CN113916839B - 基于双导模共振效应的海水温盐传感器、测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双导模共振效应的海水温盐传感器、测量系统及方法，属于海洋探测技术领域。海水温盐传感器包括单模光纤和位于单模光纤端面的纳米棱柱阵列，单模光纤包括纤芯和包覆于纤芯外的包层；阵列中的纳米棱柱由低折射率介质材料形成的内部纳米棱柱和沉积在其外侧的高折射率介质材料层组成，高折射率介质材料层覆盖整个单模光纤端面，纳米棱柱横截面上相邻的两条边长不相等；测量系统包括宽带光源、偏振控制器、光纤耦合器和海水温盐传感器，光纤耦合器和海水温盐传感器之间通过传输光纤连接，光纤耦合器通过光谱仪连接计算机。本发明所公开的海水温盐传感器、测量系统及方法，可以同时测量海水盐度和温度，光谱线宽窄，测量灵敏度高。

Description

基于双导模共振效应的海水温盐传感器、测量系统及方法

技术领域

本发明涉及海洋探测技术领域，特别涉及一种基于双导模共振效应的海水温盐传感器、测量系统及方法。

背景技术

随着海洋研究事业的蓬勃发展，海水盐度作为水文研究中重要的参数之一，它的测量越来越重要，并且其精度要求也越来越高。海水的盐度主要由海水的折射率决定，这就为微纳光学传感器实现海水盐度的测量提供了可能。然而，介质的折射率随温度的不同而发生变化，这主要是因为温度的变化会引起介质的热光效应，从而导致介质折射率的变化，所以只有在一定温度下测得的折射率才有意义。因此在实际测量介质折射率的时候必须考虑到温度因素的串扰，有效的解决这种串扰的方式是将折射率和温度同时测量出来。

有研究者提出了一种用于海水盐度和温度同时测量的低探测极限内腔传感器，泵浦源发出的光通过波分复用器的一个输入端到达掺饵光纤，所述掺饵光纤与偏振控制器相连，被调制的光经过环形器到达传感头，环形器与耦合器相连，所述耦合器的两个输出端分别连接光谱分析仪和波分复用器的另一个输入端，形成环形腔结构。这个系统的缺点是系统复杂，且不适合远距离测量。另外，也有用于海水盐度和温度同时测量的反射式光纤传感器，该传感器由卤素灯光源、Y型光纤、传感单元、光谱仪和上位机组成。该系统结构简单，但是缺点是反射光谱线宽较大，影响了光谱解耦精度。

随着微纳制造技术的进步，基于金属纳米结构的等离子体共振传感器以其结构紧凑、集成度高、灵敏度高、实时测量等优点在传感领域中表现出了巨大的潜力。然而，金属纳米结构由于存在不可避免的本征能量损耗，极大影响了金属等离子体传感器的工作效率。此外，金属在高温下容易氧化和腐蚀，这限制了在恶劣环境中的应用。近年来，随着对全介质纳米结构研究的深入，米氏谐振结构因其低导电性、低损耗、高共振Q值等优点，且其能同时激发电和磁共振，使得光谱调控的形式更加多样化，因此米氏谐振器已经在折射率检测领域表现出了更加优越的传感性能，对周围环境折射率的变化极为敏感。因此，全介质纳米结构成为传感领域的有力候选者。有人提出了一种基于介质超表面的双参数检测系统，通过激发介质超表面支持的电谐振和磁谐振来实现对两种外界参量的同时测量。该系统虽然可以实现双参量测量，但是由于其采用电谐振和磁谐振，导致光谱线宽较大，影响光谱解耦精度，且该系统只能用于实验室测量，不能实现远距离测量。综上，海水盐度和温度同时测量传感器目前仍然存在系统复杂，不能远距离测量，以及光谱线宽大等问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于双导模共振效应的海水温盐传感器、测量系统及方法，以达到同时测量海水盐度和温度，光谱线宽窄，测量灵敏度高的目的。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于双导模共振效应的海水温盐传感器，包括单模光纤和位于单模光纤端面的纳米棱柱阵列，所述单模光纤包括纤芯和包覆于纤芯外的包层；所述阵列中的纳米棱柱由低折射率介质材料形成的内部纳米棱柱和沉积在其外侧的高折射率介质材料层组成，所述高折射率介质材料层覆盖整个单模光纤端面，所述纳米棱柱横截面上相邻的两条边长不相等。

上述方案中，所述低折射率介质材料为二氧化硅，高折射率介质材料为氮化硅、二氧化铪、五氧化二钽。

上述方案中，所述纳米棱柱阵列的周期Λ满足Λ>0.5um，高折射率介质材料层的厚度为d，且满足20 nm<d<300nm；纳米棱柱的高度h满足50nm<h<2um。

上述方案中，所述纳米棱柱为四棱柱，低折射率介质材料形成的内部纳米棱柱的边长分别为m和n，边长m、n与纳米棱柱阵列的周期Λ的比值满足1/5<m/Λ<4/5和1/5<n/Λ<4/5，且m≠n。

一种基于双导模共振效应的海水温盐测量系统，包括依次设置的宽带光源、偏振控制器、光纤耦合器和上述的海水温盐传感器，所述光纤耦合器和海水温盐传感器之间通过传输光纤连接，所述光纤耦合器通过光谱仪连接计算机。

一种基于双导模共振效应的海水温盐测量方法，采用上述的海水温盐测量系统，包括如下步骤：

（1）将海水温盐传感器置于待测海水中，并通过传输光纤与光纤耦合器连接；

（2）测量前，调节偏振控制器，使得宽带光源发出的入射光的偏振方向与纳米棱柱任一底边呈一定角度φ，且0°<φ<90°；

（3）开始测量，宽带光源发出的入射光经偏振控制器、光纤耦合器和传输光纤进入到海水温盐传感器内部，并照射到纳米棱柱背面时，激发沿纳米棱柱两相邻边长方向的两个导模共振模式，然后反射光经传输光纤和光纤耦合器后进入光谱仪，从计算机上得到在反射光谱中两个不同波长位置的反射峰；

（4）当海水盐度和/或温度变化时，沿纳米棱柱两相邻边长方向的两个导模共振模式所对应的两个反射峰发生移动；通过构造灵敏度矩阵，计算两个反射峰波长移动的位置，从而实现对海水盐度和温度的同时测量。

进一步的技术方案中，步骤（4）的方法具体为：

在海水温盐传感器标定阶段，首先控制温度不变，只改变周围介质折射率，记录两 个反射峰波长移动量

和

，与周围介质折射率变化量Δn相比，计算Δλ₁ /Δn和Δλ₂ /Δn，得到两个导模共振模式所对应的折射率灵敏度S _n,1和S _n,2；

然后保持周围介质折射率不变，只改变温度，记录两个反射峰波长移动量

和

， 与温度变化量ΔT相比，计算

/ΔT和

/ΔT，得到两个导模共振模式所对应的温度灵敏 度S _T,1和S _T,2；然后将折射率和温度的灵敏度构造成灵敏度矩阵

；

在进行实际测量时，首先根据反射光谱得到两个导模共振模式相应的波长移动量

和

，结合灵敏度矩阵，即可同时获得周围介质折射率变化量

和温度变化量

，进而 得到海水盐度和温度：

。

通过上述技术方案，本发明提供的一种基于双导模共振效应的海水温盐传感器、测量系统及方法具有如下有益效果：

1、本发明提供的海水温盐传感器，继承了传统光纤传感器所具有的本征绝缘、低损耗、抗电磁干扰、耐高温高压、耐腐蚀等优点。

2、本发明提供的海水温盐传感器在低折射率介质材料形成的内部纳米棱柱外采用高折射率介质材料，具有全介质纳米结构共振光谱窄、损耗低、高共振Q值等优点。

3、本发明提供的海水温盐传感器，光纤端面制备由低折射率介质材料和高折射率介质材料形成的纳米棱柱，在测量时，当入射光偏振方向与纳米棱柱任一底边呈一定角度φ时，能够激发沿纳米棱柱两相邻边长方向的两个导模共振模式；两种导模共振模式所对应的共振电场均局域在结构上方高折射率介质层中，与只有高折射介质纳米结构相比，电场更加容易渗透到待测物中，两个共振模式所对应的反射光谱都呈现出极窄的线宽，有利于传感器性能的提升，而且两个共振模式可实现温度和折射率双参量同步测量。

4、本发明提供的海水温盐传感器，将全介质纳米结构与光纤技术相结合，兼容半导体工艺，可大规模生产，且易于集成封装，可以在远距离深海实现温度折射率双参量同步测量。

5、本发明提供的海水温盐传感器，其工作波长不受限制，可以根据实际需要，选择合适材料和几何参数。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明实施例所公开的一种基于双导模共振效应的海水温盐传感器结构示意图；

图2为本发明实施例所公开的纳米棱柱结构示意图，（a）为平面图；（b）为立体图；（c）为剖面图；

图3为本发明实施例所公开的一种基于双导模共振效应的海水温盐测量系统示意图；

图4为入射光偏振方向与纳米圆棱柱边长的关系示意图；

图5为本发明实施例的传感器，在入射光的偏振方向与纳米棱柱任一底边呈一定角度φ时的反射光谱图；

图6为本发明实施例的传感器，在入射光的偏振方向与纳米棱柱任一底边平行时的反射光谱图；

图7为对比例的传感器，在入射光的偏振方向与纳米棱柱底边呈一定角度φ时的反射光谱图；

图8为对比例的传感器，在入射光的偏振方向与纳米圆柱直径呈一定角度φ时的反射光谱图；

图9为本发明实施例的传感器在沿纳米棱柱两相邻边长方向的双导模共振模式激发时的电场分布，（a）是长度为m的边长在中心位置处的电场分布,（b）是长度为n的边长在中心位置处的电场分布；

图10为本发明实施例的传感器在不同折射率海水环境下的反射光谱图；

图11为本发明实施例的传感器在不同温度海水环境下的反射光谱图。

图中，1、宽带光源；2、偏振控制器；3、光纤耦合器；4、传输光纤；5、海水温盐传感器；6、光谱仪；7、计算机；8、纤芯；9、包层；10、纳米棱柱；11、低折射率介质材料；12、高折射率介质材料；13、入射光。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明提供了一种基于双导模共振效应的海水温盐传感器，如图1所示，包括单模光纤和位于单模光纤端面的纳米棱柱10阵列。单模光纤包括纤芯8和包覆于纤芯8外的包层9。纳米棱柱10可以为任意相邻边长不相等的多棱柱，本发明实施例中的纳米棱柱10为四棱柱。

如图2和图3所示，阵列中的纳米棱柱10在单模光纤端面呈周期性分布，每个纳米棱柱10由低折射率介质材料形成的内部纳米棱柱和沉积在其外侧的高折射率介质材料层组成；高折射率介质材料层覆盖整个单模光纤端面，低折射率介质材料具体为二氧化硅，高折射率介质材料具体可为氮化硅、二氧化铪、五氧化二钽。该纳米棱柱阵列的制作方法为：首先在单模光纤端面沉积所需厚度的低折射率介质材料，然后旋涂一定厚度的光刻胶，通过电子束曝光和离子束刻蚀工艺制得内部纳米棱柱阵列，然后在整个光纤端面沉积一定厚度的高折射率介质材料。这样的结构可以使该传感器具有更高的折射率和温度灵敏度。

基于衍射光学理论，当纳米结构中光栅层的平均介电常数大于上方覆盖层和下方基底层的介电常数时，可以形成波导结构。当由周期性纳米结构所产生的某一衍射波与波导所支持的某一泄漏模相位匹配时，就产生了导模共振，在共振波长处，会出现尖锐的反射峰。

以本发明的纳米棱柱阵列为例，纳米棱柱结构由相邻边长不相等的低折射率介质材料形成的内部纳米棱柱和沉积在其外侧的高折射率介质材料层组成，此时若调节入射光13偏振方向与纳米棱柱任一底边呈一定角度φ时（图4所示），会导致沿纳米棱柱两相邻边长方向的两个导模共振模式的出现。两个导模共振模式所对应的反射光谱都对折射率和温度的响应不同，结合灵敏度矩阵，就可以实现对折射率和温度的同时测量。

图2中（a）为纳米棱柱结构平面图，（b）为纳米棱柱结构立体图，（c）为纳米棱柱结构剖面图，纳米棱柱阵列的周期Λ满足Λ>0.5um，内部纳米棱柱边长分别为m和n，边长m、n与周期Λ的比值满足1/5<m/Λ<4/5和1/5<n/Λ<4/5，且m≠n；高折射率介质材料层厚度为d，满足20 nm<d<300nm；纳米棱柱的高度h满足50nm<h<2um。由于底部和顶部都沉积高折射率介质材料，因此，内部纳米棱柱的高度和整体的纳米棱柱高度相同。这样的参数设定可以纳米棱柱10支持沿纳米棱柱两相邻边长方向的两个导模共振模式，且工作波长可以在可见至近红外波段调节。

如图3所示，一种基于双导模共振效应的海水温盐测量系统，包括依次设置的宽带光源1、偏振控制器2、光纤耦合器3和上述的海水温盐传感器5，光纤耦合器3和海水温盐传感器5之间通过传输光纤4连接，光纤耦合器3通过光谱仪6连接计算机7。

一种基于双导模共振效应的海水温盐测量方法，采用上述的海水温盐测量系统，包括如下步骤：

（1）将海水温盐传感器5置于待测海水中，并通过传输光纤4与光纤耦合器3连接；

（2）测量前，调节偏振控制器2，使得宽带光源1发出的入射光13的偏振方向与纳米棱柱任一底边呈一定角度φ，且0°<φ<90°，如图4所示；

（3）开始测量，宽带光源1发出的入射光13经偏振控制器2、光纤耦合器3和传输光纤4进入到海水温盐传感器5内部，并照射到纳米棱柱10背面时，激发沿纳米棱柱10两相邻边长方向的两个导模共振模式，然后反射光经传输光纤4和光纤耦合器3后进入光谱仪6，从计算机7上得到在反射光谱中两个不同波长位置的反射峰；

（4）当海水盐度和/或温度变化时，沿纳米棱柱10两相邻边长方向的两个导模共振模式所对应的两个反射峰发生移动；通过构造灵敏度矩阵，计算两个反射峰波长移动的位置，从而实现对海水盐度和温度的同时测量；具体为：

在海水温盐传感器5标定阶段，首先控制温度不变，只改变周围介质折射率，记录 两个反射峰波长移动量

和

，与周围介质折射率变化量Δn相比，计算Δλ₁ /Δn和Δλ₂ / Δn，得到两个导模共振模式所对应的折射率灵敏度S _n,1和S _n,2；

然后保持周围介质折射率不变，只改变温度，记录两个反射峰波长移动量

和

， 与温度变化量ΔT相比，计算

/ΔT和

/ΔT，得到两个导模共振模式所对应的温度灵敏 度S _T,1和S _T,2；然后将折射率和温度的灵敏度构造成灵敏度矩阵

；

在进行实际测量时，首先根据反射光谱得到两个导模共振模式相应的波长移动量

和

，结合灵敏度矩阵，即可同时获得周围介质折射率变化量

和温度变化量

，进而 得到海水盐度和温度：

。

本实施例中，采用普通单模光纤制备海水温盐传感器5，纤芯8主要采用高纯度的二氧化硅，并掺有少量的掺杂剂，提高纤芯8的光折射率n₁；包层9也是高纯度的二氧化硅，也掺有一些的掺杂剂，以降低包层9的光折射率n₂，且n₁＞n₂，可发生全反射。在光纤端面沉积所需厚度的低折射率介质材料二氧化硅，然后旋涂一定厚度的光刻胶，通过电子束曝光和离子束刻蚀工艺制得低折射率内部纳米棱柱阵列，然后在低折射率内部纳米棱柱外侧沉积一定厚度的高折射率介质材料，从而制得上述纳米棱柱阵列。纳米棱柱阵列的参数如下：周期Λ为1um，纳米棱柱边长m、n与周期Λ的比值为m/Λ=2/5，n/Λ=1/2，低折射率纳米棱柱外侧沉积的高折射率介质层厚度d为100nm，纳米棱柱高度h为800nm。

利用上述制得的海水温盐传感器搭建基于双导模共振效应的海水温盐测量系统，调节偏振控制器2，使得宽带光源1发出的入射光13的偏振方向与纳米棱柱底边呈一定角度φ为45°，获得的反射光谱如图5所示，由图5可以看出，当入射光的偏振方向与纳米棱柱底边呈一定角度φ为45°时，在反射光谱中会出现两个不同波长位置的反射峰Ⅰ和反射峰Ⅱ，分别对应沿纳米棱柱两相邻边长方向的两个导模共振模式。

调节偏振控制器2，使得宽带光源1发出的入射光13的偏振方向与纳米棱柱其中一条底边呈一定角度φ为0，获得的反射光谱如图6所示，由图6可以看出，当入射光的偏振方向与纳米棱柱其中一条底边平行时，在反射光谱中仅出现一个反射峰，此时入射光只在平行于偏振方向的边上起作用，因此，只有与入射光偏振方向平行的纳米棱柱支持的导模共振模式被激发。

本发明还设置了对比例，与实施例的区别在于，纳米棱柱阵列为边长相等的棱柱组成，参数如下：周期Λ为1um， 纳米棱柱边长m与周期Λ的比值为m/Λ=2/5，低折射率介质材料形成的内部纳米棱柱外侧沉积的高折射率介质层厚度d为100nm，纳米棱柱高度h为800nm。利用上述制得的海水温盐传感器搭建基于双导模共振效应的海水温盐测量系统，调节偏振控制器2，使得宽带光源1发出的入射光13的偏振方向与纳米棱柱底边呈一定角度φ为45°时，获得的反射光谱如图7所示，由图7可以看出，当纳米棱柱相邻边长相同时，反射光谱只出现一个反射峰，此时由于边长相等，两个反射峰的位置重合，相当于只有一个导模共振模式被激发。

本发明还设置了对比例，与实施例的区别在于，纳米阵列为纳米圆柱组成，参数如下：周期Λ为1um，纳米圆柱直径与周期Λ的比值为2/5，低折射率介质材料形成的内部纳米圆柱外侧沉积的高折射率介质材料层厚度d为100nm，纳米圆柱高度h为800nm。利用上述制得的海水温盐传感器搭建基于双导模共振效应的海水温盐测量系统，调节偏振控制器2，使得宽带光源1发出的入射光13的偏振方向与纳米棱柱底边呈一定角度φ为45°时，获得的反射光谱如图8所示，由图8可以看出，当纳米阵列为纳米圆柱阵列时，反射光谱只出现一个反射峰，此时相当于边长相等的情况，两个反射峰的位置重合，相当于只有一个导模共振模式被激发。

用有限元分析软件对本发明实施例的海水温盐传感器进行仿真，得到沿纳米棱柱两相邻边长方向的两个导模共振模式激发时，电场分布如图9所示，图9中（a）是长度为m的边长在中心位置处的电场分布，（b）是长度为n的边长在中心位置处的电场分布，由图可以看出，两种导模共振模式所对应的共振电场均局域在结构上方高折射率介质层中，这种电场分布使得电场更加容易渗透到待测物中，有利于传感器性能的提升。

将本发明实施例的海水温盐传感器置于不同折射率的海水环境下，测得的反射光谱如图10所示，由图10可以看出，当待测海水折射率从1.33增大到1.34时，两个反射峰均发生明显的红移，由此得到共振I和共振II对应的折射率灵敏度分别为280nm/RIU和310nm/RIU。

将本发明实施例的海水温盐传感器置于不同温度的海水环境下，测得的反射光谱如图11所示，由图11可以看出，当温度从20℃升高到30℃时，两个反射峰均发生明显的蓝移，由此得到共振I和共振II对应的温度灵敏度分别为21 pm/℃和24 pm/℃。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种基于双导模共振效应的海水温盐传感器，其特征在于，包括单模光纤和位于单模光纤端面的纳米棱柱阵列，所述单模光纤包括纤芯和包覆于纤芯外的包层；所述阵列中的纳米棱柱由低折射率介质材料形成的内部纳米棱柱和沉积在其外侧的高折射率介质材料层组成，所述高折射率介质材料层覆盖整个单模光纤端面，所述纳米棱柱横截面上相邻的两条边长不相等。

2.根据权利要求1所述的一种基于双导模共振效应的海水温盐传感器，其特征在于，所述低折射率介质材料为二氧化硅，高折射率介质材料为氮化硅、二氧化铪、五氧化二钽。

3.根据权利要求1所述的一种基于双导模共振效应的海水温盐传感器，其特征在于，所述纳米棱柱阵列的周期Λ满足Λ>0.5um，高折射率介质材料层的厚度为d，且满足20 nm<d<300nm；纳米棱柱的高度h满足50nm<h<2um。

4.根据权利要求1所述的一种基于双导模共振效应的海水温盐传感器，其特征在于，所述纳米棱柱为四棱柱，低折射率介质材料形成的内部纳米棱柱的边长分别为m和n，边长m、n与纳米棱柱阵列的周期Λ的比值满足1/5<m/Λ<4/5和1/5<n/Λ<4/5，且m≠n。

5.一种基于双导模共振效应的海水温盐测量系统，其特征在于，包括依次设置的宽带光源、偏振控制器、光纤耦合器和权利要求1-4任一项所述的海水温盐传感器，所述光纤耦合器和海水温盐传感器之间通过传输光纤连接，所述光纤耦合器通过光谱仪连接计算机。

6.一种基于双导模共振效应的海水温盐测量方法，其特征在于，采用如权利要求5所述的海水温盐测量系统，其特征在于，包括如下步骤：

（1）将海水温盐传感器置于待测海水中，并通过传输光纤与光纤耦合器连接；

（2）测量前，调节偏振控制器，使得宽带光源发出的入射光的偏振方向与纳米棱柱任一底边呈一定角度φ，且0°<φ<90°；

（3）开始测量，宽带光源发出的入射光经偏振控制器、光纤耦合器和传输光纤进入到海水温盐传感器内部，并照射到纳米棱柱背面时，激发沿纳米棱柱两相邻边长方向的两个导模共振模式，然后反射光经传输光纤和光纤耦合器后进入光谱仪，从计算机上得到在反射光谱中两个不同波长位置的反射峰；

（4）当海水盐度和/或温度变化时，沿纳米棱柱两相邻边长方向的两个导模共振模式所对应的两个反射峰发生移动；通过构造灵敏度矩阵，计算两个反射峰波长移动的位置，从而实现对海水盐度和温度的同时测量。

7.根据权利要求6所述的一种基于双导模共振效应的海水温盐测量方法，其特征在于，步骤（4）的方法具体为：

在海水温盐传感器标定阶段，首先控制温度不变，只改变周围介质折射率，记录两个反 射峰波长移动量

和

，与周围介质折射率变化量Δn相比，计算Δλ₁ /Δn和Δλ₂ /Δn，得 到两个导模共振模式所对应的折射率灵敏度S _n,1和S _n,2；

然后保持周围介质折射率不变，只改变温度，记录两个反射峰波长移动量

和

，与温 度变化量ΔT相比，计算

/ΔT和

/ΔT，得到两个导模共振模式所对应的温度灵敏度S _T,1 和S _T,2；然后将折射率和温度的灵敏度构造成灵敏度矩阵

；

在进行实际测量时，首先根据反射光谱得到两个导模共振模式相应的波长移动量

和

，结合灵敏度矩阵，即可同时获得周围介质折射率变化量

和温度变化量

，进而得到 海水盐度和温度：

。

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