Fundamental Research | 赵勇：基于双C型光纤马赫-曾德尔干涉仪的高灵敏盐度传感器

Fundamental Research 2022-12-31

Fundamental Research 2022年第2卷第2期封面

基于双C型光纤马赫-曾德尔干涉仪的高灵敏盐度传感器

关键词：光纤传感器，盐度传感器，马赫-曾德尔干涉仪，微流体通道，双C型光纤

海洋约占地球总面积的75%，蕴藏着丰富的海水资源、海洋食物资源、海洋能源和海洋化学资源。海水盐度是海洋最基本和最关键的物理参数之一，测量海水盐度对于监测海洋环境、开发海洋资源、预测气候变化和保障军事安全至关重要。目前，市面上大多数成熟的海水盐度传感器多为电化学传感器，但这些传感器存在体积大、价格昂贵、易受海水腐蚀、信号传输易受电磁干扰等弊端。自光纤问世以来，光纤盐度传感器逐步成为海水盐度测量的强有力候选者，这主要得益于它们独特的优势，包括抗电磁干扰、耐腐蚀、体积小、代价低和可远距离传感等。

在过去的二十年中，光纤盐度传感器引起了研究者的广泛关注，并且大量的光纤盐度传感器已经被提出了，包括光纤光栅盐度传感器、光纤表面等离子体共振盐度传感器和光纤干涉式盐度传感器等。然而，尽管光纤盐度传感器具有一些无可争议的优势，但它们也存在着灵敏度低的问题亟待解决。光流控技术是一种新兴的将光传输与微流控相结合的技术，由于该技术可控制微流体与光束的直接相互作用，因而可极大地提高流体检测灵敏度。

基于这一思想，东北大学赵勇教授团队在国家自然科学基金委员会主管、主办的Fundamental Research 期刊上发表论文，设计了一种基于马赫-曾德尔干涉仪（MZI）的光流体传感结构，如图1(a)所示。双C光纤(double-C fiber, DCF)被夹在两个无芯光纤(no-core fiber, NCF )之间作为传感区域。第一个NCF用作光束的分离区域，第二个NCF用作光束的耦合区域。DCF由HF酸刻蚀双侧孔光纤(dual side-hole fiber, DSHF )获得，它的横截面示意图如图1(b)所示。DCF的两个裸露流体通道确保了光束与盐溶液的直接强相互作用。

实验结果证实，盐度测量的灵敏度为-2.26 nm/‰，与传统的光纤模间干涉仪相比，灵敏度提高了2个数量级。同时，该传感器具有较好的重复性、滞回性和稳定性，这确保了该传感器可长期稳定地工作。此外，实验证实在没有外部加压装置下，DCF大尺寸裸露的流体通道可实现盐溶液的快速填充（1s内）和排空（2min内）。因而，本文提出的传感结构也解决了目前基于微结构光纤的光流体传感结构所存在的液体填充和排空困难的挑战问题。

图1. (a) 基于DCF的MZI传感结构示意图；(b) DCF横截面的示意图。

以上内容节选自期刊Fundamental Research 2022年第2期发表的文章“Y. Zhang, L. Li, J. Zhao, et al., Highly sensitive salinity sensor based on Mach-Zehnder interferometerwith double-C fiber, Fundamental Research 2(2)(2022) 296-302”。

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主要作者简介

赵勇 东北大学秦皇岛分校副校长，流程工业综合自动化国家重点实验室副主任，国家杰出青年科学基金获得者。研究方向包括光纤传感器和器件研究；迄今发表300余篇论文，授权60项专利，出版5本著作。

张亚男 东北大学教授，博士生导师，辽宁省优秀青年基金获得者，IEEE传感器协会哈尔滨分会主席。研究方向包括新型光学敏感材料的制备、特性分析及传感技术研究工作。迄今发表100余篇论文，授权14项国家发明专利。

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