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基于飞秒激光诱导永久散射阵列的多芯光纤高空间分辨率φ-OFDR形状传感器的研究
一、作者与发表信息
本研究由Cailing Fu、Yanjie Meng、Lin Chen等团队完成，通讯作者为Yiping Wang（邮箱：ypwang@szu.edu.cn）。研究团队来自深圳大学物理与光电工程学院（Key Laboratory of Optoelectronic Devices and Systems of Ministry of Education/Guangdong Province）和深圳市光子器件与传感系统重点实验室（Shenzhen Key Laboratory of Photonic Devices and Sensing Systems for Internet of Things）。论文发表于Optics Letters期刊2023年6月15日第48卷第12期，标题为《High-spatial-resolution φ-OFDR shape sensor based on multicore optical fiber with femtosecond-laser-induced permanent scatter arrays》，DOI编号为10.1364/OL.486644。
二、学术背景
科学领域：本研究属于光纤形状传感（Optical Fiber Shape Sensing, OFSS）领域，结合了飞秒激光微加工、多芯光纤（Multicore Fiber, MCF）技术和相位敏感光频域反射技术（φ-OFDR）。
研究动机：传统光纤形状传感器受限于空间分辨率（毫米级）和高温稳定性不足的问题。飞秒激光诱导的永久散射阵列（Permanent Scatter Array, PS Array）可提升空间分辨率至亚毫米级，同时增强高温耐受性。
研究目标：开发一种基于PS Array的φ-OFDR形状传感器，实现200微米的空间分辨率，并验证其在二维（2D）和三维（3D）形状重构中的精度。
三、研究流程与方法
PS Array的制备
- 研究对象：商用七芯光纤（中心1芯+外围6芯，芯间距42微米）。
- 飞秒激光加工系统：包含快门、半波片（HWP）、偏振片（GP）和分束器（BS），通过100倍油浸物镜将单脉冲（能量134.5 nJ）聚焦至光纤各芯。
- 关键创新：提出一种针对轻微扭转芯的PS定位策略，通过坐标补偿算法（公式1）精确控制散射点位置，最终在400毫米长的光纤中刻写13,965个PS（间隔200微米）。
形状传感与信号检测
- 实验装置：采用φ-OFDR系统（图2a），通过可调谐激光源（TLS）扫描1540–1564.7 nm波长，测量各芯的瑞利背向散射（RBS）信号。
- 数据处理：
- 通过PS辅助的φ-OFDR提取相位差，解调应变分布（图5a）。
- 利用矢量投影法（Vector Projections）从两个外芯组合计算曲率向量（κ和θ）。
- 基于Bishop框架（公式2-5）重构2D/3D形状，避免Frenet-Serret框架的局限性。
形状重构验证
- 2D验证：将光纤贴合预设的S形曲线（图2b），重构误差最低2.21%（表1）。
- 3D验证：任意弯曲形状重构误差最低1.45%（表1），集成多芯数据后误差进一步降至1.25%。
四、主要结果
- PS Array性能：RBS信号显著增强（图3），但各芯散射强度不均，归因于飞秒激光聚焦偏差和圆柱透镜效应。
- 形状重构精度：
- 2D形状中曲率变化（0–25 m⁻¹）和180°方向突变均被准确捕捉（图5d）。
- 3D形状重构与设计曲线高度吻合（图6），验证了高空间分辨率（200微米）的优势。
- 误差分析：重构误差主要来源于光纤轻微扭转（0.029 rad/mm）和粘贴偏差，但通过多芯数据集成可显著降低。
五、结论与价值
- 科学价值：
- 首次将飞秒激光PS Array与φ-OFDR结合，实现了亚毫米级空间分辨率的形状传感。
- 提出的Bishop框架和矢量投影法解决了复杂曲率突变的解析难题。
- 应用价值：适用于微创手术机器人、航空航天结构健康监测等需高精度实时形状反馈的场景。
六、研究亮点
- 技术创新：
- 飞秒激光PS定位策略解决了多芯光纤扭转导致的刻写偏差问题。
- φ-OFDR无需滑动窗口FFT，充分发挥了高分辨率潜力。
- 性能突破：空间分辨率（0.2毫米）远超现有技术（表2对比）。
七、其他价值
- 数据可用性：研究数据可通过作者申请获取，为后续优化提供基础。
- 资助信息：获中国国家重点研发计划、国家自然科学基金及深圳市科技创新委员会支持。
该研究为光纤形状传感领域提供了新的技术路径，其高分辨率与抗干扰特性在工业与医疗应用中具有广阔前景。