西安交通大学：在光纤三维形状传感技术方面取得重要进展

发布时间：2026-09-04来源：传感器专家网

近日，我院光纤传感团队在三维形状传感领域取得新进展。研究团队利用飞秒激光直写技术，在标准单模光纤包层内构建错位正交偏心散射体阵列，提出一种全新的三维形变信息编码机制，使一根普通单模光纤仅通过单一光学传输与解调通道，即可实现复杂三维形状的感知与重构，为微创医疗、机器人、结构健康监测、及油气井下等领域的形态监测场景提供了全新的传感思路。

三维形状感知是软体机器人、微创医疗器械、智能感知系统等领域实现精准感知与自主控制的重要基础。光纤传感器具有尺寸小、柔性好、抗电磁干扰等优势，因此非常适合应用于狭小、复杂和强电磁干扰环境。

然而，现有高性能三维形状传感技术通常依赖多芯光纤或多通道传感架构，需要通过不同纤芯或多个传感通道分别获取不同方向的形变信息。这不仅增加了传感器尺寸和系统复杂度，也限制了其在微型机器人、微创医疗器械等空间受限场景中的应用。

相比之下，标准单模光纤具有尺寸小、结构简单、制造工艺成熟和机械性能良好等优势，是实现高度集成化光纤传感的理想载体。但由于其传统上仅具有单一光学传输通道，如何从一根普通单模光纤中同时获取来自不同方向的形变信息，并进一步实现高分辨率三维形状重构，一直是该领域面临的重要挑战。

针对这一问题，研究团队另辟蹊径，不再依赖增加纤芯数量或传感通道，而是尝试直接在光纤内部构建一个“空间坐标系”，将不同方向的形变信息编码到光纤自身的散射结构中。

图1：基于MOESs的单纤三维形状传感器的设计与制造

利用飞秒激光直写技术，在标准单模光纤包层内精确制备偏心散射结构，并按照特定的正交错位方式进行阵列化排布，形成错位正交偏心散射体阵列。该结构并非简单地增加散射点，而是通过散射体在空间上的正交布局，为光纤建立了一种具有方向选择性的形变信息编码架构。

图2：三维编码原理和MOESs的弯曲响应机制

换句话说，该方案将传统上需要由多个纤芯或多个传感通道完成的信息，转化为由光纤内部散射结构的空间位置和方向进行编码，使一根普通单模光纤具备了感知自身三维形状的能力。

MOESs结构的一个重要特点，是将不同方向的形变信息直接嵌入光纤内部。与传统多芯光纤或多通道传感方案相比，该方法无需额外增加纤芯和光学通道，在保持标准单模光纤尺寸和结构特点的同时，实现了三维形变信息的获取。

研究团队进一步验证了该方法对复杂空间形变的感知能力。通过对MOESs阵列散射信号进行解码，实现了包括圆弧形、S形以及交叉空间结构等多种典型三维形状的重构。

图3：利用MOESs光纤重建三维形状

这种架构下，每一个散射体的位置本身都成为传感编码的一部分。理论上，传感单元的密度不再主要受光学带宽限制，而更多取决于光信号传播损耗以及解调系统的空间分辨能力。这种由“波长编码”向“空间编码”的转变，为构建高密

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41377-026-02425-z

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来源：NWU西大物理圈

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