牛津大学：精确传感的单模蓝宝石光纤

       光纤光栅传感器由于其本征的硬度，广泛应用于极端环境下对温度和应变等物理特征的远程监测。由于波长漂移，最常见的是石英光纤制成的传感器的工作温度可高达1000 ℃。

图1 蓝宝石光纤。（图片来源：J. Fells/牛津大学）

       最近，英国牛津大学的研究团队用蓝宝石光纤（如图1）制造了一种新型光纤布拉格光栅，这种材料可以承受超过2000 ℃的高温（Opt. Express, doi: 10.1364/OE.446664）。基于此的传感器可以在极端恶劣的环境中实现精准测量，如飞机发动机、核反应堆和航天器等。

在光纤中心区域刻环

       光纤布拉格光栅由一段短光纤组成，折射率沿光纤周期性变化。它类似于一个能够选择反射波长的镜子，其中波长需要满足与周期性结构和光纤芯折射率有关的布拉格反射定律。而以上变量是关于温度和应力的函数，因此光纤布拉格光栅满足作为传感器的基本要求。

       蓝宝石光纤布拉格光栅已发明近20年，但是由于存在根本性缺点，无法广泛应用于商业传感领域。蓝宝石光纤具有本征多模性，每种模式具有不同的有效折射率。因此，这种结构会在相对宽的带宽上反射不同波长的光，阻止它成为一个精确传感器。

       为了克服这个长期存在的问题，研究团队通过在传统多模蓝宝石光纤中写入一个单模波导，将其转换成单模光纤。利用飞秒激光，他们在1 cm大小的蓝宝石光纤中心周围刻环，降低折射率并形成了一个有效的凹陷包层波导。

       “我们需要验证波导是否是单模的。于是，我们测量了波导模式分布和布拉格反射光谱，实验结果与理论预测一致，”论文第一作者，牛津大学Mohan Wang说，“我们将样品加热到1000 ℃，结果表明，这些结构仍然存在。”

实际测量应用

       目前，Wang及其同事正在对较长光纤进行高温测试，并与工业界和政府合作，探索该传感技术的实际应用潜力。例如，他们计划与劳斯莱斯公司在飞机发动机方面共同研究多点温度测量的有效性和准确性。此外，研究人员还将向英国原子能管理局（以下简称UKAEA）提供相关设备，即评估具有挑战性的环境中的远程应用程序（RACE）。

       “这些蓝宝石光纤将在聚变能发电厂的极端环境下具有许多潜在应用，”UKAEA，RACE研究负责人，Rob Skilton在采访中说，“未来，这项技术可能显著提高该领域传感器和机器人维护系统的效率，帮助UKAEA完成向电网提供安全、可持续、低碳聚变能源的任务。”

[1] Mohan Wang, et al., "Single-mode sapphire fiber Bragg grating," Opt. Express 30, 15482-15494 (2022)