1 河南理工大学机械与动力工程学院，河南 焦作 454000
2 中国科学院半导体研究所，北京 100083
3 中国科学院大学材料与光电研究中心，北京 100049
以高功率散裂靶测温需要为牵引，设计并制备了一种基于飞秒光纤光栅的高温传感阵列。采用飞秒激光刻写的光纤光栅和管式封装方法，扩大并提升了传感器的测温范围和机械强度。研究并优化了涉及退火步骤、退火时间、退火温度在内的退火工艺，并进行多次退火（800 ℃，20 h）处理，提高了光纤布拉格光栅的稳定性。通过对其进行标定测试，获得了温度-波长的精确拟合函数。结果表明，传感器在100~500 ℃温度范围内的精度达±0.2 ℃。经过现场测试，该传感器可实现对高功率散裂靶温度的精确测试。
光纤布拉格光栅 高温传感器 高精度 温度测量 激光与光电子学进展
2023, 60(11): 1106032
红外与激光工程
2022, 51(10): 20220549
1 深圳大学 物理与光电工程学院 光电子器件与系统教育部重点实验室，广东 深圳 518060
2 深圳大学 广东省光纤传感技术粤港联合研究中心，广东 深圳 518060
在高速飞行器、航空发动机、核反应堆等**安全和国民经济的重要领域，需要实现1800 ℃以上的高温原位测量。常规石英光纤传感器受限于材料特性，无法在1000 ℃以上高温环境中长期稳定使用。单晶蓝宝石光纤具有极高的熔点（2053 ℃）和较低的传输损耗，是一种良好的高温传感材料。在单晶蓝宝石光纤内部刻写布拉格光栅，可以研制出蓝宝石光纤光栅传感器，具有耐温性能好、测量精度高、便于多点测量等优点，是当前最具发展前景的新型高温传感器件。首先介绍了蓝宝石光纤光栅高温传感器的工作原理和理论模型，接着介绍了利用飞秒激光制备蓝宝石光纤光栅的三种主流技术，包括相位掩模板扫描法、双光束干涉法、直写法，并从制备效率、光谱质量等方面比较了三种技术的优劣，指出飞秒激光直写法是制备蓝宝石光纤光栅高温传感器的最佳手段；然后介绍了蓝宝石光纤光栅的光谱优化方法，包括如何减小光栅光谱带宽和如何降低光谱噪声；进一步介绍了蓝宝石光纤光栅的高温传感特性、封装工艺及高温温度、应变传感应用；最后展望了蓝宝石光纤光栅传感器的未来发展趋势。蓝宝石光纤光栅高温传感器的快速发展和大规模推广应用，必将有助于解决当前我国航空航天、核电等领域重大装备结构健康监测的卡脖子难题。
高温传感器 蓝宝石光纤光栅 飞秒激光微加工 high-temperature sensor sapphire fiber Bragg grating femtosecond laser micromachining 红外与激光工程
2022, 51(10): 20220700
1 杭州应用声学研究所光纤传感事业部，浙江 杭州 310023
2 中国航发湖南动力机械研究所，湖南 株洲 412002
基于飞秒激光刻写的光纤光栅在1000 ℃高温下具备较高的热稳定性，将其采用细金属管封装后制成飞秒光纤光栅高温传感器。经测试，该传感器的温度系数具备良好的一致性和重复性，在1000 ℃范围内测温精度达到±5 ℃。实验中，5个飞秒光纤光栅高温传感器串接成高温传感器阵列，并将3条高温传感器阵列布设在航空领域某筒状高温部件表面上中下三个部位的15个测温点进行准分布式的温度测量。结果显示，上中下三个位置最高温度分别为460 ℃、600 ℃和520 ℃，且周向温度基本一致。这表明基于管式封装的飞秒光纤光栅高温传感器可准确反应试验件表面的温度变化和温场分布，实现了基于飞秒光栅高温传感器的准分布式温场测量。
光纤光学 飞秒光纤光栅 高温传感器 准分布式温度测量 激光与光电子学进展
2022, 59(1): 0106007
山东大学晶体材料国家重点实验室，晶体材料研究所，济南 250100
单晶光纤(single-crystal fiber)，是一种纤维形态的晶体材料，凭借优异的物理和化学性能以及大长径比的结构特点在**及民生领域都有着广泛的应用前景。随着导模法、激光加热基座法以及微下拉法等生长技术的日渐成熟，单晶光纤迎来了科学研究和应用发展的黄金时期，其材料种类以及应用方向均呈现多元化发展态势，其中面向高温传感领域的高熔点氧化物单晶光纤凭借其耐高温、抗氧化、结构紧凑等特点在强氧化、强辐射、强腐蚀、强电磁干扰等极端环境中展现出了巨大的应用潜力。近年来，研究者们不断将光学、声学等传感技术与单晶光纤介质相结合，在保持传感器结构灵活性的基础上，拓宽了常规玻璃光纤传感器的使用温度，同时弥补了热电偶等传统接触式测温技术在恶劣环境中寿命较低的缺陷。本文以单晶光纤的制备技术为出发点，回顾了单晶光纤的发展历史，分析了单晶光纤三种主要制备方法的技术特点及发展现状。同时，总结了单晶光纤在高温传感领域的主要研究成果，展望了单晶光纤高温传感技术的应用前景。
单晶光纤 单晶生长 高温传感器 光纤传感器 导模法 微下拉法 激光加热基座法 single-crystal fiber crystal growth high-temperature sensor fiber sensor edge-defined film-fed growth micro-pulling down laser-heated pedestal growth
火灾给人们的生产与生活带来极大的威胁，但现有的火灾传感器在安装空间、测量范围和适用环境等方面存在着局限性，因此需要研制新型火灾传感器。设计并实现了一种不锈钢毛细管可靠封装的工业用火灾预警光纤传感器，通过对光纤光栅进行高温再生处理，大幅提高了传统光纤光栅传感器的耐高温性能。对制备的传感器进行了实验，结果表明：该种传感器测量温度可达1000 ℃、线性度为0.99951，在1000 ℃下90%信号的响应时间不到3 s，适合于火灾预警。
工业 火灾监测 再生光纤传感器 高温传感器 industry fire monitoring regenerative fiber optic sensor high temperature sensor
1 深圳大学物理与光电工程学院光电子器件与系统教育部/广东省重点实验室, 广东 深圳 518060
2 深圳大学广东省光纤传感技术粤港联合研究中心深圳市物联网光子器件与传感系统重点实验室, 广东 深圳 518060
高温传感器在航空航天、核能电力、冶金工业等领域有着重要的研究与应用价值。为了实现光纤布拉格光栅(FBG)在高温传感领域的应用,研究了FBG阵列的制备技术、退火工艺和温度-波长拟合方法。首先,利用飞秒激光逐点法制备波分复用FBG阵列,并采用优化的工艺参数(飞秒激光脉冲能量、光纤移动速度、FBG长度)制备了1510~1580 nm范围内9个不同波长的FBG阵列。然后,研究了退火温度和退火时间对FBG中心波长的影响,通过高温长时间退火(700 ℃、195 h)处理提高了FBG的波长稳定性,在700 ℃下FBG的波长漂移率小于-2 pm/h。最后,研究了不同中心波长FBG的高温响应特性,获得了不同中心波长FBG的通用温度-波长拟合函数。实验结果表明,在700 ℃高温下FBG阵列传感器的测温精度优于±1.8 ℃,该传感器有望应用于航空发动机、高速飞行器、核反应堆堆芯等极端环境中的高温测量。
光学学报
2021, 41(13): 1306002
1 上海大学通信与信息工程学院特种光纤与光接入网重点实验室,特种光纤与先进通信国际合作联合实验室,上海 200444
2 上海华谊新材料有限公司,上海 201507
光纤布拉格光栅（FBG）具有复用能力强、灵敏度高、体积小、耐腐蚀等优点,广泛应用于多种工程监测中。使用193 nm准分子激光器在标准通信单模光纤（康宁,SMF-28）上制备了高反射率FBG阵列,并对其进行了约两个月的长期退火实验研究;设计了一种光纤高温传感系统,可在400 ℃以下对环境的温度进行准分布式测量,测温误差小于0.2 ℃。
光纤光学 光纤布拉格光栅 准分布式测温 高温传感 光纤传感器 激光与光电子学进展
2021, 58(1): 0106001
1 武汉理工大学 光纤传感技术国家工程实验室, 武汉 430070
2 武汉理工大学 信息工程学院, 武汉 430070
为了提高光纤法布里珀罗传感器的解调精度和效率, 利用干涉光谱中的波峰计算出一系列光程差, 根据最小二乘法求出该组光程差中方差最小的解作为粗略解调结果, 并计算出光谱附加相位; 在光谱附加相位基础上进行校正, 得到补偿光程差, 两者之和为最终解调结果.仿真结果表明, 该算法的解调误差在±2.5 nm内.光纤法布里珀罗蓝宝石高温传感实验表明, 从室温升到1 000℃时, 该算法解调光程差精度为5.4 nm, 对应温度的精度为±0.36‰F.S., 同等条件下计算速度比FFTMMSE快400倍, 具有计算精度高, 计算速度快的优点.
光纤法布里珀罗传感器 信号解调 最小二乘法 相位校正 高温传感器 Fiberoptic FabryPerot sensor Signal demodulation Least square estimation Phase correction High temperature sensor
