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 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
中国工程物理研究院 流体物理研究所, 四川 绵阳 621900
采用二维雷诺平均N-S方程，数值模拟研究了大气条件下短脉冲激光与固体靶相互作用所产生等离子体的动力学过程。采用k-ε两方程模型用于湍流的数值模拟，分别利用ROE格式和二阶中心格式对对流通量和粘性通量进行离散处理；用高斯-赛德尔隐式格式对方程进行时间推进求解。数值模拟给出了激光引发靶蒸气等离子体侧向膨胀、稀疏等二维流体动力学过程的物理图像，讨论了靶与光斑尺寸对脉冲激光冲量的影响。结果表明，不同宽度固体靶受到的激光冲量有很大差异，固体靶宽度越大，受到的激光冲量也越大。
数值模拟 激光冲量 靶 光斑尺寸 numerical simulation laser impulse target laser spot size 强激光与粒子束
2018, 30(5): 051001
中国工程物理研究院 流体物理研究所, 四川 绵阳 621900
数值模拟研究了高速气流作用下能量加载金属蜂窝板温度场。针对金属蜂窝典型单元，构造了蜂窝核细观导热数值计算分析模型。采用流固耦合计算方法，使用两相流模型和凝固/熔化模型模拟气流对烧蚀物的剥蚀，较完整地模拟了能量加载金属蜂窝板的物理变化过程，计算得到了金属蜂窝板的温度分布以及烧蚀形貌。结果表明两相流方法能够较全面地模拟能量加载金属蜂窝板过程中的对流换热、熔化与凝固过程以及金属液体在气流冲刷下的动力学过程，能获得较为合理的物理图像。
流固耦合 两相流 能量加载 金属蜂窝板 fluid-solid coupling two phase flow energy addition metallic honeycomb plate 强激光与粒子束
2017, 29(7): 071005
中国工程物理研究院流体物理研究所, 四川 绵阳 621900
在马赫数为0.5气流条件下, 进行了激光辐照30CrMnSiA钢材料的温度测量实验。实验结果显示, 材料的温升速率和上升最高温度在有气流环境下比无气流环境下明显下降。利用数值反演方法获得了气流条件下激光加载面样品材料实际吸收热流密度变化以及温度变化。与无气流条件下的数据对比可发现, 相同温度对应的实际吸收热流密度在气流环境下大于无气流环境, 该结果是由气流条件加速样品材料的氧化影响激光金属反射率所致。
激光器 激光-固体相互作用 反射率 气流 数值反演
中国工程物理研究院 流体物理研究所, 四川 绵阳 621900
数值模拟研究了高速气流作用下激光加热金属平板温度场.流体控制方程为三维雷诺平均Navier-Stokes方程,固体控制方程为能量方程,湍流粘性系数求解使用k-ε两方程模型.采用流固耦合计算方法,使用两相流模型模拟气流对烧蚀物的剥蚀,较完整地模拟了激光辐照金属材料的物理变化过程,计算得到了不同气流速度下金属平板的温度分布以及烧蚀形貌.分别使用两相流方法和动网格方法对高速气流作用下激光对金属板的烧蚀效应进行了计算,结果表明,两相流方法与动网格方法都能较好地模拟高速气流作用下激光加热金属平板的温度响应,由于两相流方法能够较全面地模拟对流换热、熔化与凝固过程以及金属液体在气流冲刷下的动力学过程,因此能获得比动网格方法更为合理的物理图像.
流固耦合 冲刷效应 动网格 两相流 rate equation gas laser metastable atom rare gas 强激光与粒子束
2015, 27(6): 061016
中国工程物理研究院流体物理研究所, 四川 绵阳 621900
以跨音速风洞为平台, 开展了表面亚音速气流环境下, 连续激光辐照碳纤维复合材料实验研究。研究表明, 无气流时, 喷出的热分解产物会降低激光能量透过率; 有气流时, 气流快速带走热分解产物, 并对基体分解后裸露的碳纤维材料进行冲刷和剥离, 加速了材料的烧蚀。表面亚音速气流的加载有利于激光对碳纤维复合材料的破坏, 且马赫数越大越有利; 在激光总能量不变的情况下, 适当降低激光功率密度, 延长激光作用时间, 有利于激光对碳纤维复合材料的破坏。
激光辐照 碳纤维复合材料 激光烧蚀 laser irradiation carbon fiber composites laser ablation
中国工程物理研究院 流体物理研究所, 四川 绵阳 621900
通过分析热流边界条件下的一维热传导过程, 提出并实现了由后表面温度变化历史曲线反演前表面反射率变化历史曲线的数值方法。通过一维热传导的正向和反演计算过程, 验证了反演程序的可靠性。对数值反演计算和实验测量两种方式得到的反射率曲线进行了对比, 结果显示, 两条反射率曲线在变化趋势上符合较好, 初步验证了一维温度场中数值反演方法的可行性。
强激光 反射率 反演 数值模拟 high-power laser reflectivity inverse computation numerical simulation
中国工程物理研究院 流体物理研究所, 四川 绵阳 621900
数值模拟研究了气流和激光辐照双重作用下的金属平板温度场。流体控制方程为3维雷诺平均N-S方程, 固体控制方程为能量方程, 湍流粘性系数求解使用k-ε两方程模型。采用流固耦合计算方法, 使用动网格模型模拟气流的“冲刷效应”, 较完整地模拟了激光辐照金属材料的物理变化过程, 计算得到金属平板的温度分布及流场分布。结果表明:在较低气流速度及激光功率下, 气流的冷却效应占主导地位；当气流速度和激光功率上升到一定程度后, 气流的“冲刷效应”和冷却效应共同决定金属平板的温度分布。
温度场 流场 流固耦合 冲刷效应 动网格 thermal field flow field fluid-solid coupling “wash out” effect dynamic mesh
