《Optics and Lasers in Engineering》：Multiparameter sensing by permanent macrobending deformation
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基于螺旋扭轉光纖的干涉式多參數傳感器研究，采用CO?激光設備將兩根單模光纖螺旋扭轉形成宏觀彎曲結構，光在芯層與包層間周期性耦合形成干涉效應。實驗表明，扭轉周期越小（彎曲半徑越低），衰減越大且干涉對比度越高。該傳感器對扭轉的靈敏度達-0.49nm/(rad/m)，對應變和溫度的交叉靈敏度分別為0.17(rad/m)/°C和9με/°C，具有高靈敏度低交叉敏感性優勢。相比傳統復雜光纖結構，采用商業設備實現簡單自動化制造，降低成本與系統復雜度。
作者：Jo?o Preizal, Ricardo Oliveira
研究機構：葡萄牙阿威羅市電信研究所
摘要
本文介紹了一種新型干涉結構，該結構基于兩根單模光纖，通過商用CO2激光加工設備以螺旋方式絞合并熔接在一起。這種結構產生了宏觀彎曲效應，促進了光從纖芯向包層的耦合以及反向耦合，由于纖芯和包層中光的相位差異，在傳輸光譜中形成了干涉圖案。研究結果表明，絞合周期對光譜響應有影響：較短絞合周期（即較小的彎曲半徑）會導致更大的衰減和更高的干涉條紋對比度。該結構的傳感能力針對扭轉、應變和溫度進行了評估，分別獲得了?0.49 nm/(rad/m)、–8.8 pm/με和–81 pm/°C的靈敏度。同時評估了溫度交叉敏感性，結果表明扭轉的交叉敏感性為0.17 (rad/m)/°C，應變的交叉敏感性為9 με/°C。這些結果凸顯了該結構在扭轉傳感方面的潛力，具有高靈敏度和低交叉敏感性。此外，本文還表明，使用傳統的單模光纖結構即可實現這些參數的測量，無需復雜的昂貴光纖，從而通過更簡單、自動化的制造工藝降低了成本和系統復雜性。
引言
如今，扭轉測量被廣泛應用于結構健康監測領域，包括旋轉機械部件[[1], [2], [3]]、土木工程[[4], [5], [6]]、生物醫學應用[7,8]以及航空航天系統[9,10]。測量扭轉變化可以提供必要的信息，以便及時采取適當措施，防止結構故障并確保各種操作系統的安全性。由于光纖傳感器具有抗電磁干擾的能力、緊湊的結構、輕量化特性以及與遠程和嵌入式傳感系統的兼容性，因此在這一領域受到了特別關注[3]。目前，文獻中已經提出了多種光纖傳感器用于扭轉測量，包括基于保偏光纖的光纖布拉格光柵（FBG）[11,12]、螺旋絞合光纖（HTOF）[13,14]、光纖干涉儀（如Sagnac[10]和Mach-Zehnder[15]干涉儀（MZI）]、特殊光纖上的模式耦合[12,16]或多芯光纖配置[17]。盡管這些傳感器在扭轉傳感方面表現出一定的靈敏度，但它們存在一些實際限制，如制造復雜性、靈敏度有限、扭轉、應變和溫度之間的高交叉敏感性、光纖幾何形狀復雜難以制造，或者難以將其集成到傳統系統中。
文獻中的主要挑戰在于如何在保持制造簡單性和與傳統石英單模光纖（SMF）系統兼容性的同時，實現定向扭轉靈敏度。此外，許多提出的技術在實際應用中難以實施，因為需要精確的結構對準（如多芯配置）或使用專用光纖。
在這項工作中，我們提出了一種基于MZI的新型光纖多參數傳感器，該傳感器利用宏觀彎曲效應實現功能。該傳感器使用商用CO2激光光纖加工設備制造，能夠將兩根標準單模光纖相互絞合，從而永久改變其幾何形狀。這種設備是商用設備，可以生產出實用的光纖幾何結構，并自動化完成制造過程，相比文獻中報道的其他光纖傳感器，制造過程更為簡單且成本更低。緊密的絞合周期會產生宏觀彎曲效應，使纖芯中的光泄漏到包層中，在包層與外部介質的折射率界面反射，隨后通過纖芯與包層的折射重新耦合回纖芯，從而與纖芯中的光發生干涉。我們將通過測試評估絞合周期和重復性的影響。最后，由于采用了螺旋絞合結構，還將測試其扭轉傳感能力以及應變和溫度響應。
與已報道的HTOF和MZI相比，這種傳感器的主要優勢在于制造簡單性。使用該技術無需使用昂貴的光子晶體光纖來打破對稱性，也不需要使用其他復雜的光纖，從而避免了傳統MZI或長周期光柵傳感器所需的復雜設置。
工作原理
當兩根單模光纖（SMF）沿同一軸絞合時，它們的纖芯會沿著絞合軸形成螺旋路徑。這會導致纖芯彎曲并發生形變。隨著絞合率的增加，會達到一個臨界彎曲半徑，此時部分纖芯中的光會輻射到包層區域[18]。然后，這些光會根據入射角和折射率在包層與空氣的界面反射或折射到周圍介質中。
方法
本研究使用的是兩根標準石英單模光纖（ITU G.652，來自Cabelte公司）。由于玻璃在室溫下的機械剛性，需要熱源來加熱并使光纖變形為螺旋形狀。否則，施加的應變會超出光纖的結構極限。為此，我們使用了自動化光纖加工設備（LZM-100，FUJIKURA公司）。該設備包括兩個線性階段、兩個旋轉階段等。
宏觀彎曲干涉儀結果
圖5顯示了一個4毫米周期螺旋絞合結構半周期截面的顯微鏡圖像。如圖5插圖所示，兩根光纖保持直接接觸。因此，方程（2）中的參數r可以取為62.5微米，即包層半徑。
理想情況下，組成絞合結構的每根光纖的光譜響應應該是相似的，因為問題具有對稱性。然而，如圖6所示，實際的衰減和光譜特征并不相同。
傳感應用
對于扭轉特性測量，我們監測了圖6中所示、周期為3.8毫米的結構在順時針（CW）和逆時針（CCW）方向絞合時，光纖2在1520納米處的光譜凹陷。如圖9所示，逆時針絞合時光譜凹陷向藍端移動，順時針絞合時向紅端移動。通過對實驗數據應用一階線性回歸模型，得到了?0.49的靈敏度值。
結論
本文提出了一種基于MZI的光纖傳感器，該傳感器使用商用自動化CO2光纖加工設備將兩根光纖絞合在一起。絞合周期小于7毫米，導致彎曲半徑小于1.4毫米（小于6.4毫米，這是光從反射狀態轉變為折射狀態所需的最小半徑），從而由于宏觀彎曲效應使光從纖芯泄漏到包層區域。這些光還可能在包層與空氣的界面反射。
作者貢獻聲明
Jo?o Preizal： 負責撰寫初稿、資料收集、方法論設計、數據分析及數據整理。Ricardo Oliveira： 負責審稿與編輯、項目管理和概念構思。
利益沖突聲明
作者聲明以下可能構成潛在利益沖突的財務利益/個人關系：
Jo?o Preizal表示獲得了科學技術基金會的財務支持。Ricardo Oliveira也表示獲得了科學技術基金會的財務支持。如果還有其他作者，他們聲明沒有已知的財務利益或個人關系可能影響本研究結果。
