单晶光纤制备及高温传感器研究进展

单晶光纤，又称“晶体纤维”，是一种具有纤维结构和波导特性的“准一维”功能晶体材料。其结合了传统玻璃光纤大长径比的结构特点以及体块晶体优异的物理和化学性能，在高功率激光、高能射线探测、高温传感、信息通信等众多领域都有着广泛的应用前景。近年来，随着航空航天、核电工业以及先进制造业的飞速发展，常常会面临高温、高压、强氧化、强辐射、强腐蚀以及强电磁干扰等恶劣的温场环境，而目前传统的温度传感器难以满足恶劣环境中长时间、高精度的测温需求。以高温氧化物单晶光纤为基质材料的新型高温传感器凭借其使用温度高、体积小、抗氧化、成本低等优势，在国际范围内引起了广泛的关注。01单晶光纤制备技术作者首先回顾了三种典型的单晶光纤制备技术，即激光加热基座法（LHPG）、微下拉法（μ-PD）、导模法（EFG）的发展历程，总结了国内外单晶光纤制备领域的研究现状，并对上述三种方法的技术特点进行了对比。EFG与μ-PD法的主要优势在于可以生长晶体质量较高的异型晶体光纤材料，并且可以实现批量制备；LHPG技术则主要面向直径100μm以下大长径比柔性单晶光纤的制备，同时其无坩埚生长的技术特点也使其成为制备高熔点单晶光纤的主要方法。图1

（a）LHPG技术原理图；（b）LHPG单晶光纤生长流程表1

LHPG技术所取得的代表性成果图2

国际范围内LHPG单晶光纤制备代表成果。（a）美国罗格斯大学；（b）美国沙斯塔公司；（c）美国海军实验室图3

（a）EFG法晶体生长原理图；（b）EFG法同时生长100根直径150~300μm蓝宝石单晶光纤图4

μ-PD单晶生长原理图同时作者也对国内单晶光纤的研究现状进行了介绍，国内单晶光纤领域的研究起步较晚，但近年来发展势头迅猛。山东大学是国内最早开展微下拉法单晶光纤生长研究的单位，于2012年自主设计并研发的微下拉单晶生长炉，并于2017年引进了商品化LHPG单晶生长平台，形成完整的单晶光纤生长平台，成功实现了YAG、LuAG、CGA、YSGG、Lu2O3等高质量激光单晶光纤，以及Al2O3、MgAl2O4、ZrO2等高温传感单晶光纤的制备，最小直径<150μm，最大长径比超过2500:1。中国科学院上海硅酸盐研究所、江苏师范大学等研究单位也陆续开展相关研究工作，在氟化物单晶光纤制备，单晶光纤中红外激光等领域取得了一系列研究成果。图5

山东大学晶体光纤生长平台及制备的系列氧化物单晶光纤02单晶光纤高温传感技术单晶光纤高温传感器通常以高熔点、高强度、耐腐蚀的氧化物单晶光纤作为基质材料，具有结构紧凑、测温精度高、抗电磁干扰、环境适应性强等特点，近年来受到广泛关注，有利于实现恶劣环境中实时温度监测。目前单晶光纤高温传感器主要集中于荧光、热辐射、非线性光学、光干涉以及超声波导等技术，通过建立起特定物理参量与温度的相互关系进行温度的探测。荧光型测温主要是利用材料的荧光寿命或荧光强度与温度之间的相互关系进行温度的测量，其测量精度较高，响应速度较快，但是，由于荧光淬灭效应的影响，高温下材料的荧光强度一般较弱，因而其主要面向中低温环境进行高精度的温度检测。图6

（a）荧光型光纤温度传感器原理；（b）荧光衰减随温度变化趋势光干涉型单晶光纤高温传感器主要是利用干涉信号随温度的变化关系进行温度的探测，因其具有较高的灵敏度和较宽的测温区间在近年来得到了广泛的研究，主要包括法布里-珀罗干涉仪（Fabry–PerotInterferometer,FPI）传感器、光纤布拉格光栅（FiberBraggGrating,FBG）传感器、迈克尔逊干涉仪传感器（MichelsonInterferometer,MI）。图7

蓝宝石单晶光纤FP温度传感器图8

可实现一维分布式温度实时探测的蓝宝石单晶光纤FBG传感器图9

蓝宝石单晶光纤MI温度传感器拉曼分布式光纤温度传感器依靠短而强的激光脉冲在传感光纤中传播产生拉曼散射，通过斯托克斯散射和反斯托克斯散射的比值可以估计温度，而位置信息则是由背向散射的往返时间所确定的，主要应用于大规模、远距离的温度监控。图10

（a）蓝宝石单晶光纤拉曼分布式温度传感系统；（b）沿光纤长度方向温度分布黑体辐射型光纤温度传感器是在单晶光纤一端涂覆具有高发射率的感温材料，形成黑体腔，通过分析热辐射中心波长与温度的函数关系实现温度的测量。根据普朗克定律，辐射强度与温度的四次方成正比，即在低温下传感器热辐射强度较低，难以实现高性能的温度探测，因此该类传感器主要应用于500~2000℃高温环境的温度测量。图11

蓝宝石单晶光纤黑体辐射型温度传感器单晶光纤超声温度传感器的原理是超声波在介质中的传播速度与介质温度存在一定的函数关系，可以通过分析声速信息进行点式或分布式温度探测。山东大学晶体材料国家重点实验室陶绪堂教授团队与中北大学国防科技重点实验室合作，首次将石榴石结构以及尖晶石结构单晶光纤材料与超声传感技术相结合，揭示了晶体结构、光纤尺寸、离子掺杂、晶体取向、声波模式等因素对单晶光纤声学性能以及高温传感特性的影响规律，优化了传感器性能。该团队利用尖晶石系列单晶光纤成功制备出满足2000℃高温探测需求的温度传感器，500℃时温度分辨率为1℃，1200℃时温度分辨率可达0.74℃，性能随着温度升高呈上升趋势，展现出在高温恶劣环境下的优异性能和良好的应用前景。图12

（a）尖晶石单晶光纤弹性各向异性；（b）单晶光纤高温试验；（c）尖晶石单晶光纤超声温度传感器分辨率表2

部分单晶光纤高温传感器性能总结03结语与展望高性能单晶光纤材料已经成为下一代光纤器件最具潜力的载体之一。随着对单晶光纤研究的不断深入，其应用范围不再局限于激光增益介质，以蓝宝石、尖晶石、稀土倍半氧化物为代表的高熔点氧化物单晶光纤材料已经逐渐成为高温传感器的研究热点，涵盖了荧光、辐射、光干涉、超声波导等众多传感技术并取得了一系列优异的研究成果。其中稀土倍半氧化物(Lu2O3、Y2O3、Sc2O3)熔点均超过2400℃，且具有优异的光学