基于改进级联反射式Lyot滤波器和FPI的光纤游标传感器研究

为解决光纤温度与应变传感器(FTSS)灵敏度不足的问题，研究人员创新性地将反射式Lyot滤波器(RLF)与法布里-珀罗干涉仪(FPI)微腔结合，构建了改进级联(M-cascading)结构的光纤游标传感器。实验表明，该传感器在温度、轴向应变和扭转测试中分别实现22.23 nm/°C、-25.29 pm/με和-85.8 pm/°的高灵敏度，放大因子达～13.5倍，兼具稳定性与易制备优势，为高精度工程监测提供了新方案。

　　

在环境监测和工业测量领域，光纤传感器凭借轻量化、低损耗和抗电磁干扰等优势成为研究热点。然而，传统光纤光栅器件虽稳定性优异，但其温度响应仅约10 pm/°C，应变灵敏度局限在2 pm/με量级，难以满足高精度需求。尽管通过错位熔接、锥形微纳加工等技术可提升灵敏度，但复杂工艺和低良率制约了实用性。与此同时，基于游标效应的放大机制为突破灵敏度瓶颈提供了新思路——通过两个自由光谱范围(FSR)相近的干涉仪叠加产生放大效应，但现有研究对条纹可见度优化关注不足。

大庆师范学院的研究团队在《Optical Fiber Technology》发表论文，提出一种基于金膜涂覆偏振保持光纤(PMF)的反射式Lyot滤波器(RLF)，与空芯光纤(FPI)构建新型光纤游标传感器。研究通过对比并联、级联和改进级联(M-cascading)三种配置，发现双环行器结构的M-cascading可使上下包络可见度均超过5.2 dB。当FPI腔长匹配时，传感器在温度、轴向应变和扭转测试中分别展现出22.23 nm/°C、-25.29 pm/με和-85.8 pm/°的灵敏度，平均放大因子达13.5倍，且具备制备简便、稳定性高的特点。

关键技术包括：1）磁控溅射法制备10 nm金膜反射端；2）通过偏振控制器(PC)调节RLF的偏振态；3）采用空芯光纤(HCF)构建FPI微腔；4）使用双环行器实现M-cascading光路优化；5）通过光学频谱分析仪(OSA)记录1520-1610 nm波段响应。

原理部分
RLF由偏振器、PC和PMF构成，入射光经偏振器形成线偏振光，通过PC调整与PMF慢轴夹角后，在涂金端反射形成双光束干涉。其FSR由PMF长度(L_PMF)决定，与FPI的FSR差值产生游标效应。理论分析表明，当两干涉仪相位差Δφ=2πΔL/λ时，叠加光谱会出现周期性包络，其放大倍数K≈FSR_RLF/(FSR_RLF-FSR_FPI)。

实验结果
采用L_PMF=100.29 cm的RLF与腔长匹配的FPI进行测试：

• 温度响应：M-cascading配置灵敏度达22.23 nm/°C，是单一RLF的13.3倍；
• 轴向应变：灵敏度-25.29 pm/με，线性度达0.996；
• 扭转传感：在0-360°范围内呈现-85.8 pm/°的响应，且滞后误差低于4.8%。

结论与意义
该研究通过创新性M-cascading结构解决了游标传感器包络可见度低的难题，首次在单一系统中同步实现温度、应变和扭转的高灵敏度检测。22.23 nm/°C的温度响应远超传统光纤光栅（约10 pm/°C）和多数模态干涉仪（约100 pm/°C），-85.8 pm/°的扭转灵敏度较文献报道的3.87 nm/(rad/m)提升显著。双环行器设计既避免了并联结构的光能分散问题，又克服了传统级联的串扰缺陷。研究成果为电力设备、航空航天等领域的多参数高精度监测提供了可靠解决方案，其金膜涂覆工艺和腔长匹配方法对下一代光纤传感器设计具有普适指导价值。