关于“基于飞秒激光刻写弱光纤布拉格光栅阵列的大范围OFDR应变传感器”的学术研究报告
本报告旨在向国内研究人员介绍一篇发表于光学领域顶级期刊《Optics Letters》上的原创性研究论文。该论文题为“Wide-range OFDR strain sensor based on the femtosecond-laser-inscribed weak fiber Bragg grating array”，由深圳大学的研究团队完成，并于2023年11月1日正式刊出。
一、 研究团队与发表信息
本研究的主要作者包括付彩玲、隋荣龙、彭震威、蒙艳婕、钟华健、单荣毅、梁文发、廖常锐、尹晓煜和王义平教授（通讯作者）。研究团队主要来自深圳大学的两个重点实验室：深圳市物联网光子器件与传感系统重点实验室/粤港光纤传感联合研究中心，以及深圳市超快激光微纳制造重点实验室。该研究成果发表在光学领域的权威快报类期刊《Optics Letters》第48卷第21期。
二、 学术背景与研究目的
本研究属于光纤传感技术领域，具体聚焦于光学频域反射计（OFDR）分布式应变测量技术。OFDR技术因其高空间分辨率和高精度，在三维形状传感、结构健康监测等领域有广泛应用前景。然而，传统的基于瑞利散射（Rayleigh Scattering, RS）的OFDR应变传感器在应对大范围应变（例如超过5000微应变 με）时面临核心挑战：当光纤发生大应变时，其背向瑞利散射光谱不仅会发生波长偏移，还会产生新的光谱成分，导致变形前后光谱的相似性严重劣化，使得传统的互相关算法失效，从而限制了其测量范围。
为了克服这一瓶颈，以往的研究主要依赖于复杂的后处理算法（如局部频谱相似性、频谱配准与空间校准、递归距离补偿等）来补偿大应变引起的位置偏差和光谱畸变。但这些算法增加了巨大的计算负担，并且通常需要可调谐激光器具有更大的扫描范围。另一种思路是增强光纤本身的瑞利散射信号，但此前基于此原理实现大范围应变传感的研究尚未见报道。
因此，本研究的主要目的非常明确：开发一种无需复杂后处理算法即可实现大范围、高空间分辨率应变测量的新型OFDR传感器。其核心创新点在于传感元件——使用飞秒激光在标准单模光纤（SMF）中直接刻写一系列弱光纤布拉格光栅（Weak Fiber Bragg Grating, WFBG）构成阵列。通过利用WFBG阵列反射谱形状稳定、相关性高的特性，从根本上解决大应变下光谱相似性劣化的问题，从而实现高达10,000 με的应变测量范围，并保持毫米级（5 mm）的空间分辨率。
三、 详细工作流程与方法
本研究的工作流程系统而严谨，主要包含以下几个核心步骤：
WFBG阵列的制备：这是本研究的基础和关键创新。研究团队采用飞秒激光逐点写入技术，结合“拖拽缠绕”系统和自聚焦工艺，在一段56厘米长的标准单模光纤上，成功制备了由110个完全相同的弱光纤布拉格光栅（WFBG）组成的阵列。每个WFBG的长度为1毫米，光栅之间的间距为4毫米。这种制造方法确保了光栅阵列的反射信号（相比普通光纤的瑞利散射）得到显著增强。实验数据显示，阵列的平均反射幅度从普通光纤的-67.2 dB提升到了约-35.48 dB，增强了约31.72 dB。尽管各光栅的反射强度和布拉格波长存在微小不均匀性（源于飞秒激光脉冲能量波动、光纤纤芯不均匀性及定位误差），但这并不影响后续的应变解调。
OFDR传感系统搭建：研究者建立了一套常规的OFDR系统用于应变测试。系统核心是一个可调谐激光源（TLS），扫描范围为1548-1568 nm（20 nm），扫描速率为100 nm/s。系统包含一个辅助干涉仪（用于提供外部时钟信号以实现等光频间隔采样）和一个主干涉仪（马赫-曾德尔结构）。为了抑制偏振衰落效应，系统中使用了法拉第旋转镜和偏振分束器结合平衡探测器的方案。整个系统用于获取待测光纤（包括普通SMF和WFBG阵列）的背向反射频谱。
大应变加载与对比实验设计：为了验证WFBG阵列的性能，研究设计了对比实验。将一段32厘米长的普通单模光纤（SMF）和同样长度的WFBG阵列光纤分别固定在两个一维线性平移台上，通过移动其中一个平移台来轴向拉伸光纤，从而施加应变。应变被施加在WFBG阵列的特定区域（从第21个光栅到第85个光栅之间，对应空间位置3.00米至3.32米）。应变值从1000 με逐步增加到10000 με，步长为1000 με。
信号处理与应变解调：对于每次施加应变后采集到的频谱，研究人员使用互相关算法来计算其相对于无应变参考频谱的偏移量，进而解算出应变分布。这里的关键指标是“互相关系数”，它衡量了变形前后频谱的相似性。系数越高（越接近1），说明光谱形状保持得越好，应变测量越可靠。研究特别关注了大应变下两个导致相似性劣化的因素：一是光谱成分改变（新光谱产生），二是位置偏差累积（由于弹性光效应，拉伸后光纤上各点的相对位置发生偏移）。对于WFBG阵列，由于其反射峰尖锐且稳定，可以通过简单的寻峰算法在距离域精确获取每个光栅在应变前后的绝对位置，从而补偿掉累积的位置偏差。
多点应变传感验证：为了进一步展示WFBG阵列的能力，研究者进行了多点应变传感实验。在光纤上两个不连续的区域（3.0-3.11米和3.33-3.44米）同时施加应变，并解调应变分布。
四、 主要研究结果及其逻辑关系
本研究取得了一系列清晰且令人信服的结果，层层递进地证明了WFBG阵列的优越性。
首先，光谱相似性对比结果至关重要。当施加10,000 με的大应变时，普通SMF的参考频谱（0应变）与测量频谱（10,000 με应变）在形状上出现了明显差异（图4a），这意味着产生了新的光谱成分，导致光谱重叠部分比例小于40%。这使得其互相关峰值无法辨识（图4c）。相反，WFBG阵列的参考谱和测量谱具有完全一致的光谱形状，仅存在布拉格波长的整体偏移（从1554.5 nm移至1566.9 nm，偏移12.4 nm，与理论应变灵敏度1.24 pm/με吻合）（图4b）。因此，WFBG阵列的互相关系数在10,000 με应变下仍高达0.9（图4d），而SMF的互相关系数则很低。这一结果直接证实了WFBG阵列能够有效克服大应变下的光谱相似性劣化问题。
其次，位置偏差补偿的演示。研究通过追踪WFBG阵列中每个光栅的绝对位置，直观展示了应变引起的累积位置偏差。例如，在应变区域末端，第84和85号光栅的位置从3.3136米和3.3188米偏移到了3.3161米和3.3213米，累积偏差达到2.5毫米（图5）。通过寻峰算法可以精确获取这些位置变化，从而在信号处理中予以补偿。这解决了传统OFDR处理大应变时的另一个难题。
第三，应变传感性能的全面对比。图6清晰地展示了SMF和WFBG阵列在从1000到10000 με应变下的解调结果。对于SMF，当应变小于6000 με时，应变信号尚可解调；但当应变大于6000 με时，应变信号完全被噪声淹没。反观WFBG阵列，在所有应变水平下，施加应变的区域都能被清晰、无波动地识别出来。同时，在未施加应变的区域（如后端），WFBG阵列的互相关系数保持在1，而SMF的互相关系数则受到前面应变区域的“污染”而降低。这证明了WFBG阵列不仅测量范围大，而且空间定位准确性高，串扰小。
第四，多点应变传感的成功实现。如图7所示，WFBG阵列成功地对两个独立应变区域的应变进行了同步解调，应变从1000到10000 με变化时，两个区域的应变信号以及中间、后端的零应变区域都清晰可辨。这验证了该技术在实际复杂场景（如结构多处损伤监测）中的应用潜力。
这些结果之间存在紧密的逻辑关系：WFBG阵列的稳定光谱特性（结果一） 是保证高互相关系数的根本原因；高的互相关系数直接导致了可靠、大范围的应变解调能力（结果三）；同时，WFBG的离散反射点特性使得精确的位置跟踪和偏差补偿成为可能（结果二），这进一步巩固了测量的空间准确性；最终，这些优势共同支撑了稳健的多点应变测量功能（结果四）。整个证据链完整且环环相扣。
五、 研究结论与价值意义
本研究得出结论：基于飞秒激光刻写弱光纤布拉格光栅（WFBG）阵列，成功实现了一种大范围、高空间分辨率的OFDR应变传感器。该传感器无需复杂的算法处理，即可在20 nm的激光扫描范围内实现高达10,000 με的应变测量，空间分辨率为5 mm。WFBG阵列将反射信号增强了约31.72 dB，并彻底解决了由大应变引起的光谱新成分产生和位置偏差所导致的相似性劣化问题。
其科学价值在于提出并验证了一种全新的解决OFDR大应变测量瓶颈的物理方案，即用人工刻写的、具有稳定光谱特性的离散反射点（WFBG）阵列替代传统的、随机且易变的瑞利散射连续介质作为传感载体。这为分布式光纤传感的发展提供了新思路。
应用价值则非常显著：该技术极大提升了OFDR应变传感器的性能边界，使其能够直接应用于需要测量大应变（如材料疲劳测试、地质构造运动监测、大型结构极限载荷测试等）的领域，且具有响应速度快（约1.5秒）、空间分辨率高、可实现多点监测等优点，在航空航天、土木工程、能源设施等领域的结构健康监测中具有广阔的应用前景。
六、 研究亮点
七、 其他有价值信息
论文还指出，通过设计具有不同布拉格波长的多通道WFBG阵列，未来有望实现多参量（如应变、温度）同时测量或多路复用，进一步拓展该技术的应用维度。此外，文中提到的总响应时间约1.5秒，暗示了其具备动态监测的潜力，通过使用GPU加速数据处理，响应时间还可进一步缩短。