基于飞秒激光直写的全光纤传感器研究
摘要
光纤传感器由于其重量轻、结构紧凑、抗电磁干扰等特点，适用于多种极端环境下
的参量测量，成为传感领域不可缺少的重要组成部分。随着激光加工技术的进步，飞秒
激光直写技术因其具有高加工率、低热影响、高精度三维加工等优势，被广泛应用于各
种光纤器件的制作上。相比于传统制备加工方式，飞秒激光直写加工可以满足当前对传
感器件微型化、高机械强度和全光纤化的要求，因此基于飞秒激光直写技术制备的全光
纤传感器不仅具有重要的研究价值，同时也有着广阔的应用前景。本论文基于飞秒激光
直写技术成功设计制备了两种全光纤传感器件，并分别进行了相应理论的分析、器件制
备及传感测量。本文主要工作内容如下：
1、设计并制备了纤芯内平行写入的马赫-曾德尔干涉仪（Mach-ZehnderInterferometer,
MZI）和光纤布拉格光栅（FiberBraggGrating,FBG）的全光纤传感器件。基于飞秒激光
直写技术在单模光纤（SingleModeFiber,SMF）纤芯内研究了不同写入尺寸对MZI的传
输光谱的影响、不同写入位置对FBG的传输光谱的影响及平行写入时两者的空间距离
对整体传输光谱的影响，并完成了应变与温度的同时测量。该传感器具有超紧凑的结构，
并具有很好的抗环境湿度变化干扰能力，有望作为高稳定性的应变传感器使用。
2、设计并制备了一种光纤定向耦合器，并将其应用于多角度的弯曲测量中。基于飞
秒激光直写技术在无芯光纤中平行写入两条直波导，其中一条直波导深入到两端的SMF
中起着输入和输出光的导光作用，另一条直波导贴近第一条波导，起到了耦合作用并构
建了光纤定向耦合器。通过仿真对两波导宽度与间距进行了优化，并在实验上完成了制
备和多方向弯曲测量工作。实验结果表明该传感器不仅可以完成弯曲大小的测量，还可
以对弯曲角度进行辨别。除此之外该传感器对环境温湿度变化有着较好的抗干扰能力，
结合其本身在制备上的灵活性，可以成为高精度、矢量弯曲测量系统中的候选器件。
关键词：光纤传感器；飞秒激光直写；马赫-增德尔干涉仪；光纤布拉格光栅；光纤耦合
器
基于飞秒激光直写的全光纤传感器研究
Abstract
Opticalfibersensorsaresuitableforparametermeasurementinavarietyofextreme
environmentsduetotheirlightweight,compactstructureandanti-electromagneticinterference,
makingthemanindispensableandimportantpartinthefieldofsensing.Withthecontinuous
developmentoflaserprocessingtechnology,femtosecondlaserdirectwritingtechnologyhas
beenwidelyusedinthefabricationofvariousopticalfiberdevicesbecauseofitsadvantagesof
highprocessingrate,lowthermaleffectandhighprecision3Dprocessing.Comparedwiththe
traditionalpreparationandprocessingmethods,femtosecondlaserdirectwritingprocessingcan
meetthecurrentrequirementsforminiaturization,highmechanicalstrengthandall-fiberof
sensordevices.Therefore,theall-fibersensorbasedonfemtosecondlaserdirectwr