【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及微纳光电集成光学器件，特别涉及一种基于中空圆柱的海水温盐传感单元、传感系统及测量方法。
技术介绍
1、迄今为止,关于海水温度和盐度的测量装置主要为电学式，尽管目前电学式传感器成熟度高，但在应用方面仍然存在一些关键问题：如价格高昂、抗电磁干扰能力弱、抗压耐腐蚀性差、水密性要求高、功耗大、体积大、部署困难等。就目前而言，传统的电学式测量装置已经不再具有明显的优势,如需继续投入研发将不得不面临成本高和周期长的问题。然而面对这些问题，超表面传感器都能够迎刃而解，甚至展现出了绝对的优势，如本征绝缘、抗电磁干扰能力强、水密性能要求较低，抗压耐腐蚀、体积小、功耗低、灵敏度高、易于集成复用等。
2、相比于电学式传感器，光学式传感器虽然在尺寸、抗电磁干扰、耐腐蚀、大规模监测等方面性能更加优异，但是在测量准确率、稳定性等方面仍有待提高。此外，如何同步测量多种参数并解决交叉敏感问题也是一项急需突破的技术。
技术实现思路
1、为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种基于中空圆柱的海水温盐传感单元、传感系统及测量方法，以达到可以同步高精度测量海水温度盐度的目的。
2、为达到上述目的，本专利技术的技术方案如下：
3、一种基于中空圆柱的海水温盐传感单元，包括衬底层，所述衬底层上周期排列有中空圆柱，每个周期内有四个完全相同的中空圆柱，四个中空圆柱在平面内呈现为正方排列；所述衬底层的材料为石英玻璃或蓝宝石，所述中空圆柱的材料为硅、锗、二氧化钛中的一种。
5、优选地，所述中空圆柱的排列周期p＝860nm，中空圆柱外圆半径l＝135nm，中空圆柱内圆半径w＝47.5nm，一个周期内两中空圆柱相邻外壁之间的距离n＝140nm，中空圆柱高度h＝750nm。
6、上述方案中，相邻两个周期之间距离最近的两个中空圆柱外壁之间的距离n＞n。
7、上述方案中，所述中空圆柱内圆圆心o2与外圆圆心o1的偏移距离d的取值范围为0≤d＜l-w。
8、优选地，所述中空圆柱内圆圆心o2与外圆圆心o1的偏移距离d＝25nm或0nm。
9、一种如上所述的基于中空圆柱的海水温盐传感单元的制备方法，包括如下步骤：使用低压化学气相沉积法将用于形成中空圆柱的高折射率材料沉积在衬底层上，将光刻胶旋涂在高折射率材料平面上并使其充分干燥，使用电子束曝光描绘圆形周期阵列形状，使用电感耦合等离子体刻蚀高折射率材料，最后去除光刻胶即得周期排列的中空圆柱。
10、一种基于中空圆柱的海水温盐传感系统，包括宽谱光源、传输光纤、光纤隔离器、光纤起偏器、光谱仪、光纤耦合器、以及如权利要求1所述的传感单元，宽谱光源发出入射光经过光纤隔离器和光纤起偏器到达光纤耦合器，然后正入射进入传感单元，由衬底层进入中空圆柱，经中空圆柱反射后，再经过光纤耦合器，被光谱仪所接收。
11、上述方案中，当光正入射进入传感单元时，可以激发两个共振，得到的光谱图中左侧共振峰为共振峰一，右侧共振峰为共振峰二；通过调整中空圆柱内圆圆心o2与外圆圆心o1的偏移距离d可以使共振光谱发生偏移。
12、一种如上所述的传感系统的测量方法，包括如下步骤：
13、步骤1，对传感单元进行灵敏度标定：
14、将传感单元置于已知温度的海水中，进行测量得到光谱一，调节海水温度并再次测量得到光谱二，根据温度差以及共振峰二的峰值位移变化，计算出对应的温度灵敏度；将传感单元置于已知盐度的海水中，进行测量得到光谱三，调节海水盐度且保持温度不变再次测量得到光谱四，根据盐度差以及共振峰一的峰值位移变化，计算出对应的盐度灵敏度；
15、步骤2，将传感单元置于待测海水中进行测量，当海水的温度和盐度同时发生变化时，根据温度和盐度变化前后不同的光谱图得到共振峰一和共振峰二的峰值位移，结合所测得的温度灵敏度和盐度灵敏度，列出下述矩阵方程：
16、
17、其中，ssalt,1，st,1，δλ1分别为共振峰一的盐度灵敏度，温度灵敏度和峰值位移，ssalt,2，st,2，δλ2分别为共振峰二的盐度灵敏度，温度灵敏度和峰值位移；
18、求解上述矩阵方程即可得出盐度变化量δs，温度变化量δt。
19、通过上述技术方案，本专利技术提供的基于中空圆柱的海水温盐传感单元、传感系统及测量方法具有如下有益效果：
20、通过合理的搭建二层结构(上层中空圆柱阵列，下层高折射率基底)构成超表面，借助超表面其灵活可调的谐振特性与谐振激发时产生的局域场增强实现对于海水的传感功能，一方面，由于超材料的谐振响应被设计为窄带谐振，具备更高的光谱分辨率。另一方面增强的局域场电磁场与待测海水发生耦合，具备相当高的传感灵敏度。同时，超材料具备小型化的特点，结合测试系统，实现实时、无损、快速、便携的传感效果。
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1.一种基于中空圆柱的海水温盐传感单元，其特征在于，包括衬底层，所述衬底层上周期排列有中空圆柱，每个周期内有四个完全相同的中空圆柱，四个中空圆柱在平面内呈现为正方排列；所述衬底层的材料为石英玻璃或蓝宝石，所述中空圆柱的材料为硅、锗、二氧化钛中的一种。
2.根据权利要求1所述的一种基于中空圆柱的海水温盐传感单元，其特征在于，所述中空圆柱的排列周期P的取值范围为600-1100nm，中空圆柱内圆半径w的取值范围为25-110nm，中空圆柱外圆半径L的取值范围为110-165nm，每个周期内两个中空圆柱相邻外壁之间的距离n的取值范围为100-180nm，中空圆柱的高度H的取值范围为500-1000nm。
3.根据权利要求2所述的一种基于中空圆柱的海水温盐传感单元，其特征在于，所述中空圆柱的排列周期P＝860nm，中空圆柱外圆半径L＝135nm，中空圆柱内圆半径w＝47.5nm，一个周期内两中空圆柱相邻外壁之间的距离n＝140nm，中空圆柱高度H＝750nm。
4.根据权利要求2所述的一种基于中空圆柱的海水温盐传感单元，其特征在于，相邻两个周期之间距离
5.根据权利要求2所述的一种基于中空圆柱的海水温盐传感单元，其特征在于，所述中空圆柱内圆圆心O2与外圆圆心O1的偏移距离d的取值范围为0≤d＜L-w。
6.根据权利要求5所述的一种基于中空圆柱的海水温盐传感单元，其特征在于，所述中空圆柱内圆圆心O2与外圆圆心O1的偏移距离d＝25nm或0nm。
7.一种如权利要求1所述的基于中空圆柱的海水温盐传感单元的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：使用低压化学气相沉积法将用于形成中空圆柱的高折射率材料沉积在衬底层上，将光刻胶旋涂在高折射率材料平面上并使其充分干燥，使用电子束曝光描绘圆形周期阵列形状，使用电感耦合等离子体刻蚀高折射率材料，最后去除光刻胶即得周期排列的中空圆柱。
8.一种基于中空圆柱的海水温盐传感系统，其特征在于，包括宽谱光源、传输光纤、光纤隔离器、光纤起偏器、光谱仪、光纤耦合器、以及如权利要求1所述的传感单元，宽谱光源发出入射光经过光纤隔离器和光纤起偏器到达光纤耦合器，然后正入射进入传感单元，由衬底层进入中空圆柱，经中空圆柱反射后，再经过光纤耦合器，被光谱仪所接收。
9.根据权利要求8所述的基于中空圆柱的海水温盐传感系统，其特征在于，当光正入射进入传感单元时，可以激发两个共振，得到的光谱图中左侧共振峰为共振峰一，右侧共振峰为共振峰二；通过调整中空圆柱内圆圆心O2与外圆圆心O1的偏移距离d可以使共振光谱发生偏移。
10.一种如权利要求9所述的传感系统的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种基于中空圆柱的海水温盐传感单元，其特征在于，包括衬底层，所述衬底层上周期排列有中空圆柱，每个周期内有四个完全相同的中空圆柱，四个中空圆柱在平面内呈现为正方排列；所述衬底层的材料为石英玻璃或蓝宝石，所述中空圆柱的材料为硅、锗、二氧化钛中的一种。
2.根据权利要求1所述的一种基于中空圆柱的海水温盐传感单元，其特征在于，所述中空圆柱的排列周期p的取值范围为600-1100nm，中空圆柱内圆半径w的取值范围为25-110nm，中空圆柱外圆半径l的取值范围为110-165nm，每个周期内两个中空圆柱相邻外壁之间的距离n的取值范围为100-180nm，中空圆柱的高度h的取值范围为500-1000nm。
3.根据权利要求2所述的一种基于中空圆柱的海水温盐传感单元，其特征在于，所述中空圆柱的排列周期p＝860nm，中空圆柱外圆半径l＝135nm，中空圆柱内圆半径w＝47.5nm，一个周期内两中空圆柱相邻外壁之间的距离n＝140nm，中空圆柱高度h＝750nm。
4.根据权利要求2所述的一种基于中空圆柱的海水温盐传感单元，其特征在于，相邻两个周期之间距离最近的两个中空圆柱外壁之间的距离n＞n。
5.根据权利要求2所述的一种基于中空圆柱的海水温盐传感单元，其特征在于，所述中空圆柱内圆圆心o2与外圆圆心o1的偏移距离d的取值范围为0...
【专利技术属性】
技术研发人员：孙鹏，苏晨曦，赵强，云茂金，
申请(专利权)人：山东省科学院海洋仪器仪表研究所，
类型：发明
国别省市：
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