人們通常聽到“光纖”這個(gè)詞時(shí)，首先浮現(xiàn)在腦海的可能是這樣一幅畫面：細(xì)如發(fā)絲、扭曲成充滿藝術(shù)感漂亮形狀的發(fā)光物，或者從燈座中噴涌而出的光之泉。這些能夠傳導(dǎo)光的二氧化硅光纖，其用途可遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止于裝飾。光纖于上世紀(jì)五十年代被成功開發(fā)，目前已廣泛應(yīng)用于電力傳輸、通信、成像和傳感等領(lǐng)域。

具體來(lái)說(shuō)，光纖具有優(yōu)良的介電屬性和廣泛的適用性，因而可以在其他傳感技術(shù)可能失效的環(huán)境中使用，例如真空室和海底等極端環(huán)境。

從光纖傳感器到壓力傳感器

標(biāo)準(zhǔn)光纖是專為電信設(shè)備而設(shè)計(jì)，通常無(wú)法用于傳感領(lǐng)域。為了使光纖對(duì)所需參數(shù)足夠敏感，人們必須對(duì)其進(jìn)行加工處理，例如對(duì)光纖光柵進(jìn)行刻印，或者采用特制的微結(jié)構(gòu)光纖。在高靈敏度壓力傳感器方面，微結(jié)構(gòu)光纖展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景。高靈敏度壓力傳感器可用于石油勘探等領(lǐng)域，技術(shù)人員和工程師可以使用它來(lái)檢測(cè)流體壓力。圖 1 展示了文獻(xiàn)報(bào)道的三種可用作壓力傳感器的光纖。

圖 1. 壓力傳感測(cè)量裝置中的微結(jié)構(gòu)光纖。（a）光子晶體光纖1；（b）帶三角形格子孔的微結(jié)構(gòu)光纖2；（c）側(cè)孔光子晶體光纖3。

壓力傳感器中的微結(jié)構(gòu)光纖通常具有特殊的構(gòu)造，外部施加的載荷會(huì)導(dǎo)致光纖內(nèi)產(chǎn)生不對(duì)稱的應(yīng)力分布，進(jìn)而使光纖的雙折射特性（一種使光束的折射率呈各向異性的材料屬性）發(fā)生改變，于是便可以通過(guò)測(cè)量雙折射特性的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感檢測(cè)。

位于巴西的坎皮納斯大學(xué)（Unicamp）的研究人員 Jonas Osório 表示：“光纖傳感器具有靈敏度高、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，并能適用于惡劣環(huán)境。同時(shí)它們體積小、重量輕，較同類傳感器而言有著更加廣闊的適用范圍。”

然而現(xiàn)有文獻(xiàn)資料中報(bào)道的光纖，其微觀結(jié)構(gòu)都相當(dāng)復(fù)雜，并且需要進(jìn)行多次拉制，然后由手工完成精密的結(jié)構(gòu)組裝。坎皮納斯大學(xué)和空軍研究所（IEAv）正在合作開發(fā)一種名為“嵌入芯式毛細(xì)管光纖”的特殊類型光纖，它可以被用于制造高靈敏度的壓力傳感器。研發(fā)人員需要對(duì)這類光纖的制造工藝進(jìn)行簡(jiǎn)化，其中包括預(yù)成型制備法和直接拉絲法。

細(xì)致分析幾何特征

嵌入芯式毛細(xì)管光纖本質(zhì)上是一根二氧化硅毛細(xì)管，管壁內(nèi)區(qū)域（即纖芯）摻雜有鍺（圖 2 顯示了光纖的結(jié)構(gòu)和橫截面圖）。與圖 1 中典型的壓力傳感器的微結(jié)構(gòu)光纖相比，嵌入芯式光纖的結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單得多。

圖 2. (a）嵌入芯式毛細(xì)管光纖的概念圖，它顯示了嵌有纖芯的毛細(xì)管在靜水壓力下的橫截面。（b）嵌入芯式光纖的橫截面。

空軍研究所的研究人員 Marcos Franco 和 Valdir Serr?o 與坎皮納斯大學(xué)的 Jonas Osório 和 Cristiano Cordeiro 合作，對(duì)微結(jié)構(gòu)光纖中由壓力引起的雙折射現(xiàn)象進(jìn)行了研究，據(jù)此提出了一種新的設(shè)計(jì)概念，并對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證。他們的目標(biāo)是設(shè)計(jì)出能感知靜水壓力的光纖，靜水壓力指的是由靜止液體產(chǎn)生的壓力，例如傳感器周圍的靜水。他們?cè)谠O(shè)計(jì)過(guò)程中使用毛細(xì)管光纖（極細(xì)的空心管）替代了包含氣孔陣列的實(shí)心光纖，以此來(lái)產(chǎn)生不對(duì)稱的應(yīng)力分布。

他們的目標(biāo)是最大限度地增強(qiáng)由壓力變化引起的雙折射率變化，由此提升光纖的傳感能力。他們首先利用解析模型對(duì)壓力引起的毛細(xì)管壁內(nèi)的位移和機(jī)械應(yīng)力進(jìn)行了研究（圖 3）。

圖 3. 研究受壓的無(wú)內(nèi)嵌芯毛細(xì)管光纖。在初始的位移曲線研究中，內(nèi)半徑 rin =40 μm，外半徑 rout = 80 μm，內(nèi)壓 Pin 為 1 bar，外壓 Pout 為 50 bar。

解析模型表明，由于毛細(xì)管結(jié)構(gòu)本身的特性，外加壓力在毛細(xì)管內(nèi)壁上產(chǎn)生了不對(duì)稱的應(yīng)力分布。在光彈性效應(yīng)的作用下，應(yīng)力會(huì)引起材料折射率沿水平和垂直方向發(fā)生變化，從而獲得所需的雙折射特性。

最大限度地提升對(duì)壓力變化的敏感性

借助 COMSOL Multiphysics? 軟件，F(xiàn)ranco、Serr?o、Cordeiro 和 Osório 向數(shù)學(xué)模型中添加了橢圓纖芯，也就是石英毛細(xì)管壁中摻雜了鍺的區(qū)域。通過(guò)運(yùn)行仿真，他們獲得了模式雙折射的變化方式，以及外加壓力和毛細(xì)管壁內(nèi)纖芯的位置之間的關(guān)系（圖 4）。模式雙折射描述了可以穿過(guò)纖芯的光學(xué)模式的雙折射效應(yīng)。

圖 4. 模式雙折射的變化與毛細(xì)管壁內(nèi)纖芯的位置之間的函數(shù)關(guān)系。當(dāng)纖芯非常接近光纖的內(nèi)半徑（頂部中間圖）時(shí)，由壓力變化引起的雙折射變化最大。

仿真模型可以計(jì)算基本模態(tài)在不同壓力條件下的有效折射率。當(dāng)入射的電磁波沿纖芯傳播時(shí)，便會(huì)出現(xiàn)這種模式。研究表明，若想最大限度地提升雙折射現(xiàn)象對(duì)壓力的敏感性，即增強(qiáng)傳感器的靈敏度，必須使纖芯完全嵌入毛細(xì)管結(jié)構(gòu)，并且靠近內(nèi)壁。他們分析了不同幾何結(jié)構(gòu)中應(yīng)力分布的變化，最終得出結(jié)論：光纖管壁越薄，纖芯位置越接近毛細(xì)管的內(nèi)半徑，由壓力引起的雙折射率的變化就會(huì)越大。

全新的微結(jié)構(gòu)光纖傳感器

在完成了有關(guān)雙折射對(duì)壓力的依賴性的研究后，F(xiàn)ranco、Serr?o、Cordeiro 和 Osório 提出了一種可以簡(jiǎn)化微結(jié)構(gòu)光纖制造工藝的新方法。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的新型壓力傳感器設(shè)計(jì)可以正常工作。他們將概念設(shè)計(jì)的靈敏度與現(xiàn)有的復(fù)雜光纖結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較，確認(rèn)新的設(shè)計(jì)方案可以產(chǎn)生相近的效果，但是能夠減少?gòu)?fù)雜的組裝工作。嵌入芯光纖為高靈敏度光纖壓力傳感器提供了一個(gè)全新的發(fā)展方向，相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)，石油勘探者可以更加方便地對(duì)采集的石油進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估。