一种基于环形芯光纤长周期光栅包层模式共振的、具有广泛测量范围和高灵敏度的曲率传感器

《Optical Fiber Technology》：A wide range and high-sensitivity curvature sensor based on cladding mode resonance of ring-core fiber long-period gratings

本文提出了一种基于环型芯光纤（RCF）包层模式共振（CMR）的长周期光栅（LPG）宽范围高灵敏度弯曲传感器。实验表明，该传感器在0至4.023 m?1范围内可实现6.04 dB/m?1的灵敏度，并具备双向弯曲方向的明确识别能力，同时表现出良好的重复性和温度稳定性。

　　

郭宇涛|潘飞|胡梦颖|陈思宇|苏航|刘云琦|赵新怡|赵云鹤

上海海事大学物流科学与工程学院，中国上海201306

摘要

本文提出了一种基于长周期光栅（LPGs）的包层模式共振（CMR）技术的宽范围高灵敏度曲率传感器，该传感器应用于多模环形芯光纤（RCF）中。理论验证表明，这种具有环形芯的多模RCF能够支持芯模式和包层模式。所选的LP₀₅包层模式在宽范围内具有优异的曲率检测性能。实验中，在相位匹配条件下，使用CO₂激光在RCF-LPGs中成功激发了LP₀₅模式。当光栅周期为496 μm时，LP₀₅ CMR对相反方向的弯曲表现出明显的强度响应，曲率灵敏度在0–4.023 m^?1的宽范围内达到6.04 dB/m^?1，从而实现了在整个范围内的明确弯曲方向识别。重复测量和多样品测试证实了其性能的稳定性和可重复性。这种提出的强度调制LPGs传感器同时具备宽范围、双向灵敏度和稳定的方向识别能力，为结构健康评估和机器人系统中的高精度曲率监测开辟了新的可能性。

引言

曲率测量在高精度运动控制和结构健康监测中尤为重要，例如控制机械臂、航天器机翼的变形，以及建筑物或桥梁的结构变形[1]、[2]、[3]。具有抗电磁干扰、环境适应性和曲率检测潜力的光纤光栅传感器已被广泛研究[4]、[5]、[6]、[7]、[8]。其中，长周期光栅（LPGs）曲率传感器可以通过共振波长移动或分离来检测弯曲，这一技术已在单模光纤（SMF）[9]和特殊光纤[10]、[11]中实现。特别是，LPGs为强度调制曲率传感器提供了有效的方法[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。例如，赵等人报告称，小周期LPGs在0–1.2 m^?1范围内表现出22.463 dB/m^?1的曲率灵敏度[12]。然而，大多数报道的基于强度的LPGs曲率传感器受到测量范围的限制，或缺乏方向识别能力。

近年来，由于独特的传输特性，支持有限数量导模传播的多模光纤（FMF）成为曲率检测的有前景的解决方案[17]。FMF能够独立使用每个导模进行光学检测，这常用于各种测量范围的曲率检测[18]、[19]、[20]。光纤技术的进步使FMF从传统的阶跃折射率设计发展为具有更佳模态控制能力的特殊几何结构。例如，环形芯光纤（RCF）具有芯区和包层区之间较大的折射率（RI）差异，能够支持分离良好的高阶模，这种结构最初是为模式分复用系统开发的[21]、[22]、[23]、[24]。此外，RCF的特殊设计显著增加了基模和包层模式之间的光程差，为光纤传感提供了潜在途径。在我们之前的工作中，使用RCF中的LP₁₁芯模式和单侧刻写的LPGs成功实现了宽范围的曲率测量，验证了0–9.466 m^?1范围内的灵敏度为0.879 dB/m^?1[25]。因此，将LPGs集成到RCF中在宽范围曲率测量中具有前景。

本文提出了一种基于RCF-LPGs包层模式共振（CMR）的宽范围、高灵敏度和方向性曲率传感器。理论上，RCF可以支持高阶芯模式并有效激发包层模式，其中包层模式对光纤弯曲更为敏感。实验中，使用CO₂激光在RCF中刻写了LPGs，以选择性激发LP₀₅包层模式。LP₀₅ CMR能够在整个0–4.023 m^?1的测量范围内明确区分弯曲方向，最大强度灵敏度为6.04 dB/m^{?1₀₅ CMR的温度特性分析表明其热交叉敏感性极低，说明温度影响可以有效地被缓解。因此，基于CMR的RCF-LPGs为实现实用、方向感知的曲率检测提供了有前景的途径，具有扩展的宽范围和高灵敏度测量能力。}

设计与制造

本研究中使用的多模RCF（来自YOFC）具有三层结构，如图1(a)所示，包括内包层、外包层和嵌入有高RI环形槽的环形芯。芯和包层的RI分别为1.459和1.444。尺寸规格详见图1(b)，环形芯的半径为7.6 μm，径向宽度为4.2 μm，内包层和外包层的半径分别为3.4 μm和62.5 μm。图1(c)展示了...

传感结果与讨论

图7(a)展示了方向曲率传感的实验装置示意图。两个光纤固定器被牢固安装，允许精确调整间距和垂直对齐，其中一个固定器集成了电动平移台，以实现可控和可重复的位置调节。图7(b)显示了已弯曲的光纤图像。选定的RCF-LPGs的曲率传感测量结果已详细实验验证...

结论

总之，本研究证明了刻写在RCF中的LPGs具有曲率检测的包层模式传感能力。理论分析和实验结果证实，RCF-LPGs能够有效激发包层模式，实现在0到4.023 m^?1范围内的强度调制曲率检测。通过使用单侧CO₂激光刻写，传感器对相反方向的弯曲表现出明显的强度响应，灵敏度达到6.04 dB/m^?1

CRediT作者贡献声明

郭宇涛：撰写——原始草稿、可视化、方法论、研究。潘飞：可视化、形式分析、数据整理。胡梦颖：验证。陈思宇：软件开发。苏航：形式分析。刘云琦：监督、资源协调。赵新怡：项目管理、资金筹集。赵云鹤：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、方法论、资金筹集、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（62005157、62305106）的支持。