反推出海水温度和盐度；双波长矩阵的方法具体为：当海水盐度保持不变而改变海水温度时，双孤子中心波长相对泵浦波长均会发生不同大小的移动；当海水温度保持不变而改变海水盐度时，双孤子中心波长相对泵浦波长均会发生不同大小的移动，碲酸盐光子晶体光纤传感器的双波长矩阵为：
其中，△λT与△λS分别为温度与盐度对应的光孤子中心波长的移动量；A、C为一阶孤子、二阶孤子当海水温度变化时的传感灵敏度，B、D为一阶孤子、二阶孤子当海水盐度变化时的传感灵敏度；其中，一阶孤子中心波长在中红外波段，二阶孤子中心波长在近红外波段。
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| CN110243574A (zh) * | 2019-05-31 | 2019-09-17 | 天津大学 | 基于孤子自频移的保偏光纤双折射系数的测量装置和方法 |
| CN110455346A (zh) * | 2019-09-11 | 2019-11-15 | 东北大学 | 一种用于测量海水温盐深的光纤传感器 |
-
2020
- 2020-10-19 CN CN202011118522.3A patent/CN112284567B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (7)
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112284567A (zh) | 2021-01-29 |
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