扁平光纤展现出卓越传感能力 压力灵敏度最高提升1000倍

科学家研究地球是圆的，已经有2000多年历史，但“地平论”支持者依然对此深信不疑，有些人甚至愿意“走到世界尽头”寻找证据，只是至今还没找到所谓的尽头。抛开地球形状不谈，瑞典皇家理工学院与英国南安普敦大学的研究人员近日开发出一种技术，证明在光纤传感领域，扁平结构可能明显优于圆形结构。

研究团队研制出一种扁平带状的二氧化硅光纤。这种光纤可以通过结构设计，对物理作用产生远强于传统圆柱形光纤的响应，因此能够成为性能更出色的传感器。研究人员将其命名为“高长宽比扁平光纤”（High Aspect Ratio Flat Fiber，HARFF）。在一项对比测试中，这种光纤的压力灵敏度最高达到传统光纤的1000倍；另一种内部填充金属的版本，则表现出更强的温度感知能力。研究团队已经利用单个实验预制棒拉制出长度超过120米的这种特殊光纤，证明其具备制造可行性。

光纤最广为人知的用途，是作为传输数据的玻璃细丝，通过光脉冲将信息传遍全球。不过，光纤同样是一种能力出色的传感器。拉伸、压力或温度等外部作用，都会轻微改变玻璃的物理和光学性质。通过追踪光在光纤中传播时发生的变化，就可以测量这些外部作用。

一个虽然粗略但直观的类比是浇水用的软管。当人们挤压软管的某一截面时，水流会发生变化，工程师可以通过测量水流变化，反推出施加了多大压力。光纤传感采用的原理类似，只是灵敏度要高得多。研究人员将光送入光纤，并测量光信号如何变化，再根据这些变化反推出光纤经历了什么。

一种常见方法是使用光纤布拉格光栅。这类光栅是在光纤内部写入的微小周期性结构，可以反射特定波长的光。当光纤受到拉伸或压缩时，被反射光的波长会发生变化，从而为工程师提供一把测量应变的“光学尺”。

传统二氧化硅光纤通常呈圆柱形，这种几何结构非常适合测量沿光纤轴向作用的力。然而，实心玻璃圆柱对横向力和来自周围各个方向的静水压力响应较弱，导致其灵敏度受到明显限制，而灵敏度恰恰是传感技术最需要的性能之一。

为解决这一问题，研究人员改变了玻璃的形状。他们并不是先制造圆形光纤，再试图将其压扁，而是在预制棒阶段就将HARFF设计成扁平结构，最终制成的实心结构长宽比接近20∶1。这种带状扁平几何形状彻底改变了光纤对外力的响应方式。简单来说，弯曲一根圆杆和弯曲一把薄尺所需的力并不相同，扁平结构会让光纤像尺子一样，更容易对弯曲力作出响应。

借助HARFF，工程师可以分别调节光纤的宽度、厚度、壁厚以及内部通道，从而有针对性地设计玻璃在哪些位置发生弯曲，以及应力集中在哪里。

在压力传感器中，研究团队在光纤内部设计了两条纵向延伸的空气通道。当外部施加压力时，这种有意设计成不对称的结构会发生形变，使光波导周围不同方向产生不同程度的应变。由此，光纤的一种名为“双折射”的性质也会发生变化。所谓双折射，是指沿相互垂直的两种偏振方向传播的光，在同一块玻璃中会经历略有差异的折射率。

随后，研究人员在光波导中写入两个完全相同的光纤布拉格光栅，使二者之间形成一个微小的光学腔。光在这一光学腔内传播时，会产生具有特征性的干涉图样。当压力使玻璃发生形变后，玻璃的双折射随之改变，干涉图样也会出现可测量的偏移。

简单来说，压力使带状光纤发生形变，形变改变玻璃的光学性质，而变化后的光信号则告诉研究人员施加了多大压力。

研究人员将这一概念验证传感器放入压力容器中进行测试，测试压力最高达到0.40兆帕。测量结果显示，其峰谷响应达到7.24分贝/兆帕；采用另一种分析方法计算时，压力灵敏度最高达到31.6弧度/兆帕。与此同时，温度交叉灵敏度低于压力灵敏度的1%，这有助于研究人员区分压力变化与温度变化。

研究团队表示，与采用椭圆形纤芯、横截面为圆形的可比光纤相比，HARFF的灵敏度最高提升了三个数量级，也就是约1000倍。他们还称，与其他专门针对静水压力传感进行优化的二氧化硅光纤设计相比，HARFF的性能最高提升了两个数量级。

除了压力传感之外，研究人员还证明，同一套基本玻璃平台也可以被设计成温度传感器。在温度传感器中，他们向HARFF的一个内部通道填充了锡基合金。二氧化硅的热膨胀系数约为0.5×10⁻⁶/K，而这种合金的热膨胀系数约为23×10⁻⁶/K。当二者受热时，金属试图膨胀的幅度远远超过周围玻璃能够允许的程度。这种膨胀差异会在二氧化硅中产生应力，改变其双折射，并再次形成可以测量的光学信号。

研究人员认为，他们不仅制造出了性能更强的传感器，也把光纤的几何形状和内部结构转化为新的工程设计变量。

皇家理工学院研究人员帕维尔·马涅夫斯基表示，这并不只是一种外形不同的光纤，而是为光纤开辟了一个全新的设计空间。通过改变几何结构，可以让玻璃本身对周围物理环境作出更明显的响应。

通过改变光纤的宽度、厚度、空气通道、光波导位置，或填充这些通道的材料，同一个基础制造平台未来有望针对不同类型的传感需求进行优化。例如，将这种光纤嵌入复合材料机翼，就可以监测载荷和应变，而不必铺设由大量传统电子传感器组成的网络。

类似光纤还可能应用于无人机、桥梁、工业结构和电池等领域。在这些场景中，内部温度或压力的变化，可能成为设备出现故障的早期预警信号。此外，光纤还具备重量轻、体积小以及不受电磁干扰影响等优势。

当然，从一根令人印象深刻的实验室光纤，到让飞机拥有类似“玻璃神经系统”的实际应用，仍然存在相当大的距离。目前的HARFF仍处于概念验证阶段。研究人员测得其光传播损耗约为0.16分贝/米，他们认为，这一损耗主要源自实验性纤芯几何结构和所使用的二氧化硅材料，而不是扁平光纤本身固有的局限。

此外，HARFF与传统光纤进行熔接时产生的损耗通常低于3分贝，这意味着该技术仍有较大的优化空间。

研究团队下一步计划进一步改善光纤形状控制能力、降低光学损耗，并推动HARFF从概念验证传感器走向实际系统。皇家理工学院指出，智能无人机、先进复合材料以及更安全的能源技术，都是这项技术未来可能瞄准的应用方向。

需要注意的是，这项研究关注的是光纤传感，而不是电信数据传输。在电信领域，传统的圆形光纤仍然是主流标准。

这项研究已发表于《自然·通讯》杂志。