01 導(dǎo)讀

基于光纖光柵的曲率傳感器具有較高的應(yīng)用價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景，如橋梁、隧道等建筑物的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，柔性可穿戴設(shè)備的真實(shí)信息反饋和仿生機(jī)器人的動(dòng)作捕捉等。為了實(shí)現(xiàn)光纖傳感器對(duì)彎曲參數(shù)的高精度穩(wěn)定測(cè)量，排除測(cè)量過(guò)程中如溫度等外界因素的交叉敏感影響則顯得尤為重要。此外，緊湊的結(jié)構(gòu)、高機(jī)械強(qiáng)度、低制造成本和便捷的制造方法也是光纖彎曲傳感器的大規(guī)模推廣應(yīng)用幾大要素。針對(duì)以上要求，吉林大學(xué)于永森教授團(tuán)隊(duì)潘學(xué)鵬等人提出了一種基于啁啾光纖布拉格光柵-法布里珀羅干涉儀(CFBG-FPI，chirped fiber Bragg grating Fabry-Perot interferometer)的曲率傳感器。通過(guò)飛秒激光逐點(diǎn)直寫(xiě)法，錯(cuò)位并行的啁啾光纖布拉格光柵被刻寫(xiě)在光纖纖芯內(nèi)以構(gòu)成光纖法布里珀羅干涉儀，制備了低溫度交叉敏感、可辨別彎曲方向的曲率傳感器。研究成果分別以“Femtosecond laser inscribed chirped fiber Bragg gratings”和“Orientation-discriminating curvature sensor based on chirped fiber Bragg grating Fabry-Perot interferometer”為題在Optics Letters雜志上發(fā)表，通訊作者為吉林大學(xué)于永森教授，第一作者為博士研究生潘學(xué)鵬。

02 研究背景

光纖曲率傳感器具有尺寸小、靈敏度高、可波分復(fù)用、幾何結(jié)構(gòu)適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，有望在橋梁、隧道等建筑物的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，柔性可穿戴設(shè)備的真實(shí)信息反饋和仿生機(jī)器人的動(dòng)作捕捉等應(yīng)用場(chǎng)景大放異彩。然而，目前報(bào)道的大多數(shù)光纖曲率傳感器或多或少地存在一些缺陷如溫度和應(yīng)力等外界物理量的交叉敏感，傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造工藝繁瑣，需要用到特種光纖等。這些缺陷在一定程度上影響了光纖曲率傳感器的大規(guī)模廣泛應(yīng)用和在使用過(guò)程中對(duì)于曲率測(cè)量的精確度。

基于以上特點(diǎn)和需求，為了能低成本、簡(jiǎn)單便捷地制造出低交叉敏感、結(jié)構(gòu)緊湊、機(jī)械強(qiáng)度高的光纖曲率傳感器，本團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新地提出了一種基于錯(cuò)位并行啁啾光纖布拉格光柵結(jié)構(gòu)的法布里珀羅干涉儀曲率傳感器，很好地解決了溫度交叉敏感問(wèn)題，且傳感器制造方法簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊，機(jī)械強(qiáng)度較高，為光纖曲率傳感器的發(fā)展提供了一種極具競(jìng)爭(zhēng)力的方案。

03 創(chuàng)新研究

3.1飛秒激光制備啁啾光纖布拉格光柵

線性啁啾光纖布拉格光柵的光柵周期(或折射率)隨光纖軸向線性變化，相對(duì)于普通的光纖布拉格光柵，其具有更大的半峰寬，被廣泛應(yīng)用于光纖濾波器、鎖模光纖激光器和光電振蕩器等場(chǎng)景。通過(guò)引入依賴(lài)于波長(zhǎng)的差分群延遲，啁啾光纖布拉格光柵還可以在光纖通訊領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)色散補(bǔ)償?shù)墓δ?，具備高兼容性和低插入損耗等優(yōu)勢(shì)。此外，由于啁啾光纖布拉格光柵的不同光柵位置的周期不同，所對(duì)應(yīng)的布拉格波長(zhǎng)也不同，這使其具備了測(cè)量局部事件的能力，如熱點(diǎn)和溫度場(chǎng)的探測(cè)、裂紋位置的感應(yīng)和液位深度的測(cè)量等。通過(guò)設(shè)計(jì)啁啾光纖布拉格光柵的長(zhǎng)度和啁啾率等參數(shù)，最終可以獲得亞毫米級(jí)別的空間分辨能力，在幾毫米到幾十厘米的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高精度的分布式傳感。同時(shí)，通過(guò)級(jí)聯(lián)啁啾光纖布拉格光柵的方法，較大尺度范圍的高精度分布式傳感也有望實(shí)現(xiàn)。

傳統(tǒng)的制造啁啾光纖布拉格光柵的方法是相位掩模法，然而，通過(guò)這種方法制備的光柵會(huì)受限于掩膜版的參數(shù)如周期和長(zhǎng)度等。此外，還有通過(guò)對(duì)均勻布拉格光柵進(jìn)行二次加工的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)啁啾光纖布拉格光柵的制造如拉錐和刻蝕等，這些方法制得的啁啾光纖布拉格光柵的參數(shù)難以精確控制，機(jī)械強(qiáng)度較差，制造工藝復(fù)雜。

為了解決以上問(wèn)題，本團(tuán)隊(duì)通過(guò)使用飛秒激光逐點(diǎn)直寫(xiě)法，通過(guò)515nm飛秒激光對(duì)單模光纖進(jìn)行勻變速掃描，實(shí)現(xiàn)了啁啾光纖布拉格光柵的制備。所制備的光柵的各項(xiàng)參數(shù)靈活可調(diào)，如啁啾率，光柵長(zhǎng)度和反射率等。如圖1所示，1030nm飛秒激光通過(guò)倍頻晶體、準(zhǔn)直光路和60倍油浸物鏡聚焦到光纖纖芯內(nèi)，通過(guò)控制三維位移臺(tái)進(jìn)行勻加速運(yùn)動(dòng)，調(diào)整位移臺(tái)的始末運(yùn)動(dòng)速度，最終可制備得到不同啁啾率的啁啾光纖布拉格光柵。通過(guò)控制飛秒激光單脈沖能量的大小，光柵的反射率靈活可調(diào)。

圖1 飛秒激光在單模光纖中制造啁啾光纖布拉格光柵

圖源: Optics Letters (2021)https://doi.org/10.1364/OL.422576 (Fig. 1)

3.2 可辨別彎曲方向的光纖曲率傳感器

通過(guò)飛秒激光逐點(diǎn)直寫(xiě)法，兩個(gè)具有相同長(zhǎng)度和啁啾率的啁啾光纖布拉格光柵被刻寫(xiě)在單模光纖內(nèi)。兩光柵在光纖纖芯內(nèi)呈錯(cuò)位并行式排布，通過(guò)設(shè)計(jì)兩個(gè)光柵的前后間距以構(gòu)成法布里珀羅干涉儀。如圖2所示。

圖2 光纖彎曲傳感器的制造

圖源: Optics Letters (2022)https://doi.org/10.1364/OL.465052(Fig. 1)

兩個(gè)啁啾光纖布拉格光柵的半峰寬為12nm，從光源出射的光在經(jīng)過(guò)兩個(gè)光柵時(shí)被依次反射相同波長(zhǎng)的光，這為干涉腔提供了相干光，光柵的前后距離則構(gòu)成了法布里珀羅干涉儀的腔長(zhǎng)。我們?cè)O(shè)計(jì)并制造了不同腔長(zhǎng)的啁啾光纖布拉格光柵-法布里珀羅干涉儀(CFBG-FPI)并分別通過(guò)光譜分析儀測(cè)量了其光譜，為了得到更優(yōu)的光譜形貌和獲得最佳的曲率測(cè)量效果，我們最終選取了腔長(zhǎng)L為250μm的干涉儀，最終得到法布里珀羅干涉儀的反射光譜如圖3所示。

圖3 法布里珀羅干涉儀的反射光譜

圖源: Optics Letters (2022)https://doi.org/10.1364/OL.465052(Fig. 2)

3.3 曲率和交叉敏感度的測(cè)量

曲率測(cè)量系統(tǒng)示意圖如圖4所示，光纖的傳感區(qū)域被貼在金屬薄片上，通過(guò)控制金屬薄片的曲率可控制光纖彎曲的大小。光源中出射的光經(jīng)過(guò)環(huán)形耦合器進(jìn)入曲率傳感區(qū)域，兩個(gè)啁啾光纖布拉格光柵構(gòu)成的法布里珀羅干涉儀曲率傳感器在感知金屬薄片的曲率變化后，分別將不同的反射光譜通過(guò)環(huán)形耦合器反射到光譜分析儀內(nèi)，通過(guò)光譜分析儀測(cè)量干涉儀的反射譜以計(jì)算光纖彎曲的曲率。

圖4 曲率測(cè)量系統(tǒng)示意圖

圖源: Optics Letters (2022)https://doi.org/10.1364/OL.465052(Fig. 5)

在實(shí)驗(yàn)中，為了便于觀察，選取了波長(zhǎng)為1554.08nm的干涉峰用于曲率測(cè)量，在彎曲變化過(guò)程中，干涉峰的光譜變化情況和擬合圖如圖5所示(圖中負(fù)號(hào)表示相反的彎曲方向)。由圖5(a)可知，在兩個(gè)相反的彎曲方向上，干涉峰的強(qiáng)度分別呈變強(qiáng)和變?nèi)醯内厔?shì)，這是由于在兩個(gè)相反的彎曲方向上，兩個(gè)啁啾光纖布拉格光柵的反射強(qiáng)度差發(fā)生了不同幅度的改變。具體來(lái)說(shuō)，CFBG1的反射率大于CFBG2，當(dāng)光纖向下彎曲時(shí)，CFBG1在彎曲中損耗的能量大于CFBG2損耗的能量，那么在向下彎曲過(guò)程中，兩個(gè)光柵反射的能量差減小，即相干光振幅更接近，使干涉的條紋對(duì)比度變強(qiáng)，干涉波谷的能量變低;而在彎曲方向相反時(shí)，兩個(gè)光柵反射的能量差變大，相干光振幅差變大，使干涉的條紋對(duì)比度變?nèi)酰缮娌ü鹊哪芰孔兏?，因此該傳感器可辨別不同的彎曲方向。干涉峰的強(qiáng)度R和光纖的彎曲曲率C之間的關(guān)系可由等式R=-0.413C2+3.691C-24.751表示，在曲率為-1.5m-1時(shí)，傳感器的靈敏度達(dá)到了4.93 dB/m-1。

圖5 曲率測(cè)量光譜圖和擬合圖

圖源: Optics Letters (2022)https://doi.org/10.1364/OL.465052(Fig. 6)

為了進(jìn)一步探究該曲率傳感器的交叉敏感特性，我們對(duì)該傳感器進(jìn)行了溫度測(cè)試。在室溫到800℃的溫度變化過(guò)程中，波長(zhǎng)位于1554.08nm的干涉峰的光譜變化如圖6(a)所示，峰強(qiáng)度擬合圖如圖6(b)所示，干涉峰強(qiáng)度關(guān)于溫度的靈敏度為2.31×10-4 dB/°C，相對(duì)于4.93 dB/m-1的彎曲靈敏度，交叉敏感度為4.7×10-5 m-1/°C，可忽略不計(jì)。

圖6 溫度測(cè)量光譜圖和擬合圖

圖源: Optics Letters (2022)https://doi.org/10.1364/OL.465052(Fig. 8)

04 應(yīng)用與展望

本團(tuán)隊(duì)提出了一種新型的低溫度交叉敏感度可辨別方向的曲率傳感器。當(dāng)傳感器的曲率半徑發(fā)生變化時(shí)，干涉峰的深度也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，且這種變化趨勢(shì)會(huì)隨著彎曲方向的改變而發(fā)生明顯的變化，因此該傳感器還可以用于辨別彎曲方向。由于溫度變化對(duì)干涉峰深度變化影響微乎其微，該傳感器實(shí)現(xiàn)了低至約2*10-5m-1/℃的交叉敏感度，溫度造成的測(cè)量誤差可忽略不計(jì)。所提出的基于啁啾光纖布拉格光柵-法布里珀羅干涉儀曲率傳感器結(jié)構(gòu)緊湊，制造簡(jiǎn)單，可辨別彎曲方向且具有低溫度交叉敏感特性。在將來(lái)，通過(guò)級(jí)聯(lián)多個(gè)由不同中心波長(zhǎng)的啁啾光纖布拉格光柵構(gòu)成的法布里珀羅干涉儀還可以用于多點(diǎn)曲率測(cè)量，有望在橋梁隧道等建筑的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、柔性可穿戴設(shè)備的真實(shí)信息反饋和仿生機(jī)器人的動(dòng)作捕捉等應(yīng)用中發(fā)揮重要的作用。

05 作者簡(jiǎn)介

于永森(論文通訊作者) 教授/博士生導(dǎo)師

于永森(通訊作者)吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，唐敖慶特聘英才教授。主要從事國(guó)防領(lǐng)域中高溫光纖傳感器及系統(tǒng)研究，特別是藍(lán)寶石晶體光纖光柵高溫傳感的研究處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位;系統(tǒng)開(kāi)展了光纖功能微結(jié)構(gòu)的飛秒激光微納加工技術(shù)及物理研究。主持和參加了國(guó)防973、國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金航空發(fā)動(dòng)機(jī)重大研究計(jì)劃培育項(xiàng)目、國(guó)家863項(xiàng)目等。在 Optics Letters 和 IEEE等行業(yè)知名雜志發(fā)表學(xué)術(shù)論文60余篇，授權(quán)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利10余項(xiàng)。研究成果獲得教育部自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)一項(xiàng)、吉林省科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)一項(xiàng)。

潘學(xué)鵬(論文第一作者) 博士研究生

潘學(xué)鵬，2017年在吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)于吉林大學(xué)微電子學(xué)與固體電子學(xué)專(zhuān)業(yè)攻讀博士學(xué)位。目前研究方向?yàn)槲⒓{光纖傳感器。

審核編輯：湯梓紅