光纤内密封液腔的高灵敏海水温度传感研究

In this project, we will mainly investigate the temperature sensing properties of sealed liquid-cavity in optical fiber underwater. And a novel optical fiber temperature sensor will be given based on the high thermo-optical coefficient of the liquid, which provides theoretical bases and practical methods for highly sensitive detection of sea temperature. First, we will establish the temperature sensing model of the sealed liquid-cavity in optical fiber, and design the sealed liquid-cavity structure in optical fiber with high temperature sensitivity. Then, the micro-channel and micro-cavity in optical fiber will be fabricated by using femtosecond laser induced water-breakdown. The micro liquid will be leaded into the optical fiber and sealed in the micro-cavity. Finally, we will investigate the temperature sensing properties of sealed liquid-cavity in optical fiber underwater. By optimizing the fabrication and design parameters, the temperature sensitivity of sealed liquid-cavity in optical fiber will be further improved to realize highly sensitive detection of sea temperature.

本课题主要通过研究光纤内密封液腔的水下温度传感特性，提出一种基于液体高热光系数的新型光纤温度传感结构，为海水温度的高灵敏探测提供理论与技术支持。首先，建立光纤内密封液腔温度传感模型，设计出具有高灵敏度的光纤内密封液腔温度传感结构。然后，利用飞秒激光诱导水击穿在光纤内制备出微流体通道和微腔，将微量液体引入并密封在光纤微腔内。最后，研究光纤内密封液腔的水下温度传感特性，通过优化制备与设计参数，进一步提高光纤内密封液腔的温度传感灵敏度，实现对海水温度的高灵敏探测。

海水温度是海洋环境中最重要的因素之一，准确探测、研究海水温度的时间、空间分布及其变化规律，不仅是海洋学的重要基础内容，而且对气象、航海、捕捞业和水声等学科也至关重要。光纤传感器件在海洋环境探测领域具有独特应用优势，由于海水温度随时间和空间的变化范围非常小，提高光纤传感器件的海水温度探测灵敏度对海水温度研究具有重要意义。本课题将液体等温度敏感材料集成到光纤微腔传感结构内部，设计并制备出了各种高灵敏光纤温度传感探头，研究了其空气及水下温度传感特性。主要研究内容包括：建立了光纤微腔内集成液体等高热光系数材料的温度传感模型，基于光纤内法布里珀罗干涉、马赫增德干涉等原理设计出具有高灵敏度的光纤温度传感结构；利用飞秒激光诱导水击穿技术、电弧放电熔接技术在光纤内制备出了各种设计的微腔和微通道结构，将微量液体引入到光纤微腔内；利用飞秒激光双光子聚合技术、紫外固化技术实现了液体在微腔内的集成与密封；对制备出的各种光纤探头结构的温度传感特性进行了研究测试，选取最佳设计方案，优化制备参数，并对光纤探头进行了初步封装，实现了对海水温度的高灵敏探测，温度灵敏度高于6nm/℃。本课题解决了温度敏感材料与光纤传感结构集成的问题，突破了光纤材料本身传感灵敏度低的瓶颈，为光纤温度传感探头的制备和应用提供了新的思路。基于本项目研究成果，申请发明专利2项，发表SCI 论文15 篇，其中，在国际光学及传感一流期刊（Optics letters、Optics Express、Sensors and Actuators B，SCI 影响因子均大于3.0）上发表论文7篇。