基于嵌入式微纳光纤的海水盐度传感器设计与性能优化

本文主要探讨了嵌入式微纳光纤环形腔在海水盐度传感领域的应用研究。作者李国祥、王姗姗、杨红娟和王晶来自中国海洋大学信息科学与工程学院，他们设计了一种新型的盐度传感器，其核心是将Loop型谐振腔结构嵌入到具有正热光系数的MgF2材料中，旨在实现对海水盐度的高精度测量，特别强调了对温度影响的弱敏感性。 在设计过程中，研究者利用COMSOL软件构建了详细的海水盐度传感模型，这是一种数值模拟工具，用于精确预测和分析传感器的性能。通过Matlab进行数值研究，他们深入分析了传感器的关键参数如何影响其工作性能。具体来说： 1. **温度特性与光纤半径**：研究发现，传感器的温度响应特性与微纳光纤的半径密切相关。为了实现温度弱敏感，光纤的半径随着探测波长的减小而减小，这意味着设计时需要精心选择合适的光纤尺寸以减少温度变化对盐度测量的影响。 2. **盐度灵敏度与参数调整**：随着镀膜厚度和光纤半径的增加，盐度灵敏度呈现出减小的趋势。这意味着在追求更高的盐度分辨率时，可能需要在保持温度稳定性的同时，适当地减小这些参数以优化传感器性能。 3. **探测极限与镀膜厚度和波长**：探测极限，即能检测到的最小盐度变化，受到镀膜厚度和探测波长的双重影响。随着镀膜厚度的增加，探测极限增大，而随着波长的减小，探测极限反而减小。这提示了在实际应用中需要找到一个平衡点以确保最佳的盐度测量范围。 通过优化设计，研究人员最终实现了盐度灵敏度高达0.025纳米每毫克毫升（nm/(mg/mL)），探测极限达到0.15毫克每毫升(mg/mL)的高性能。这一成果对于海洋环境监测、水质控制和渔业等领域具有重要意义，展示了微纳光纤技术在复杂环境中实现高精度测量的潜力。 本文的研究不仅提供了关于嵌入式微纳光纤环形腔在海水盐度传感中的具体设计方法，还揭示了关键参数优化策略，为今后类似传感器的设计和开发提供了有价值的指导。同时，它也验证了COMSOL软件和Matlab在光子学和光学传感器设计中的应用价值。