一种新型的低温度交叉敏感度可辨别方向的曲率传感器
作者：于永森 潘学鹏
01 导读
基于光纤光栅的曲率传感器具有较高的应用价值和广泛的应用前景，如桥梁、隧道等建筑物的结构健康监测，柔性可穿戴设备的真实信息反馈和仿生机器人的动作捕捉等。为了实现光纤传感器对弯曲参数的高精度稳定测量，排除测量过程中如温度等外界因素的交叉敏感影响则显得尤为重要。此外，紧凑的结构、高机械强度、低制造成本和便捷的制造方法也是光纤弯曲传感器的大规模推广应用几大要素。针对以上要求，吉林大学于永森教授团队潘学鹏等人提出了一种基于啁啾光纤布拉格光栅-法布里珀罗干涉仪(CFBG-FPI，chirped fiber Bragg graTIng Fabry-Perot interferometer)的曲率传感器。通过飞秒激光逐点直写法，错位并行的啁啾光纤布拉格光栅被刻写在光纤纤芯内以构成光纤法布里珀罗干涉仪，制备了低温度交叉敏感、可辨别弯曲方向的曲率传感器。研究成果分别以“Femtosecond laser inscribed chirped fiber Bragg graTIngs”和“OrientaTIon-discriminaTIng curvature sensor based on chirped fiber Bragg grating Fabry-Perot interferometer”为题在Optics Letters杂志上发表，通讯作者为吉林大学于永森教授，第一作者为博士研究生潘学鹏。
02 研究背景
光纤曲率传感器具有尺寸小、灵敏度高、可波分复用、几何结构适应性强等优势，有望在桥梁、隧道等建筑物的结构健康监测，柔性可穿戴设备的真实信息反馈和仿生机器人的动作捕捉等应用场景大放异彩。然而，目前报道的大多数光纤曲率传感器或多或少地存在一些缺陷如温度和应力等外界物理量的交叉敏感，传感器结构复杂，制造工艺繁琐，需要用到特种光纤等。这些缺陷在一定程度上影响了光纤曲率传感器的大规模广泛应用和在使用过程中对于曲率测量的精确度。
基于以上特点和需求，为了能低成本、简单便捷地制造出低交叉敏感、结构紧凑、机械强度高的光纤曲率传感器，本团队创新地提出了一种基于错位并行啁啾光纤布拉格光栅结构的法布里珀罗干涉仪曲率传感器，很好地解决了温度交叉敏感问题，且传感器制造方法简单，结构紧凑，机械强度较高，为光纤曲率传感器的发展提供了一种极具竞争力的方案。
03 创新研究
3.1 飞秒激光制备啁啾光纤布拉格光栅
线性啁啾光纤布拉格光栅的光栅周期(或折射率)随光纤轴向线性变化，相对于普通的光纤布拉格光栅，其具有更大的半峰宽，被广泛应用于光纤滤波器、锁模光纤激光器和光电振荡器等场景。通过引入依赖于波长的差分群延迟，啁啾光纤布拉格光栅还可以在光纤通讯领域中实现色散补偿的功能，具备高兼容性和低插入损耗等优势。此外，由于啁啾光纤布拉格光栅的不同光栅位置的周期不同，所对应的布拉格波长也不同，这使其具备了测量局部事件的能力，如热点和温度场的探测、裂纹位置的感应和液位深度的测量等。通过设计啁啾光纤布拉格光栅的长度和啁啾率等参数，最终可以获得亚毫米级别的空间分辨能力，在几毫米到几十厘米的范围内实现高精度的分布式传感。同时，通过级联啁啾光纤布拉格光栅的方法，较大尺度范围的高精度分布式传感也有望实现。
传统的制造啁啾光纤布拉格光栅的方法是相位掩模法，然而，通过这种方法制备的光栅会受限于掩膜版的参数如周期和长度等。此外，还有通过对均匀布拉格光栅进行二次加工的方法来实现啁啾光纤布拉格光栅的制造如拉锥和刻蚀等，这些方法制得的啁啾光纤布拉格光栅的参数难以精确控制，机械强度较差，制造工艺复杂。
为了解决以上问题，本团队通过使用飞秒激光逐点直写法，通过515nm飞秒激光对单模光纤进行匀变速扫描，实现了啁啾光纤布拉格光栅的制备。所制备的光栅的各项参数灵活可调，如啁啾率，光栅长度和反射率等。如图1所示，1030nm飞秒激光通过倍频晶体、准直光路和60倍油浸物镜聚焦到光纤纤芯内，通过控制三维位移台进行匀加速运动，调整位移台的始末运动速度，最终可制备得到不同啁啾率的啁啾光纤布拉格光栅。通过控制飞秒激光单脉冲能量的大小，光栅的反射率灵活可调。
图1 飞秒激光在单模光纤中制造啁啾光纤布拉格光栅
图源: Optics Letters (2021)https://doi.org/10.1364/OL.422576 (Fig. 1)
3.2 可辨别弯曲方向的光纤曲率传感器
通过飞秒激光逐点直写法，两个具有相同长度和啁啾率的啁啾光纤布拉格光栅被刻写在单模光纤内。两光栅在光纤纤芯内呈错位并行式排布，通过设计两个光栅的前后间距以构成法布里珀罗干涉仪。如图2所示。
图2 光纤弯曲传感器的制造
图源: Optics Letters (2022)https://doi.org/10.1364/OL.465052(Fig. 1)
两个啁啾光纤布拉格光栅的半峰宽为12nm，从光源出射的光在经过两个光栅时被依次反射相同波长的光，这为干涉腔提供了相干光，光栅的前后距离则构成了法布里珀罗干涉仪的腔长。我们设计并制造了不同腔长的啁啾光纤布拉格光栅-法布里珀罗干涉仪(CFBG-FPI)并分别通过光谱分析仪测量了其光谱，为了得到更优的光谱形貌和获得最佳的曲率测量效果，我们最终选取了腔长L为250μm的干涉仪，最终得到法布里珀罗干涉仪的反射光谱如图3所示。
图3 法布里珀罗干涉仪的反射光谱
图源: Optics Letters (2022)https://doi.org/10.1364/OL.465052(Fig. 2)
3.3 曲率和交叉敏感度的测量
曲率测量系统示意图如图4所示，光纤的传感区域被贴在金属薄片上，通过控制金属薄片的曲率可控制光纤弯曲的大小。光源中出射的光经过环形耦合器进入曲率传感区域，两个啁啾光纤布拉格光栅构成的法布里珀罗干涉仪曲率传感器在感知金属薄片的曲率变化后，分别将不同的反射光谱通过环形耦合器反射到光谱分析仪内，通过光谱分析仪测量干涉仪的反射谱以计算光纤弯曲的曲率。
图4 曲率测量系统示意图
图源: Optics Letters (2022)https://doi.org/10.1364/OL.465052(Fig. 5)
在实验中，为了便于观察，选取了波长为1554.08nm的干涉峰用于曲率测量，在弯曲变化过程中，干涉峰的光谱变化情况和拟合图如图5所示(图中负号表示相反的弯曲方向)。由图5(a)可知，在两个相反的弯曲方向上，干涉峰的强度分别呈变强和变弱的趋势，这是由于在两个相反的弯曲方向上，两个啁啾光纤布拉格光栅的反射强度差发生了不同幅度的改变。具体来说，CFBG1的反射率大于CFBG2，当光纤向下弯曲时，CFBG1在弯曲中损耗的能量大于CFBG2损耗的能量，那么在向下弯曲过程中，两个光栅反射的能量差减小，即相干光振幅更接近，使干涉的条纹对比度变强，干涉波谷的能量变低;而在弯曲方向相反时，两个光栅反射的能量差变大，相干光振幅差变大，使干涉的条纹对比度变弱，干涉波谷的能量变高，因此该传感器可辨别不同的弯曲方向。干涉峰的强度R和光纤的弯曲曲率C之间的关系可由等式R=-0.413C2+3.691C-24.751表示，在曲率为-1.5m-1时，传感器的灵敏度达到了4.93 dB/m-1。
图5 曲率测量光谱图和拟合图
图源: Optics Letters (2022)https://doi.org/10.1364/OL.465052(Fig. 6)
为了进一步探究该曲率传感器的交叉敏感特性，我们对该传感器进行了温度测试。在室温到800℃的温度变化过程中，波长位于1554.08nm的干涉峰的光谱变化如图6(a)所示，峰强度拟合图如图6(b)所示，干涉峰强度关于温度的灵敏度为2.31×10-4 dB/°C，相对于4.93 dB/m-1的弯曲灵敏度，交叉敏感度为4.7×10-5 m-1/°C，可忽略不计。
图6 温度测量光谱图和拟合图
图源: Optics Letters (2022)https://doi.org/10.1364/OL.465052(Fig. 8)
04 应用与展望
本团队提出了一种新型的低温度交叉敏感度可辨别方向的曲率传感器。当传感器的曲率半径发生变化时，干涉峰的深度也会发生相应的变化，且这种变化趋势会随着弯曲方向的改变而发生明显的变化，因此该传感器还可以用于辨别弯曲方向。由于温度变化对干涉峰深度变化影响微乎其微，该传感器实现了低至约2*10-5m-1/℃的交叉敏感度，温度造成的测量误差可忽略不计。所提出的基于啁啾光纤布拉格光栅-法布里珀罗干涉仪曲率传感器结构紧凑，制造简单，可辨别弯曲方向且具有低温度交叉敏感特性。在将来，通过级联多个由不同中心波长的啁啾光纤布拉格光栅构成的法布里珀罗干涉仪还可以用于多点曲率测量，有望在桥梁隧道等建筑的结构健康监测、柔性可穿戴设备的真实信息反馈和仿生机器人的动作捕捉等应用中发挥重要的作用。
05 作者简介
于永森(论文通讯作者) 教授/博士生导师
于永森(通讯作者)吉林大学电子科学与工程学院，唐敖庆特聘英才教授。主要从事国防领域中高温光纤传感器及系统研究，特别是蓝宝石晶体光纤光栅高温传感的研究处于国内领先地位;系统开展了光纤功能微结构的飞秒激光微纳加工技术及物理研究。主持和参加了国防973、国家自然科学基金重大项目、国家自然科学基金航空发动机重大研究计划培育项目、国家863项目等。在 Optics Letters 和 IEEE等行业知名杂志发表学术论文60余篇，授权国家发明专利10余项。研究成果获得教育部自然科学奖一等奖一项、吉林省科学技术奖一等奖一项。
潘学鹏(论文第一作者) 博士研究生
潘学鹏，2017年在吉林大学电子科学与工程学院获学士学位，现于吉林大学微电子学与固体电子学专业攻读博士学位。目前研究方向为微纳光纤传感器。
