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，柔性可穿戴設(shè)備的真實信息反饋和仿生機器人的動作捕捉等。為了實現(xiàn)光纖傳感器對彎曲參數(shù)的高精度穩(wěn)定測量，排除測量過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)、高機械強度、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。針對以上要求，吉林大學(xué)于永森教授團隊潘學(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。通過飛秒激光逐點直寫法，錯位并行的啁啾光纖布拉格光柵被刻寫在光纖纖芯內(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)性強等優(yōu)勢，有望在橋梁、隧道等建筑物的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，柔性可穿戴設(shè)備的真實信息反饋和仿生機器人的動作捕捉等應(yīng)用場景大放異彩。然而，目前報道的大多數(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)用和在使用過程中對于曲率測量的精確度。

基于以上特點和需求，為了能低成本、簡單便捷地制造出低交叉敏感、結(jié)構(gòu)緊湊、機械強度高的光纖曲率傳感器，本團隊創(chuàng)新地提出了一種基于錯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題，且傳感器制造方法簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，機械強度較高，為光纖曲率傳感器的發(fā)展提供了一種極具競爭力的方案。

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景。通過引入依賴于波長的差分群延遲，啁啾光纖布拉格光柵還可以在光纖通訊領(lǐng)域中實現(xiàn)色散補償?shù)墓δ埽邆涓呒嫒菪院偷筒迦霌p耗等優(yōu)勢。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，所對應(yīng)的布拉格波長也不同，這使其具備了測量局部事件的能力，如熱點和溫度場的探測、裂紋位置的感應(yīng)和液位深度的測量等。通過設(shè)計啁啾光纖布拉格光柵的長度和啁啾率等參數(shù)，最終可以獲得亞毫米級別的空間分辨能力，在幾毫米到幾十厘米的范圍內(nèi)實現(xiàn)高精度的分布式傳感。同時，通過級聯(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，通過這種方法制備的光柵會受限于掩膜版的參數(shù)如周期和長度等。此外，還有通過對均勻布拉格光柵進行二次加工的方法來實現(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，機械強度較差，制造工藝復(fù)雜。

為了解決以上問題，本團隊通過使用飛秒激光逐點直寫法，通過515nm飛秒激光對單模光纖進行勻變速掃描，實現(xiàn)了啁啾光纖布拉格光柵的制備。所制備的光柵的各項參數(shù)靈活可調(diào)，如啁啾率，光柵長度和反射率等。如圖1所示，1030nm飛秒激光通過倍頻晶體、準(zhǔn)直光路和60倍油浸物鏡聚焦到光纖纖芯內(nèi)，通過控制三維位移臺進行勻加速運動，調(diào)整位移臺的始末運動速度，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

通過飛秒激光逐點直寫法，兩個具有相同長度和啁啾率的啁啾光纖布拉格光柵被刻寫在單模光纖內(nèi)。兩光柵在光纖纖芯內(nèi)呈錯位并行式排布，通過設(shè)計兩個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)過兩個光柵時被依次反射相同波長的光，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。我們設(shè)計并制造了不同腔長的啁啾光纖布拉格光柵-法布里珀羅干涉儀(CFBG-FPI)并分別通過光譜分析儀測量了其光譜，為了得到更優(yōu)的光譜形貌和獲得最佳的曲率測量效果，我們最終選取了腔長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量

曲率測量系統(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)過環(huán)形耦合器進入曲率傳感區(qū)域，兩個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環(huán)形耦合器反射到光譜分析儀內(nèi)，通過光譜分析儀測量干涉儀的反射譜以計算光纖彎曲的曲率。

圖4 曲率測量系統(tǒng)示意圖

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

在實驗中，為了便于觀察，選取了波長為1554.08nm的干涉峰用于曲率測量，在彎曲變化過程中，干涉峰的光譜變化情況和擬合圖如圖5所示(圖中負(fù)號表示相反的彎曲方向)。由圖5(a)可知，在兩個相反的彎曲方向上，干涉峰的強度分別呈變強和變?nèi)醯内厔?，這是由于在兩個相反的彎曲方向上，兩個啁啾光纖布拉格光柵的反射強度差發(fā)生了不同幅度的改變。具體來說，CFBG1的反射率大于CFBG2，當(dāng)光纖向下彎曲時，CFBG1在彎曲中損耗的能量大于CFBG2損耗的能量，那么在向下彎曲過程中，兩個光柵反射的能量差減小，即相干光振幅更接近，使干涉的條紋對比度變強，干涉波谷的能量變低;而在彎曲方向相反時，兩個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，傳感器的靈敏度達到了4.93 dB/m-1。

圖5 曲率測量光譜圖和擬合圖

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

為了進一步探究該曲率傳感器的交叉敏感特性，我們對該傳感器進行了溫度測試。在室溫到800℃的溫度變化過程中，波長位于1554.08nm的干涉峰的光譜變化如圖6(a)所示，峰強度擬合圖如圖6(b)所示，干涉峰強度關(guān)于溫度的靈敏度為2.31×10-4 dB/°C，相對于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。

圖6 溫度測量光譜圖和擬合圖

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

04 應(yīng)用與展望

本團隊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，干涉峰的深度也會發(fā)生相應(yīng)的變化，且這種變化趨勢會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。由于溫度變化對干涉峰深度變化影響微乎其微，該傳感器實現(xiàn)了低至約2*10-5m-1/℃的交叉敏感度，溫度造成的測量誤差可忽略不計。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，制造簡單，可辨別彎曲方向且具有低溫度交叉敏感特性。在將來，通過級聯(lián)多個由不同中心波長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曲率測量，有望在橋梁隧道等建筑的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、柔性可穿戴設(shè)備的真實信息反饋和仿生機器人的動作捕捉等應(yīng)用中發(fā)揮重要的作用。

05 作者簡介

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內(nèi)領(lǐng)先地位;系統(tǒng)開展了光纖功能微結(jié)構(gòu)的飛秒激光微納加工技術(shù)及物理研究。主持和參加了國防973、國家自然科學(xué)基金重大項目、國家自然科學(xué)基金航空發(fā)動機重大研究計劃培育項目、國家863項目等。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)國家發(fā)明專利10余項。研究成果獲得教育部自然科學(xué)獎一等獎一項、吉林省科學(xué)技術(shù)獎一等獎一項。

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)專業(yè)攻讀博士學(xué)位。目前研究方向為微納光纖傳感器。

審核編輯：湯梓紅