基于玻璃微纳米光纤与微纳米压印聚合物光纤布拉格光栅复合结构的海水温盐度传感器研究

Temperature and salinity of seawater are important parameters in oceanographic observation. Presently, most methods for temperature and salinity measurement show disadvantages of high cost, low sensitivity, slow response, and hard to realize the accurate measuring of fine structure in ocean. In contrast, sensing technology based on micro-/nanofibers shows advantages of simple construction, high sensitivity and fast response. However, for temperature and salinity sensing in seawater, the existing methods used in refractive index sensing of liquid are not valid. In this project, we propose the composite structure based on silica micro-/nanofiber and nanoimprinted polymer (polyimide) micro-/nanofiber Bragg grating for seawater temperature and salinity sensing. By optimization of parameters of sensing system, higher sensitivity are obtained. Experimentally, photonics device including microfiber Bragg grating and microfiber coupler is assembled and sensings of temperature and salinity are demonstrated.The project presented here may afford a new method for ocean detection with high efficiency and perfect performance, which is helpful for researching ocean, protecting ocean, and developing ocean economy and may offer important references for applications of micro-/nanofibers in ocean detection.

海水溶液的温度、盐度是海洋观测中的两个重要基本参数。目前，对海水温盐度进行测量及传感的方法或灵敏度不高、或成本高昂、响应较慢，且难以实现海洋内部细微结构的高精度探测。基于微纳光纤的传感方法具有结构简单、灵敏度高、响应快等优点。然而对于海水温盐度测量，目前已有的液体折射率传感方案均不能直接适用。因此，结合海水温盐度测量特点，本项目提出基于玻璃微纳米光纤与微纳米压印聚合物（聚酰亚胺）光纤布拉格光栅复合结构的海水温盐度传感器研究方案，理论上通过优化探测系统参数以获得较高的探测灵敏度；实验上制备出包含光纤布拉格光栅和光纤耦合器的复合器件，并演示其在海水温盐度测量中的应用。本项目的完成将为海水温盐度传感提供一种高性能、高效率的光学新方法，对研究海洋科学、保护海洋生态、发展海洋经济等具有现实意义，也为微纳光纤在海洋探测领域的应用及其他实测环境的应用提供重要参考。

海水溶液的温度、盐度是海洋观测中的两个重要基本参数。目前，对海水温盐度进行测量及传感的方法或灵敏度不高、或成本高昂、响应较慢，且难以实现海洋内部细微结构的高精度探测。本项目提出基于玻璃微纳米光纤与微纳米压印聚合物光纤复合结构的海水温盐度传感器研究方案，提供了一种新型的海水温盐度传感的方法，项目经过3年的实施，完成了项目的各项内容，达到了预期研究目标，取得了丰硕研究成果，并且随着项目研究的深入，拓展了研究工作，演示了适用于不同条件下的多个海水温盐度传感探测方案。已经发表SCI期刊论文12篇（2区 6 篇，3区 5 篇，4区1篇），正在投稿待发表论文1篇；准备投稿论文2篇，受理发明专利1项；培养博士生 4 人（1人毕业），硕士生 1人；山东省卓越工程师计划本科生1人；培养本十余人完成了本科毕业论文的研究工作。项目的重要研究成果如下：①在海水温度传感方面，利用微光纤环形谐振腔结构/高双折射椭圆光纤Sagnac loop结构/细径光纤-标准单模光纤混合结构分别实现了单点/两点海水温度单参数的高灵敏度传感（单点最高灵敏度可达245pm/ºC，比传统探测方法高1-2个数量级）；②在海水盐度传感方面，利用微光纤环形谐振腔结构/拉锥熊猫光纤马赫泽德干涉仪分别实现了海水盐度单参数的高灵敏度传感（单点最高灵敏度可达2938.16 pm/‰，比传统探测方法高2个数量级）；③在海水温度盐度同时测量方面，分别探索了基于玻璃微纳米光纤与聚酰亚胺复合材料的海水温盐度传感器和基于氧化硅微光纤环形腔与马赫泽德干涉仪复合结构的海水温盐度传感；实现了海水温度盐度双参数的同时高灵敏度传感（温度盐度传感灵敏分别为930 pm/‰和-1130 pm/°C，比传统探测方法高1-2个数量级）④摸索出了一套可用于液体环境的传感结构加固、封装方法，并进行了加固后的稳定性测试。本项目的完成将为海水温盐度传感提供一种高性能、高效率的光学新方法，对研究海洋科学、保护海洋生态、发展海洋经济等具有现实意义，也为微纳光纤在海洋探测领域的应用及其他实测环境的应用提供重要参考。