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。
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。
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，为构建高密度、小型化和高度集成的光纤传感网络提供了新的思路。
该研究首次展示了基于错位正交偏心散射体的三维形变编码机制，使标准单模光纤能够感知并重构自身在三维空间中的形状，为突破传感器尺寸、空间分辨率和系统复杂度之间的传统制约提供了新的技术路径。
未来，该技术有望应用于软体机器人、微创医疗导管导航、复杂结构感知以及其他需要在狭小空间内获得精准空间形态信息的智能系统。研究团队希望通过进一步优化散射结构设计、传感阵列及解调方法，推动光纤形状传感向更高密度、更高集成度和更复杂空间形变感知方向发展。
研究成果以“Single-fiber three-dimensional shape sensing via femtosecond laser inscribed orthogonal eccentric scatterers”为题，发表于光学领域顶尖期刊Light: Science & Applications上。
西北大学物理学院为第一完成单位和通讯单位，紫藤学者博士后雒鹏涛（物理学院2026届博士毕业生）为论文第一作者，通讯作者为王若晖教授和陈凤仪副教授，乔学光教授和暨南大学郭团教授参与指导。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41377-026-02425-z