作者及机构
本研究的通讯作者为Cailing Fu（深圳大学），合作者包括Yanjie Meng、Lin Chen、Chao Du、Huajian Zhong、Yiping Wang、Jun He和Weijia Bao。研究团队来自深圳大学物理与光电工程学院的教育部/广东省光电器件与系统重点实验室，以及深圳市物联网光子器件与传感系统重点实验室。研究成果发表于*Optics Letters*期刊2022年12月第47卷第23期。
研究领域与动机
分布式光纤传感技术在结构健康监测、生物医学等领域具有高灵敏度和分辨率的优势。光学频域反射技术（OFDR, Optical Frequency Domain Reflectometry）因其毫米级空间分辨率成为研究热点，但传统基于光谱分析的OFDR受限于瑞利后向散射（RBS, Rayleigh Backscattering）信号弱和空间段失配问题，分辨率难以突破毫米级。本研究旨在通过飞秒激光在单模光纤（SMF, Single-Mode Fiber）中诱导永久散射体（PSS, Permanent Scatters），结合相位解调方法（φ-OFDR），实现亚毫米级空间分辨率的应变传感。
科学问题与目标
传统OFDR的空间分辨率受限于滑动窗口采样和光纤形变导致的频谱相似性降低。本研究提出一种新型PSS辅助φ-OFDR方法，通过增强RBS信号并利用散射体相位差解调应变分布，目标包括：
1. 实现233 µm空间分辨率的应变传感；
2. 提升最大可测应变范围至1400 µε；
3. 验证飞秒激光诱导PSS对RBS信号的增强效果。
实验步骤
- 飞秒激光直写技术：采用脉宽290 fs、波长513 nm的飞秒激光，通过100倍油浸物镜聚焦于SMF纤芯，单脉冲能量1.75 µJ，在200.38 mm光纤中刻写860个间隔233 µm的PSS（图1a）。
- 形貌分析：显微镜观察显示PSS尺寸小于纤芯直径的1/10（图1b），未造成物理损伤。
创新方法
- RBS增强机制：PSS使P偏振和S偏振RBS信号平均增强26 dB，插入损耗仅0.6 dB（图2a-b）。偏振角度分析表明PSS呈圆锥形且非完全平行排列（图1c），导致S偏振信号一致性较低（图2c）。
传统φ-OFDR的局限性
- 对无PSS的普通光纤，相位差提取结果杂乱（图3a）；PSS光纤虽显示周期性条纹（图3b），但散射体间区域信噪比（SNR）低，导致相位差异常。
PSS辅助φ-OFDR方法
- 信号处理流程：
1. Chirp Z变换：替代传统FFT，解决频谱泄漏问题，计算空间分辨率提升至59.6 nm（公式1-6）。
2. 相位差提取：通过四象限反正切函数计算参考信号与测量信号的相位差（公式7），应变增加时条纹密度升高（图4）。
3. 相位展开：消除2π模糊，获得连续相位变化（图5a-b）。
4. 应变计算：基于相位差梯度推导应变分布（公式8），灵敏度为107.990 µε/(rad·mm⁻¹)，与理论值108.696 µε/(rad·mm⁻¹)吻合（图5f）。
空间分辨率测试
- 实验设计：66 mm PSS光纤两端固定于平移台，施加146–645 µε应变（图6a）。
- 结果：10%-90%上升沿长度为0.511 mm，略高于PSS间隔（233 µm），归因于环氧树脂流动导致的渐变应变过渡（图6b）。
最大应变范围
- 理论极限：相位差不超过π时，最大可测应变与PSS间隔成反比（公式9）。间隔233 µm对应1400 µε，间隔缩短至2倍空间分辨率（6dx）时可提升至4378 µε，但插入损耗增加（图S4）。
科学价值
- 为分布式光纤传感提供了亚毫米分辨率的新范式，解决了频谱分析法受限于采样窗口的瓶颈问题。
- 揭示了飞秒激光诱导PSS对RBS信号的偏振依赖性，为多功能光纤器件设计提供理论基础。
应用潜力
- 适用于微应变场监测（如复合材料损伤、生物组织形变），尤其适合需要高空间分辨率的工业场景。
创新点
1. PSS增强机制：26 dB的RBS增强显著提升信噪比。
2. 算法优化：Chirp Z变换兼顾精度与计算效率，相位解调算法鲁棒性强。
3. 可扩展性：通过调整PSS间隔可灵活平衡分辨率与测量范围。
本研究由多项基金支持（国家自然科学基金、广东省自然科学基金等），为高精度分布式传感提供了可靠的技术路径。