基于阶跃折射率包层调制的超高灵敏度LPFG扭转传感器研究

本文创新性地提出一种阶跃型长周期光纤光栅（ST-LPFG）扭转传感器，通过CO2激光抛光与预扭技术相结合，显著提升相邻凹槽间的折射率差异，增强椭圆双折射效应。实验表明该传感器在-18.48 rad/m范围内扭转灵敏度达0.45 nm/(rad/m)，温度灵敏度为65 pm/°C（20-110°C），为工程测量领域提供了高性能传感新方案。

　　

亮点

本文提出的阶跃结构通过两种耦合机制增强线性双折射：（1）扩大包层折射率调制的表面覆盖范围；（2）主动打破光纤的圆周对称性。结合预扭工艺引入的残余应力，实现了椭圆双折射的协同增强。

讨论

与传统LPFG传感器相比，本研究的阶跃式凹槽分布使扭转灵敏度提升超10倍（达0.45 nm/rad/m）。非对称灵敏度现象（-18.48 rad/m范围内0.45 nm/(rad/m) vs 正扭转范围0.362 nm/(rad/m)）源于椭圆双折射的非均匀调制，这为后续优化提供了明确方向。

结论

通过160°预扭角制备的传感器展现出最佳性能，其阶跃式包层调制机制通过增加相邻凹槽间折射率对比度，为单模光纤（SMF）扭转传感开辟了新路径。该设计在航空航天结构健康监测（SHM）等领域具有重要应用潜力。

作者贡献声明

康建阳：文稿撰写/数据分析；杜春雷：项目管理；王远冲/夏良平：资金支持；曾康靖：数据整理；白云峰：项目协调；党穗湖：经费获取；王兴凯：形式分析。

伦理声明

本研究不涉及任何人类或动物实验。

原创性与版权

• 本文为原创且未投他处

• 所有图表均为原创或已获授权

基金支持

本研究获重庆市高校与中科院院所合作项目（HZ2021014）、重庆市技术创新重点专项（CSTB2022TIAD-KPX0196）等资助，资助方未干预研究决策。