摘要
海水温度是海洋中的一个基本参数，与大中小尺度海洋现象以及人类活动具有密切关系，因而在海洋观测领域具有举足轻重的地位。本文提出了利用微光纤环形谐振腔进行海水温度传感的方法，具有尺寸小、易集成、灵敏度高和响应快等优势，为海水温度探测提供了一种新的光纤传感方法。 结合海水的光学参数，对微光纤的传输特性和环形谐振腔的谐振特性进行了分析。首先，计算了海水中微光纤基模和高阶模的传播常数、有效折射率、坡印廷矢量和光纤纤芯内外能量比例。其次，建立了微光纤环形谐振腔的理论模型，推导了在海水中的传输方程，计算了透射光谱的谐振峰、自由光谱范围、品质因数、精细度、消光比等光谱参数。上述计算结果为微光纤环形谐振腔的制作及海水温度的传感奠定了基础。 从微光纤环形谐振腔的海水温度传感原理发现，可以利用透射光谱的强度变化和谐振峰移进行传感，并在理论和实验两方面开展了研究。其一，理论上计算了强度变化方式中，灵敏度和探测极限与探测波长、环直径和光纤直径的关系，为传感器结构的优化提供了指导。理论上探测极限可以达到10·7℃，比传统方法要小4个数量级。完成了微光纤环形谐振腔透射光谱强度变化的海水温度传感实验，得到了0.6033dB/℃的灵敏度。其二，理论和实验上研究了微光纤环形谐振腔透射光谱谐振峰移的海水温度传感，得到了相符的结果。灵敏度随光纤直径的增大先降低后升高。高灵敏度总是出现在长波长处。另外，灵敏度与环直径无关。当光纤直径为3.91μm、探测波长在1600nm附近时，灵敏度达到了22.81pm/℃。同时也发现了基模的TE和TM偏振态分离，光谱上出现了两套谐振峰，两个偏振态对温度的响应基本相同，灵敏度近似相等。 在实现传感功能的基础上，进一步研究了传感器的稳定性、盐度对测量结果的影响和提高灵敏度等问题。首先，进行了稳定性实验，光谱的谐振峰和强度表现出了很好的稳定性。然后，提出了一种盐度不敏感的海水温度传感结构—镀膜微光纤环形谐振腔；当镀膜厚度为3-5μm时，盐度对温度的测量结果没有影响。最后，制作了聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微光纤环形谐振腔用于海水温度传感实验，灵敏度是二氧化硅微光纤环形谐振腔的两倍。 考虑到实际海水探测的需求，设计了一种长距离工作的微光纤双环谐振腔两点海水温度传感器。理论和实验研究结果表明，具有短周期光谱的双环谐振腔更适用于两点海水温度的同时测量；当环直径分别是778μm和618μm，光纤直径分别是1.4μm和1.7μm的双环谐振腔用于两点海水温度传感实验时，灵敏度分别为-13.86pm/℃和-5.6pm/℃。通过级联更多的环形谐振腔可以测量多点海水温度，为探测海洋动力现象提供了依据。
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