特殊点增强灵敏度： 高灵敏度光纤传感器的新典范

全纤维 EP 增强型弯曲传感器。来源：Opto-Electronic Advances (2023)。DOI: 10.29026/oea.2023.230019

最近发表在《光电子学进展》（Opto-Electronic Advances）上的一篇论文指出，使用特殊点（EP）可将光纤传感器的灵敏度提高数倍。这项技术有可能将光纤传感技术带入精度和准确度的新时代。虽然研究人员利用弯曲传感器展示了这一非凡能力，但 EP 增强灵敏度的真正威力远不止于此，它还有可能应用于现有的各种光纤传感器。

这项创新的基础是精心设计的光纤弯曲传感器，它利用 EP 概念实现了非凡的灵敏度。该传感器由两个专门的法布里-珀罗（FP）谐振器组成，每个谐振器内嵌两个光纤布拉格光栅（FBG），刻在掺铒镱共掺光纤（EYDF）中。通过控制泵浦功率，可以精确调整这些谐振器的增益和损耗，使传感器在接近其超常点时工作，从而提高灵敏度。

一旦对传感器施加弯曲力，传感器的运行就会偏离超常点，从而产生独特的分频现象。这种独特的频率响应使传感器能够高灵敏度、高精度地检测到最轻微的弯曲或曲线。

为了充分发挥 EP 增强灵敏度的潜力，研究人员设计了一个双通带微波-光子滤波器，将传感器的光学光谱响应转换到微波域。这种巧妙的集成实现了高速和高分辨率测量，充分释放了 EP 增强传感的威力。

通过严格的实验评估，EP 增强传感器取得了令人瞩目的成果。它的曲率感应范围为 0.28 至 2.74 m-1，精度达到 7.56 × 10-4 m-1，灵敏度高达 1.32 GHz/m-1。这些非凡的成果超越了以往光纤传感器的能力，展示了 EP 增强灵敏度的显著潜力。

EP 增强灵敏度的发现代表了光纤传感领域的范式转变。除了弯曲传感器应用之外，这种强大的技术还可以轻松地应用于许多现有的光纤传感器，以提高精度。

本文作者在全光纤结构中引入了一种特殊点增强型弯曲传感器。通过对传感器的精心设计和实验验证，研究取得了显著成果。

创新的关键在于利用光纤中 EP 的独特特性，实现对特定点附近弯曲力的高灵敏度检测。当施加外部弯曲力时，EP 处的光学模式会发生分裂，从而产生频率分裂现象。这种现象可提供有关外部弯曲力的宝贵信息，从而实现精确测量。


与传统的线性传感器相比，EP 增强型传感器在 EP 附近表现出非线性响应，从而显著提高了灵敏度。此外，为了实现高速、高分辨率的传感器测量，还采用了微波光子学技术，将传感器的光学光谱响应转换到微波域，从而实现了高分辨率测量，提高了整体性能。

这种光纤传感技术为提高传统赫尔墨斯光纤传感器的灵敏度提供了一种具有成本效益的解决方案。该技术的多功能性使其能够应用于各种现有的 FBG 传感器，从而更容易在需要高灵敏度的场合中实施。

EP 点增强型弯曲传感器检测微弱信号的能力使其在保护关键基础设施方面非常有用，尤其是在隧道、桥梁和核电站等安全事故的初始阶段。该传感器发出的早期预警可减轻经济和人员损失，带来巨大的社会效益。

总之，这项研究是对光纤传感技术的重大贡献。EP 增强型弯曲传感器的独特功能以经济高效的方式提高了精确度和灵敏度，使其成为该领域的一大进步。将这项技术应用于现有光纤传感器的潜力及其在保障关键基础设施方面的应用，标志着它能对各行各业的安全和创新产生深远影响。这项工作为光纤传感技术的进一步发展奠定了基础，为高灵敏度测量开辟了新的可能性，并对更广泛的实际应用产生了影响。

参考资料

Zheng Li et al, Exceptional-point-enhanced sensing in an all-fiber bending sensor, Opto-Electronic Advances (2023). DOI: 10.29026/oea.2023.230019