单纤三维形状传感基于飞秒激光刻写的正交偏心散射体

　　

光纤传感器已经成为软机器人和微创医疗设备中高精度形状检测的有力平台。然而，现有光纤传感架构在器件尺寸和空间分辨率之间面临长期存在的权衡。本研究报道了一种基于错位正交偏心散射体（misplaced orthogonal eccentric scatterers, MOESs）的微型化三维形状传感系统，这些散射体密集地刻写在标准单模光纤的包层中。MOESs阵列通过可扩展的卷对卷飞秒激光写入工艺制造。每个MOES元件作为一个依赖于曲率的瑞利散射体（Rayleigh scatterer），其错位正交排列在单个纤芯内空间编码了完整的3D变形信息。实验结果表明了高保真二维弯曲和全三维变形重建。强度域重建算法进一步展现出对环境扰动的强免疫性。该方法定义了一种紧凑、低成本、高保真光纤传感器的新范式，为在非结构化和动态环境中的应用铺平了道路。

**论文解读：基于飞秒激光刻写正交偏心散射体的单纤三维形状传感**

**研究背景与问题**

软体机器人因其卓越的柔顺性、灵活性和鲁棒性，在管道检测、药物递送和微创手术等领域取得了突破性进展。随着应用场景的扩展，对核心组件（驱动、传感和控制）的集成度和简化需求日益增强，其中传感系统为驱动和控制提供导航基础，尤其需要高精度、高分辨率的三维空间位置与姿态监测。传统电学传感器（如电阻式、电容式）在可重复性和大规模集成方面面临挑战，限制了其在软体机器人中的进一步应用。光纤传感技术凭借其紧凑尺寸、灵活性、高精度、抗电磁干扰和原位监测等优势，成为替代方案。然而，现有光纤形状传感架构在器件尺寸与空间分辨率之间长期存在矛盾：分布式光频域反射计（optical frequency domain reflectometry, OFDR）和准分布式光纤布拉格光栅（fiber Bragg grating, FBG）技术通常需要多芯光纤或多通道光纤束作为载体，导致传感器尺寸较大；而单通道FBG受限于光源带宽，传感点数有限；单通道OFDR虽能连续测量，但缺乏波长标记，无法区分二维弯曲角度。因此，迫切需要一种新型传感方案，能同时实现高空间分辨率、可靠特征识别和紧凑架构。

**研究目标与意义**

本研究提出并验证了一种基于错位正交偏心散射体（MOESs）阵列的新型光纤变形编码技术，用于单纤三维形状传感。研究人员通过飞秒激光直写技术在标准单模光纤包层中密集刻写MOESs，利用其空间错位排列将三维变形信息映射到单个纤芯的散射强度变化中，从而克服了尺寸与分辨率的权衡。该传感器仅使用单芯标准单模光纤，无需多通道解调设备，实现了近乎极限的小型化；散射体光谱无关，传感点数仅受损耗限制；弯曲信息通过强度变化获取，对温度和应变干扰具有强免疫性。这一工作为紧凑、低成本、高保真光纤传感器定义了新范式，有望推动非结构化和动态环境中的软体机器人形状感知、微创手术导航等应用。

**主要关键技术方法（不超过250字）**

研究人员采用改进的卷对卷飞秒激光直写系统（中心波长515 nm，脉宽300 fs，单脉冲能量0.5 μJ），结合光纤旋转夹具和长距离平移台，在标准单模光纤包层中制备MOESs阵列。每个散射体偏心约4 μm，相邻散射体轴向错位2.5 mm并正交排列（旋转90°）。OFDR系统（扫描宽度42 nm，中心波长1566 nm，空间分辨率100 μm）仅用于定位和量化散射体的后向散射增强峰，三维变形信息通过散射体的空间错位而非波长域特征编码。重建算法基于Frenet-Serret框架，通过测量弯曲引起的强度变化计算曲率和角度，再经插值和数值积分获得空间坐标。

**研究结果**

**MOESs阵列形状编码方案**
通过分析包层增强散射结构，发现单个偏心散射体在OFDR后向散射剖面中呈现显著增强峰，其强度取决于散射体与探测光场分布的重叠。利用正交散射体的空间错位（错位距离大于OFDR空间分辨率），可将正交方向信号在时间上分离，从而区分二维弯曲方向。实验表明，散射体调制区域存在微孔（库仑爆炸）和纳米光栅结构，具有卓越稳定性。不同偏心距离的散射体后向散射强度与模场高斯分布轮廓一致，选择偏移小于6 μm以保证清晰信号。

**2D弯曲测量**
制备了1.13米长、含450个散射体的MOESs光纤（传感分辨率2.5 mm），总插入损耗仅0.38 dB。在9 cm传感段（36个散射体）上，每个散射体信号增强超过30 dB，振幅差异小于5 dB。通过固定曲率轨道和旋转装置，测量不同弯曲曲率（20 m^-1）和角度下的强度变化，正交散射体强度呈正弦变化且相位差90°，验证了二维弯曲测量能力。曲率灵敏度s约为0.05 dB/m^-1，且在整个实际曲率范围（~200 m^-1）内散射增强峰仍可分辨。

**3D形状传感**
基于Frenet-Serret框架重建流程：首先记录直线状态参考强度，弯曲后测量强度变化，利用灵敏度s计算曲率分量，分离X/Y轴分量后计算总曲率和角度，再经插值、微分获得曲率和扭转函数，代入Frenet-Serret方程求解切线矢量，最后积分得到空间坐标。将传感光纤弯成不同半径（6~12 cm）的圆弧，重建结果端点误差小于8%，相对误差小于6%。随机弯曲形状（交叉、S形、螺旋）的重建结果与实物视觉一致，验证了三维变形重建能力。

**抗环境干扰能力**
温度从20°C升至60°C时，散射强度变化极小，重建变形误差变化率分别为0.052%/°C（端点误差）和0.017%/°C（相对误差）。应变变化下，多次测量平均后端点误差和相对误差变化率分别为0.0074%/με和0.0039%/με，表明能量检测方案对温度和应变具有强免疫性。与其他方法（OFDR、FBG等）相比，MOESs阵列在传感点数、传感器直径、通道数和抗干扰能力方面均具优势，且测量精度相当。

**讨论与结论**

本研究首次提出基于单芯标准单模光纤的MOESs三维形状传感器，通过创新性的错位正交传感器设计，利用一维OFDR检测信号实现了高空间分辨率且无波长限制的三维变形编码。研究人员开发了可扩展的卷对卷飞秒激光直写系统，实现了精确制备。传感器精度媲美传统方法，同时具有更小尺寸和更高空间分辨率。能量检测方案对温度和应变敏感性低，彰显了鲁棒性。主要限制在于弱散射信号（反射率约-70 dB）的波动影响重建精度，未来可借助深度学习（如自编码器、生成对抗网络）提升特征提取能力，并引入轴上参考散射体以应对小半径弯曲引起的损耗。总体而言，MOESs传感器克服了传统变形编码传感器在尺寸与空间分辨率之间的固有权衡，即使在直径小于100 μm的光纤和亚毫米分辨率检测系统中也可适用，为先进人工感知系统、高精度振动检测、机器人形状传感等领域开辟了广阔应用前景。该工作发表在《Light-Science》上。