封面展示了利用直寫波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)光信號(hào)空分復(fù)用的多芯光纖矢量位移傳感器。通過飛秒激光直寫技術(shù)在多芯光纖中制備耦合波導(dǎo)，可以將中間芯的傳輸光高效耦合至側(cè)芯之中，因此將多芯光纖與單模光纖熔接即可實(shí)現(xiàn)多芯光纖傳輸信號(hào)的空分復(fù)用。進(jìn)一步地，在多芯光纖不同側(cè)芯內(nèi)寫制光纖布拉格光柵（FBG），并基于不同側(cè)芯對(duì)光纖彎曲應(yīng)變的各向異性響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)矢量位移測量。該傳感器提供了一種緊湊性高且有利于快速解調(diào)的傳感方案，有望在智能機(jī)械、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測等領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。

研究背景

     光纖型矢量彎曲/位移傳感器具有可柔性傳輸、體積小巧、抗電磁干擾和生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)，在智能機(jī)械、形狀監(jiān)測、裂紋生長監(jiān)測等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。近年來，國內(nèi)外研究學(xué)者提出了各種基于光纖彎曲來實(shí)現(xiàn)位移測量的緊湊型傳感器件。其中，多芯光纖光柵型矢量位移傳感結(jié)構(gòu)因具備多維度測量及靈敏度、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，成為矢量位移傳感器領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)之一。

     然而，在多芯光纖光柵型矢量位移傳感器的實(shí)際應(yīng)用中，往往不可避免地需要使用扇入扇出器件以實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)解調(diào)。這不僅給光纖的拼接、熔接增加了難度，降低了傳感系統(tǒng)的緊湊性和解調(diào)效率，還提升了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性，給現(xiàn)有的實(shí)際應(yīng)用帶來了限制。為了實(shí)現(xiàn)緊湊性更高、響應(yīng)速度更快的多芯光纖傳感系統(tǒng)，對(duì)多芯光纖中復(fù)用的多路光信號(hào)實(shí)現(xiàn)小型化快速解調(diào)是一項(xiàng)重要挑戰(zhàn)。

     近年來，飛秒激光直寫技術(shù)被廣泛應(yīng)用在光纖等載體中制造各種微結(jié)構(gòu)。利用該技術(shù)，既可以較容易地在各種光纖中制備FBG，也可以在光纖無損的情況下，利用其折射率改性的特點(diǎn)，在光纖內(nèi)部制造用于導(dǎo)光的耦合波導(dǎo)通道。因此，通過該技術(shù)直接在多芯光纖中同時(shí)刻寫用于傳感的FBG和用于傳導(dǎo)多路傳感信號(hào)的耦合波導(dǎo)，可以實(shí)現(xiàn)傳感結(jié)構(gòu)和扇入扇出結(jié)構(gòu)的一體化制備。

創(chuàng)新工作

     基于飛秒激光直寫技術(shù)，深圳大學(xué)王義平教授團(tuán)隊(duì)提出了一種利用單通道測量多路信號(hào)的多芯光纖布拉格光柵（FBG）二維矢量位移傳感結(jié)構(gòu)。通過在多芯光纖的中間芯和側(cè)芯中分別刻寫FBG，并進(jìn)一步制備能夠連接中間芯與側(cè)芯的直耦合波導(dǎo)，可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)纖芯復(fù)用多路傳感光信號(hào)的功能。基于該傳感結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了方向角為0°~360°的二維矢量位移傳感測試，對(duì)方向角的測試結(jié)果進(jìn)行了計(jì)算重構(gòu)，并比較了實(shí)際施加角度與計(jì)算重構(gòu)角度之間的誤差。

     圖1（a）展示了所制備傳感結(jié)構(gòu)的應(yīng)用原理。通過簡單地將單模光纖（SMF）的纖芯與七芯光纖（MCF）的中間芯熔接，光信號(hào)即可從中間芯通過波導(dǎo)傳輸?shù)絺?cè)芯中，在經(jīng)過FBG的反射后，再次通過波導(dǎo)返回至中間芯，最終反射回單模光纖中。一旦FBG的反射信號(hào)由于光纖發(fā)生彎曲等變化而變化，則可以通過單模光纖中傳輸回來的光進(jìn)行解調(diào)，從而獲得低成本、低復(fù)雜度和高緊湊性的光纖矢量位移傳感結(jié)構(gòu)。圖1（b）和圖1（c）分別展示了所制備的耦合波導(dǎo)和FBG的俯視顯微形貌圖。

圖1 利用飛秒激光直寫技術(shù)制備耦合波導(dǎo)及FBG結(jié)構(gòu)的應(yīng)用原理及顯微圖。（a）應(yīng)用原理；（b）耦合波導(dǎo)顯微圖（俯視）；（c）FBG顯微圖（俯視）

     圖2展示了基于所制備結(jié)構(gòu)的七芯光纖端面出光分布情況。實(shí)驗(yàn)中，首先利用可調(diào)諧激光光源和黑白CCD探頭測試了該傳感結(jié)構(gòu)的端面光出射情況。通入波長為1550.00 nm 的輸入光，在七芯光纖出射端的后方焦平面處進(jìn)行CCD直接成像，結(jié)果如圖2（a）所示，可以觀察到端面只有三個(gè)纖芯出光，其中包括一個(gè)中間芯和兩個(gè)方位角相差60°的側(cè)芯。然后，利用另一激光光束分析儀的CCD探頭及其配套的彩色成像激光光束分析軟件，同樣通入波長為1550.00 nm的輸入光，測試了該端面的出射模場強(qiáng)度分布，結(jié)果如圖2（b）和圖2（c）所示。

圖2 通過黑白CCD和彩色激光光束分析儀得到的七芯FBG及耦合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的端面出光分布。（a）黑白CCD成像結(jié)果；（b）彩色二維模場分布；（c）彩色三維模場分布

     為了驗(yàn)證傳感結(jié)構(gòu)的應(yīng)用特性，對(duì)不同位移量下傳感結(jié)構(gòu)的方向響應(yīng)進(jìn)行了測試和比較，如圖3所示。另外，測試了傳感器在不同位移量下的方向響應(yīng)，結(jié)果表明傳感器的方向響應(yīng)始終呈近似正弦分布。最后，測試了傳感器在不同方向角下的位移響應(yīng)，得到最大位移靈敏度為0.28 nm/mm。

圖3 傳感結(jié)構(gòu)的位移方向及位移響應(yīng)。（a）在不同位移量大小下FBG2的位移方向響應(yīng)；（b）在不同位移量大小下FBG3的位移方向響應(yīng)；（c）在不同位移方向下FBG2的位移響應(yīng)；（d）在不同位移方向下FBG3的位移響應(yīng)

后續(xù)工作展望

     后續(xù)，本研究將主要從傳感結(jié)構(gòu)的制備效率和傳感性能兩方面進(jìn)行優(yōu)化。在制備效率方面，首先將通過空間光整形的方式，擴(kuò)大飛秒激光的聚焦光斑面積，從而實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)的單次掃描制備，避免多次掃描加工；另外，將研究基于圖像識(shí)別的自動(dòng)化刻寫方式，一次性自動(dòng)制備波導(dǎo)及FBG結(jié)構(gòu)，從而顯著提高制備效率。在傳感性能方面，為了進(jìn)一步提高傳感結(jié)構(gòu)的靈敏度，將選用纖芯間距更大的多芯光纖，同時(shí)減小FBG的長度；另外，將嘗試在光纖的不同空間位置處分別刻寫FBG，提高傳感結(jié)構(gòu)的傳感點(diǎn)數(shù)。

     未來，隨著超快激光微納加工技術(shù)和傳感系統(tǒng)解調(diào)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，該傳感器將有望通過更高的制備效率和更大的復(fù)用容量，應(yīng)用于長距離分布式矢量傳感。

參考文獻(xiàn)： 中國光學(xué)期刊網(wǎng)

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