扁平光纤展现出卓越传感能力 压力灵敏度最高提升1000倍

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。