基于包覆式包层蚀刻光纤布拉格光栅的水声传感器验证研究

作者及发表信息
本研究的作者包括Suneetha Sebastian、P. Shiva Prasad、Kiran Michael、Sandhya Avvaru和Sundarrajan Asokan，分别来自印度科学学院（Indian Institute of Science）仪器与应用物理系、瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zürich）机器工具与制造研究所等机构。研究成果发表于IEEE Sensors Journal，2023年2月第23卷第3期。

学术背景
光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating, FBG）传感器因其抗电磁干扰、轻量化、耐恶劣环境等特性，在水声监测领域具有潜在应用价值。然而，传统FBG传感器的固有压力灵敏度较低，限制了其在海洋勘探、军事监测等场景中的性能。为解决这一问题，本研究提出了一种通过包层蚀刻（clad-etching）和侧孔聚合物包覆（side-hole polymer packaging）技术增强FBG水声灵敏度的方法，旨在开发一种高灵敏度、低成本且稳定的水下声学传感器系统。

研究目标包括：
1. 通过包层蚀刻和聚合物包覆提升FBG的声压灵敏度；
2. 验证传感器在1.2–2.4 kHz频率范围内的线性响应和重复性；
3. 与传统压电陶瓷（PZT）水听器对比，评估其性能优势。

研究流程与方法
1. FBG传感器的制备与包层蚀刻
- FBG刻写：采用248 nm准分子激光相位掩模技术在掺锗单模光纤（Nufern GF-1）上刻写FBG，反射率约60%，光栅长度3 mm。
- 化学蚀刻：使用氢氟酸（HF）溶液（3:2比例）蚀刻包层，通过实时监测布拉格波长（λb）蓝移（约3 nm）控制蚀刻终点，最终包层直径从125 μm降至11 μm（耗时80分钟）。蚀刻后通过光学显微镜验证尺寸。

1. 侧孔聚合物包覆

   • 模具设计：采用聚四氟乙烯（PTFE）模具，将蚀刻后的FBG置于中心位置。
     
   • 分步包覆：
     
     • 第一阶段：用RTV硅胶密封剂（材料参数见表1）覆盖传感器中部，固化后形成保护层；
       
     • 第二阶段：填充整个模具并固化，形成侧孔结构（实际尺寸与理想值略有偏差，见表2）。
       
   • 机械稳定性：包覆后传感器可承受水下高压环境，同时通过低杨氏模量聚合物增强声压响应。
     

2. 水下声学测试

   • 实验装置：传感器与标准水听器（B&K 8105）置于50×20×20 m水槽中，距声源1 m，初始深度5 m。
     
   • 信号采集：
     
     • 声源发射半正弦声波（1.2–2.4 kHz），通过功率放大器和信号发生器控制；
       
     • FBG响应由Micron Optics Si155波长解调系统记录（分辨率1 pm，动态范围5 kHz）；
       
     • 水听器信号通过National Instruments数据采集系统获取。
       

3. 理论分析

   • 灵敏度模型：基于布拉格波长偏移（Δλb）与声压的关系（公式5），推导出传感器的压力响应率与包层蚀刻、聚合物包覆的协同效应。
     
   • 双折射效应：侧孔结构导致光纤核心不对称应变，产生双布拉格波长（λbx和λby），通过差分波长偏移（公式8）进一步验证声压灵敏度。
     

主要结果
1. 灵敏度提升
- 包覆式蚀刻FBG的声压灵敏度达100 nm/MPa，比裸FBG（1 pm/MPa）高5个数量级，相当于50 dB的增益。
- 最小可检测声压为1 Pa/√Hz，优于多数干涉型或强度解调技术。

1. 频率响应与线性度

   • 在1.2–2.4 kHz范围内，传感器响应与水听器呈线性关系（相关系数r=0.976），无共振现象（图6）。
     
   • 时域响应与标准水听器一致（图10），脉冲同步误差仅0.0013 ms。
     

2. 环境稳定性

   • 在11.5 m水深下，灵敏度仅轻微下降，表明聚合物包覆可抵抗高压变形。
     

结论与价值
1. 科学价值：首次通过包层蚀刻和侧孔包覆实现FBG声压灵敏度的数量级提升，为高灵敏度水声传感器设计提供了新思路。
2. 应用价值：低成本、紧凑的传感器系统适用于海洋勘探、军事监测等领域，尤其适合构建准分布式水声传感阵列。
3. 技术普适性：采用的波长解调技术具有高稳定性，可推广至其他高动态范围声学测量场景。

研究亮点
1. 创新方法：结合包层蚀刻（本征增强）与侧孔包覆（外征增强），突破传统FBG的灵敏度限制。
2. 性能优势：100 nm/MPa的灵敏度为同类FBG传感器中最高，且无需复杂解调技术。
3. 工程实用性：传感器机械稳定性高，适用于实际水下环境。

其他价值
研究还探讨了传感器的方向性（全向响应）和重复性（多批次验证），为后续大规模应用奠定基础。