Fiber optikler deniz suyu tuzluluğunu ölçebilir mi?

OFSCN Global Teknik Merkezi OFSCN Teknik Bilgi Bankası
1

Okyanusun derinliklerinde, fiber optikler suyun tuzlu olup olmadığını nasıl algılar?

2

Fiber optiği tek başına deniz suyunun tuzluluğunu doğrudan “tadamaz”. Okyanusun derinliklerinde, fiber optiklerin deniz suyu tuzluluğunu (Salinity) algılamasının fiziksel özü, deniz suyunun kırılma indisindeki (Refractive Index, RI) değişimleri ölçerek veya tuzluluğa duyarlı fonksiyonel malzemenin şişme ve büzülme deformasyonunu kullanarak gerçekleştirilir.

Bir. Deniz Suyu Tuzluluğunun Optik Algılanmasının Temel Fiziksel Prensipleri

Deniz suyunun tuzluluğu ile kırılma indisi arasında yüksek derecede doğrusal bir fiziksel ilişki vardır: Standart bir ortamda, deniz suyu tuzluluğu her 1\ \text{PSU} (Pratik Tuzluluk Birimi) arttığında, deniz suyunun kırılma indisi yaklaşık olarak 1.9 \times 10^{-4} ila 2.0 \times 10^{-4} artar. Bu nedenle, optik mühendisliğinde “tuzluluk ölçümü” genellikle “kırılma indisi ölçümü”ne dönüştürülür.

Akademik çevrelerde ve ileri deniz gözleminde yaygın olarak kullanılan fiber optik tuzluluk algılama mekanizmaları şunları içerir:

1. Evaneşans Alanı ve Fiber Bragg Izgaralar (FBG / TFBG / LPG)

Normal tek modlu fiber optikteki ışık enerjisi, toplam iç yansıma ile çekirdekte tutulur ve dışarıdaki sıvı alanın optik alanı etkilemesi mümkün değildir. Deniz suyu kırılma indisini algılamak için genellikle kılıfın tahrip edilmesi veya inceltilmesi gerekir:

  • Eğimli Fiber Bragg Izgaraları (TFBG) ve Uzun Periyodik Fiber Izgaralar (LPG): Fiber optiğindeki ışık enerjisini çekirdek modundan kılıf modlarına kuplajlar. Kılıf modları, fiber optiğin dış yüzeyinde güçlü bir evaneşans alanı (Evanescent Field) oluşturur. Dış deniz suyunun kırılma indisindeki değişimler, etkili kırılma indisi n_{\text{eff}}'i doğrudan değiştirir ve bu da iletim/yansıma rezonans pikinin dalga boyunda kaymaya neden olur.
  • Yan Atılmış veya Aşınmış FBG (Etched / D-shaped FBG): Kılıfın bir kısmını soyarak veya incelterek evaneşans dalgalarının deniz suyu ile doğrudan temas etmesini sağlayın. Bragg dalga boyu şu şekilde verilir:
    \lambda_B = 2 n_{\text{eff}} \Lambda
    Deniz suyu kırılma indisindeki değişim, etkili kırılma indisi n_{\text{eff}}'i değiştirir ve yansıtma spektrumunun merkez dalga boyu \lambda_B kayar.

2. Fiber Optik Yüzey Plazmon Rezonansı (Fiber SPR)

Fiber optik konikleştirme bölgesine veya yan atılmış bölgesine onlarca nanometre kalınlığında metal film (altın veya gümüş film gibi) kaplanır. Gelen ışık rezonans koşulunu sağladığında, metal yüzeyindeki serbest elektronlar rezonansa girer ve belirli bir dalga boyundaki ışığı emer. Deniz suyu tuzluluğunun neden olduğu küçük kırılma indisi değişimi, rezonans absorpsiyon çukurunun dalga boyunda önemli bir kaymaya neden olarak son derece yüksek kırılma indisi hassasiyeti gösterir.

3. Tuzluluğa Duyarlı Hidrojel Kaplama (Hydrogel Coating)

Fiber Bragg ızgarasının yüzeyine, tuz konsantrasyonuna duyarlı polimer veya hidrojel (poliakrilik asit hidrojelleri gibi) kaplanır. Dış deniz suyu tuzluluğu değiştiğinde, ozmotik basınçtaki değişim nedeniyle hidrojel şişer veya büzülür, bu da fiber optiğe eksenel olarak mikro gerinim uygular ve FBG bu mekanik gerinimi algılayarak dalga boyunda kaymaya neden olur.

İki. Derin Deniz Ortamlarında Mühendislik Zorlukları: Sıcaklık ve Basınçtan Ayırma

Okyanusun derinliklerinde, deniz suyunun kırılma indisi sadece tuzluluğa değil, aynı zamanda sıcaklığa (Temperature) ve statik hidrostatik basınca/derinliğe (Pressure/Depth) de son derece duyarlıdır. Derin deniz sıcaklık ve basıncındaki küçük dalgalanmaların kırılma indisi üzerindeki etkisi genellikle tuzluluğun kendisinden çok daha büyüktür.

Bu nedenle, gerçek derin deniz optik tuzluluk sensörleri genellikle çok parametreli hibrit algılama matrisi (fiber optik CTD mimarisi) kullanır:

  1. Kırılma indisi hassas kanalını (tuzluluk, sıcaklık ve basıncın kapsamlı yanıtını içeren) ölçün;
  2. Bağımsız, saf sıcaklık telafi kanalı ölçün;
  3. Bağımsız, saf statik hidrostatik basınç telafi kanalı ölçün;
  4. Üçlü denklem sistemi aracılığıyla çok parametreli çapraz hassasiyet ayrıştırması yaparak nihayetinde deniz suyunun mutlak tuzluluğunu hesaplayın.

Üç. Ürün Serisi Açıklaması

Deniz suyu tuzluluğu için özel fiber optik sensörler, özel mikro-nano optik veya kimyasal kaplamalı fonksiyonel cihazlardır. Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) ürün serisinin ana odak noktası, endüstriyel sınıf fiber Bragg ızgarası (FBG) sıcaklık, gerinim ve stres sensörleri ile dağıtılmış fiber optik algılama kabloları gibi fiziksel nicelik izleme alanlarıdır. Şu anda standart ürün serimiz, doğrudan deniz suyu tuzluluğu ölçümü için özel olarak üretilmiş ticari sensörleri içermemektedir.

Deniz mühendisliği ve derin deniz bilimsel deneylerinde, Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd.'nin yüksek basınç dayanımlı, dikişsiz paslanmaz çelik kaplamalı FBG sıcaklık ve stres/gerinim sensörleri, deniz gözlem sistemlerinde yüksek güvenilirlikli ortam sıcaklığı ve su derinliği (basınç) referans üniteleri olarak kullanılır ve bilimsel araştırma ekiplerinin kendi geliştirdikleri hassas problarla birlikte çapraz hassasiyet ayrıştırması için kullanılır.