基于有效折射率调控的可调谐M因子游标效应光纤传感器研究

研究人员针对光纤传感器灵敏度与测量范围难以兼顾的难题，创新性地提出通过调节外腔法布里-珀罗干涉仪(EFPI)有效折射率实现放大因子(M-factor)动态调谐的方案。通过建立腔长(Ls/Lr)与折射率(ns/nr)的约束条件，结合盐水溶液折射率调控实验，实现了6.5-9.5的M因子调谐范围，为多参数传感提供了新思路。

　　

在精密测量领域，游标效应(Vernier effect)如同光学放大镜，能将微小信号放大数十倍。这种通过两个自由光谱范围(FSR)略有差异的干涉仪叠加产生调制包络的技术，已在折射率、温度、应变等传感领域大显身手。然而传统游标传感器就像固定焦距的显微镜，其放大倍数(M-factor)一旦制造完成便无法调整，使得高灵敏度与宽测量范围成为"鱼与熊掌"的抉择。更棘手的是，现有调谐方案或依赖复杂虚拟游标技术，或需精密激光采样系统，犹如要求每位摄影师都配备好莱坞级调光设备，严重制约了实际应用。

针对这一瓶颈，中国电子科技大学的研究团队在《Optical Fiber Technology》发表的研究中，创新性地将"可调谐透镜"理念引入光纤传感领域。他们设计了一种基于外腔法布里-珀罗干涉仪(EFPI)的新型传感器，通过调节参考单元内液体折射率(RI)这一"光学旋钮"，实现了游标放大倍数的实时调控。这项研究不仅建立了保证游标稳定性的腔长(L_s/L_r)与折射率(n_s/n_r)约束条件，更通过盐水溶液实验验证了6.5-9.5的M-factor连续可调范围，相当于为光学传感器装上了"智能变焦镜头"。

研究团队采用三大关键技术展开攻关：首先通过理论建模确立EFPI干涉仪的FSR与波长关系，建立腔长与折射率的约束方程；其次利用COMSOL多物理场仿真分析不同L_s/n_s/n_r组合对游标包络的影响；最后采用熔接机精密制备液体可流动EFPI传感器，通过盐水浓度梯度实验验证折射率调控效果。

在"传感器设计与仿真"部分，研究发现当传感腔长L_s为80μm、参考腔长L_r为72μm时，调节参考单元折射率n_r从1.34至1.38，可使失谐因子Δ从0.1变化至0.15，对应M-factor产生1.5倍调谐范围。仿真结果特别指出，保持n_sL_s/n_rL_r比值在1.05-1.2区间是保证清晰游标包络的关键。

"传感器制备与实验"章节显示，采用单模光纤(SMF)桥接结构的EFPI传感器，在注入不同浓度盐水时，实测M-factor变化趋势与仿真吻合度达92%。特别值得注意的是，当参考单元折射率调至1.36时，系统同时获得了9.2的放大倍数和0.08nm/με的应变灵敏度，打破了传统传感器"高敏即窄量程"的魔咒。

这项研究的创新之处在于将"折射率调控"这一化学手段引入光学传感领域，犹如在物理定律中开辟了一条柔性调节通道。研究建立的参数约束框架为后续设计提供了普适性指导，而采用的液体可流动EFPI结构更启示了温度、应变等多功能传感器的开发方向。正如作者Yujia Wang和Xianping Fu在结论中指出，这种调谐方法无需复杂硬件改造，仅通过改变环境介质属性即可实现性能优化，为工业现场应用的适应性升级提供了全新思路。该成果获得国家自然科学基金和国家重点研发计划的支持，预示着这种"光学变焦"技术将在生物医学检测、工业物联网等领域展现广阔前景。