摘要
海洋蕴藏着丰富资源，影响着全球气候变化。海洋传感技术的发展将为海洋环境保护、海洋科学研究、海洋经济发展以及海洋强国战略的布局和实施提供重要而强有力的支撑。传统的电学类海洋传感器对抗压、防腐、防泄漏等特殊外壳封装设计有极高要求，且易受水下噪声、电磁信号等干扰，水下维护成本高，使用寿命较短，难以实现长期、远距离的水下信号传输和实时检测。因此组建水下海洋立体监测网络存在一定困难。近些年，基于石英材料的全光纤干涉型传感器凭借其结构紧凑、质量轻、防水、耐腐蚀、抗电磁干扰、灵敏度高、易于分布式测量等特点，已成为主流的海洋原位监测传感器。然而目前报道的非本征型光纤传感器通常基于功能材料的机械形变、化学反应等原理设计实现海洋参量的检测，以降低机械强度或增加光损耗为代价提高检测灵敏度，丢失了光纤波导本身作为传感元件响应速度快、适宜于恶劣环境工作等优越性。包括基于包层模或其他多个高阶模干涉的全光纤In-line干涉仪，其输出光谱由多个干涉信号叠加且对多个环境参量的响应不同，通常在监测过程中存在抗干扰能力弱、实际应用校准困难、光损耗大、传输不稳定等情况。相比之下，仅支持两个芯子模式传输的双模光纤，在通信和传感领域都具有重要优势。因此本文围绕基于两个芯模干涉或本征型全光纤干涉仪设计，通过理论和实验研究具有特征波长传输光谱，均匀周期性变化传输光谱，以及变周期Vernier传输光谱中单一频率信号或Vernier干涉包络中干涉峰/干涉谷随多个物理量变化的传感特性。 针对目前大多数常规型光纤In-line干涉仪的输出光强度随波长呈周期性变化的干涉谱中相邻干涉峰/干涉谷的波长间距一致、对单个被测物理量的响应灵敏度基本相同，在长期测量中存在检测波长难以标记、连续跟踪测量，无法采用单一干涉仪进行多参量同时检测等问题。本文采用在工作波长范围内仅支持两个芯子模式(LP01、LP02)传输的特殊双模光纤(DMF)制得共线型马赫-曾德尔干涉仪(MZI)，其输出谱中模式群速度相等处存在一个特征波长(CWL)，且两侧最靠近CWL的检测峰(PL1和PR1)易于识别、跟踪定位、不受光源偏振态变化影响。利用CWL在传输谱中唯一存在、及其两侧干涉峰/干涉谷随被测参量单调变化等特性，提出高灵敏度、大测量范围、适宜于水下环境应用的共点多参量传感方案，以解决常规干涉仪无法采用单一干涉频率信号实现多参量检测等问题。文中，首先理论和实验分析了海水深度（压强）对基于纤芯LP01和LP02模式干涉的DMF-MZI传输光谱中CWL两侧干涉峰/干涉谷的传输特性及其波长响应灵敏度的影响，以及干涉峰/干涉谷到CWL的距离与检测灵敏度的关系。PL1和PR1对单一待测参量（海水温度或深度（压强））的波长灵敏度分别在两侧干涉峰中表现为最大值且大小不同、符号相反，因此可实现高灵敏度的双参量同时测量。其次，通过理论分析和实验验证了采用较长物理长度的DMF使得DMF-MZI传输谱中PL1和PR1尽可能靠近CWL能够提高峰值波长的检测灵敏度。最后，在实验中验证了DMF-MZI传输谱中CWL及其两侧干涉峰/干涉谷不随环境折射率变化而发生移动，避免了因水体污染、杂质等因素引起测量误差，体现出DMF-MZI海水温度和深度（压强）同时传感方案在海洋水下环境检测应用的优越性。 全光纤海水盐度传感器的制作通常基于开放腔或倏逝场结构，使得传输光能量完全或部分暴露在待测媒介中，从而改变传感光纤中干涉模式传输的等效折射率差值，引起输出光谱中干涉峰/干涉谷的移动。相比于光损耗较大的开放式传感器，微纳光纤干涉仪具有束光能力强、倏逝场大、响应速度快等特性。基于采用传统火焰拉锥法制作微纳光纤，存在因传感光纤长度增加、纤芯直径减小而激发模式转换、模式传输不稳定、易受振动干扰等问题，采用化学腐蚀等方法减小光纤包层厚度是保持干涉模式在纤芯中稳定传输且提高折射率检测灵敏度较为理想的方式。然而目前采用传感光纤内部有如偏心纤芯或空气孔等微结构设计的折射率传感器难以通过减少包层厚度来获得较大倏逝场，包括仅支持LP01和LP02模式传输的多包层传感光纤在其外径减小时，干涉模式(LP02)逐渐趋于截止，从而限制了其折射率灵敏度的提升。因此，本文基于微纳光纤和双模干涉仪的特性，采用工作波长范围内仅支持LP01和LP11传输的特殊40μm双模光纤(TDF)制得全光纤MZI海水盐度（折射率）传感器，并采用传感光纤外径D=9μm的TDF-MZI获得了高检测灵敏度～21292.2nm/RIU(1.4000～1.4025)。通过理论和实验分析了环境折射率、传感光纤外径的变化对TDF-MZI均匀周期变化传输谱中LP01和LP11干涉模式传输特性及其共振波长响应灵敏度的影响，并在液体和气体待测媒介中验证了TDF-MZI输出光谱中共振波长响应灵敏度大小和检测方向的可调谐性。 基于目前采用掺杂光纤的干涉仪传感结构，大多难以实现大于800℃的高温检测，以及纯石英传感光纤温度响应灵敏度低等问题。本文采用在工作波长范围内仅支持LP01和LP11模式在特殊40μm双模传感光纤中传输的共线型TDF-MZI，实现了掺杂传感光纤在100～1000℃测量范围的温度检测应用，以解决采用掺杂光纤的模式干涉仪（如LP01和LP02模式干涉）在高温环境中(＞800℃)出现波长检测灵敏度符号突变或干涉条纹消失等情况。并采用纯石英光子晶体光纤，首次将Vernier增敏效应应用于1200℃高温监测。通过理论和实验研究了Vernier干涉包络及其干涉峰/干涉谷检测灵敏度成倍数放大的效应。采用简单的电弧放电操作实现了两个本征型FPI微小光程差的调控，对单个干涉仪结构的输出谱线实现变周期Vernier包络调制。通过理论和实验分析Vernier光程差的微小差异对Vernier干涉包络及其放大倍数的影响，并在实验中监测该简化的Vernier干涉仪高温传感器输出光谱中Vernier包络干涉峰/干涉谷的移动，在大测量范围将其温度检测灵敏度提升了1～2个数量级。上述两种分别基于掺杂传感光纤和纯石英传感光纤的高温传感方案，具有结构紧凑，制作简单，响应速度快等特点，可为海洋油气工程，海洋电力工程，海洋矿产资源开发等领域的高温检测应用，提供高空间分辨率，高灵敏度，大测量范围，且电磁隔离、化学稳定的重要测量技术。
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