01 導讀
基于光纖光柵的曲率傳感器具有較高的應用價值和廣泛的應用前景，如橋梁、隧道等建筑物的結構健康監測，柔性可穿戴設備的真實信息反饋和仿生機器人的動作捕捉等。為了實現光纖傳感器對彎曲參數的高精度穩定測量，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，緊湊的結構、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模推廣應用幾大要素。針對以上要求，吉林大學于永森教授團隊潘學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以構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雜志上發表，通訊作者為吉林大學于永森教授，第一作者為博士研究生潘學鵬。
02 研究背景
光纖曲率傳感器具有尺寸小、靈敏度高、可波分復用、幾何結構適應性強等優勢，有望在橋梁、隧道等建筑物的結構健康監測，柔性可穿戴設備的真實信息反饋和仿生機器人的動作捕捉等應用場景大放異彩。然而，目前報道的大多數光纖曲率傳感器或多或少地存在一些缺陷如溫度和應力等外界物理量的交叉敏感，傳感器結構復雜，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模廣泛應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、結構緊湊、機械強度高的光纖曲率傳感器，本團隊創新地提出了一種基于錯位并行啁啾光纖布拉格光柵結構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，結構緊湊，機械強度較高，為光纖曲率傳感器的發展提供了一種極具競爭力的方案。
03 創新研究
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域中實現色散補償的功能，具備高兼容性和低插入損耗等優勢。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、裂紋位置的感應和液位深度的測量等。通過設計啁啾光纖布拉格光柵的長度和啁啾率等參數，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實現高精度的分布式傳感。同時，通過級聯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。
傳統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難以精確控制，機械強度較差，制造工藝復雜。
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，實現了啁啾光纖布拉格光柵的制備。所制備的光柵的各項參數靈活可調，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、準直光路和60倍油浸物鏡聚焦到光纖纖芯內，通過控制三維位移臺進行勻加速運動，調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。
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。兩光柵在光纖纖芯內呈錯位并行式排布，通過設計兩個光柵的前后間距以構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成了法布里珀羅干涉儀的腔長。我們設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
曲率測量系統示意圖如圖4所示，光纖的傳感區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。光源中出射的光經過環形耦合器進入曲率傳感區域，兩個啁啾光纖布拉格光柵構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形耦合器反射到光譜分析儀內，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弱的趨勢，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生了不同幅度的改變。具體來說，CFBG1的反射率大于CFBG2，當光纖向下彎曲時，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弱，干涉波谷的能量變高，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。當傳感器的曲率半徑發生變化時，干涉峰的深度也會發生相應的變化，且這種變化趨勢會隨著彎曲方向的改變而發生明顯的變化，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構緊湊，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，通過級聯多個由不同中心波長的啁啾光纖布拉格光柵構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構健康監測、柔性可穿戴設備的真實信息反饋和仿生機器人的動作捕捉等應用中發揮重要的作用。
05 作者簡介
于永森（論文通訊作者） 教授/博士生導師
于永森（通訊作者）吉林大學電子科學與工程學院，唐敖慶特聘英才教授。主要從事國防領域中高溫光纖傳感器及系統研究，特別是藍寶石晶體光纖光柵高溫傳感的研究處于國內領先地位；系統開展了光纖功能微結構的飛秒激光微納加工技術及物理研究。主持和參加了國防973、國家自然科學基金重大項目、國家自然科學基金航空發動機重大研究計劃培育項目、國家863項目等。在 Optics Letters 和 IEEE等行業知名雜志發表學術論文60余篇，授權國家發明專利10余項。研究成果獲得教育部自然科學獎一等獎一項、吉林省科學技術獎一等獎一項。
潘學鵬（論文第一作者） 博士研究生
潘學鵬，2017年在吉林大學電子科學與工程學院獲學士學位，現于吉林大學微電子學與固體電子學專業攻讀博士學位。目前研究方向為微納光纖傳感器。
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