單晶光纖制備及高溫傳感器研究進(jìn)展

單晶光纖，又稱“晶體纖維”，是一種具有纖維結(jié)構(gòu)和波導(dǎo)特性的“準(zhǔn)一維”功能晶體材料。其結(jié)合了傳統(tǒng)玻璃光纖大長(zhǎng)徑比的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及體塊晶體優(yōu)異的物理和化學(xué)性能，在高功率激光、高能射線探測(cè)、高溫傳感、信息通信等眾多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景。近年來，隨著航空航天、核電工業(yè)以及先進(jìn)制造業(yè)的飛速發(fā)展，常常會(huì)面臨高溫、高壓、強(qiáng)氧化、強(qiáng)輻射、強(qiáng)腐蝕以及強(qiáng)電磁干擾等惡劣的溫場(chǎng)環(huán)境，而目前傳統(tǒng)的溫度傳感器難以滿足惡劣環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間、高精度的測(cè)溫需求。以高溫氧化物單晶光纖為基質(zhì)材料的新型高溫傳感器憑借其使用溫度高、體積小、抗氧化、成本低等優(yōu)勢(shì)，在國(guó)際范圍內(nèi)引起了廣泛的關(guān)注。01單晶光纖制備技術(shù)作者首先回顧了三種典型的單晶光纖制備技術(shù)，即激光加熱基座法（LHPG）、微下拉法（μ-PD）、導(dǎo)模法（EFG）的發(fā)展歷程，總結(jié)了國(guó)內(nèi)外單晶光纖制備領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，并對(duì)上述三種方法的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比。EFG與μ-PD法的主要優(yōu)勢(shì)在于可以生長(zhǎng)晶體質(zhì)量較高的異型晶體光纖材料，并且可以實(shí)現(xiàn)批量制備；LHPG技術(shù)則主要面向直徑100μm以下大長(zhǎng)徑比柔性單晶光纖的制備，同時(shí)其無(wú)坩堝生長(zhǎng)的技術(shù)特點(diǎn)也使其成為制備高熔點(diǎn)單晶光纖的主要方法。圖1

（a）LHPG技術(shù)原理圖；（b）LHPG單晶光纖生長(zhǎng)流程表1

LHPG技術(shù)所取得的代表性成果圖2

國(guó)際范圍內(nèi)LHPG單晶光纖制備代表成果。（a）美國(guó)羅格斯大學(xué)；（b）美國(guó)沙斯塔公司；（c）美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室圖3

（a）EFG法晶體生長(zhǎng)原理圖；（b）EFG法同時(shí)生長(zhǎng)100根直徑150~300μm藍(lán)寶石單晶光纖圖4

μ-PD單晶生長(zhǎng)原理圖同時(shí)作者也對(duì)國(guó)內(nèi)單晶光纖的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹，國(guó)內(nèi)單晶光纖領(lǐng)域的研究起步較晚，但近年來發(fā)展勢(shì)頭迅猛。山東大學(xué)是國(guó)內(nèi)最早開展微下拉法單晶光纖生長(zhǎng)研究的單位，于2012年自主設(shè)計(jì)并研發(fā)的微下拉單晶生長(zhǎng)爐，并于2017年引進(jìn)了商品化LHPG單晶生長(zhǎng)平臺(tái)，形成完整的單晶光纖生長(zhǎng)平臺(tái)，成功實(shí)現(xiàn)了YAG、LuAG、CGA、YSGG、Lu2O3等高質(zhì)量激光單晶光纖，以及Al2O3、MgAl2O4、ZrO2等高溫傳感單晶光纖的制備，最小直徑<150μm，最大長(zhǎng)徑比超過2500:1。中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所、江蘇師范大學(xué)等研究單位也陸續(xù)開展相關(guān)研究工作，在氟化物單晶光纖制備，單晶光纖中紅外激光等領(lǐng)域取得了一系列研究成果。圖5

山東大學(xué)晶體光纖生長(zhǎng)平臺(tái)及制備的系列氧化物單晶光纖02單晶光纖高溫傳感技術(shù)單晶光纖高溫傳感器通常以高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度、耐腐蝕的氧化物單晶光纖作為基質(zhì)材料，具有結(jié)構(gòu)緊湊、測(cè)溫精度高、抗電磁干擾、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，近年來受到廣泛關(guān)注，有利于實(shí)現(xiàn)惡劣環(huán)境中實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)。目前單晶光纖高溫傳感器主要集中于熒光、熱輻射、非線性光學(xué)、光干涉以及超聲波導(dǎo)等技術(shù)，通過建立起特定物理參量與溫度的相互關(guān)系進(jìn)行溫度的探測(cè)。熒光型測(cè)溫主要是利用材料的熒光壽命或熒光強(qiáng)度與溫度之間的相互關(guān)系進(jìn)行溫度的測(cè)量，其測(cè)量精度較高，響應(yīng)速度較快，但是，由于熒光淬滅效應(yīng)的影響，高溫下材料的熒光強(qiáng)度一般較弱，因而其主要面向中低溫環(huán)境進(jìn)行高精度的溫度檢測(cè)。圖6

（a）熒光型光纖溫度傳感器原理；（b）熒光衰減隨溫度變化趨勢(shì)光干涉型單晶光纖高溫傳感器主要是利用干涉信號(hào)隨溫度的變化關(guān)系進(jìn)行溫度的探測(cè)，因其具有較高的靈敏度和較寬的測(cè)溫區(qū)間在近年來得到了廣泛的研究，主要包括法布里-珀羅干涉儀（Fabry–PerotInterferometer,FPI）傳感器、光纖布拉格光柵（FiberBraggGrating,FBG）傳感器、邁克爾遜干涉儀傳感器（MichelsonInterferometer,MI）。圖7

藍(lán)寶石單晶光纖FP溫度傳感器圖8

可實(shí)現(xiàn)一維分布式溫度實(shí)時(shí)探測(cè)的藍(lán)寶石單晶光纖FBG傳感器圖9

藍(lán)寶石單晶光纖MI溫度傳感器拉曼分布式光纖溫度傳感器依靠短而強(qiáng)的激光脈沖在傳感光纖中傳播產(chǎn)生拉曼散射，通過斯托克斯散射和反斯托克斯散射的比值可以估計(jì)溫度，而位置信息則是由背向散射的往返時(shí)間所確定的，主要應(yīng)用于大規(guī)模、遠(yuǎn)距離的溫度監(jiān)控。圖10

（a）藍(lán)寶石單晶光纖拉曼分布式溫度傳感系統(tǒng)；（b）沿光纖長(zhǎng)度方向溫度分布黑體輻射型光纖溫度傳感器是在單晶光纖一端涂覆具有高發(fā)射率的感溫材料，形成黑體腔，通過分析熱輻射中心波長(zhǎng)與溫度的函數(shù)關(guān)系實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量。根據(jù)普朗克定律，輻射強(qiáng)度與溫度的四次方成正比，即在低溫下傳感器熱輻射強(qiáng)度較低，難以實(shí)現(xiàn)高性能的溫度探測(cè)，因此該類傳感器主要應(yīng)用于500~2000℃高溫環(huán)境的溫度測(cè)量。圖11

藍(lán)寶石單晶光纖黑體輻射型溫度傳感器單晶光纖超聲溫度傳感器的原理是超聲波在介質(zhì)中的傳播速度與介質(zhì)溫度存在一定的函數(shù)關(guān)系，可以通過分析聲速信息進(jìn)行點(diǎn)式或分布式溫度探測(cè)。山東大學(xué)晶體材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陶緒堂教授團(tuán)隊(duì)與中北大學(xué)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室合作，首次將石榴石結(jié)構(gòu)以及尖晶石結(jié)構(gòu)單晶光纖材料與超聲傳感技術(shù)相結(jié)合，揭示了晶體結(jié)構(gòu)、光纖尺寸、離子摻雜、晶體取向、聲波模式等因素對(duì)單晶光纖聲學(xué)性能以及高溫傳感特性的影響規(guī)律，優(yōu)化了傳感器性能。該團(tuán)隊(duì)利用尖晶石系列單晶光纖成功制備出滿足2000℃高溫探測(cè)需求的溫度傳感器，500℃時(shí)溫度分辨率為1℃，1200℃時(shí)溫度分辨率可達(dá)0.74℃，性能隨著溫度升高呈上升趨勢(shì)，展現(xiàn)出在高溫惡劣環(huán)境下的優(yōu)異性能和良好的應(yīng)用前景。圖12

（a）尖晶石單晶光纖彈性各向異性；（b）單晶光纖高溫試驗(yàn)；（c）尖晶石單晶光纖超聲溫度傳感器分辨率表2

部分單晶光纖高溫傳感器性能總結(jié)03結(jié)語(yǔ)與展望高性能單晶光纖材料已經(jīng)成為下一代光纖器件最具潛力的載體之一。隨著對(duì)單晶光纖研究的不斷深入，其應(yīng)用范圍不再局限于激光增益介質(zhì)，以藍(lán)寶石、尖晶石、稀土倍半氧化物為代表的高熔點(diǎn)氧化物單晶光纖材料已經(jīng)逐漸成為高溫傳感器的研究熱點(diǎn)，涵蓋了熒光、輻射、光干涉、超聲波導(dǎo)等眾多傳感技術(shù)并取得了一系列優(yōu)異的研究成果。其中稀土倍半氧化物(Lu2O3、Y2O3、Sc2O3)熔點(diǎn)均超過2400℃，且具有優(yōu)異的光學(xué)