蓝宝石衍生光纤及传感器研究进展
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第３６卷
发大多采用标准石英单模光纤 ，研 制各种 结构的高温传 感器 ，如法一珀腔 、光纤光栅 、干涉结构 等ｌ＂ 引．然而 ，受限于现有低 浓度 掺杂纤芯 ，在较 高温度 下工作 时，光纤器件稳定性和传感光 纤的机械强度均会劣化 ，严重制约了光纤传感器的应用．因此 ，需要探索并研 制一种具有 良好 机械性能的耐高温光纤 ，以实现高温光纤传感技术 的新突破．
中图分类号 ：Ｐ７５１．１
文章编号：０２５５。８２９７（２０１８）０１—００５９．１６
Ｒ ｅｓｅａｒｃｈ Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆ Ｓａｐｐｈｉｒｅ－Ｄ ｅｒｉｖｅｄ Ｆｉｂｅｒｓ ａｎｄ Ｓｅｎｓｏｒｓ
ＰＡＮＧ Ｆｕ—ｆｅｉ， Ｍ Ａ Ｚｈａｎｇ—ｗｅｉ， ＬＩＵ Ｈｕａｎ—ｈｕａｎ， ＣＨＥＮ Ｎａ， ＣＨＥＮ Ｚｈｅｎ—ｙｉ， Ｗ ＡＮ Ｇ Ｔｉｎｇ·ｙｕｎ
ｔｙｐｉｃａｌ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｏｆ ＳＤＦ ａｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ｍａｉｎｌｙ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇ（ＦＢＧ）， Ｆａｂｒｙ—Ｐｅｒｏｔ（Ｆ—Ｐ）ｃａｖｉｔｙ，ｌｏｎｇ ｐｅｒｉｏｄ ｇｒａｔｉｎｇ （ＬＰＧ）ａｎｄ Ｍａｃｈ—Ｚｅｈｎｄｅｒ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ （Ｍ—Ｚ）．Ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｔｈｅｓｅ ＳＤＦ—ｂａｓｅｄ ｓｅｎｓｏｒｓ ａｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ
的基 本特性 ，然后结合 该课题组近 几年在该方 向的研 究进展 ，对基 于蓝宝石衍生 光纤的布拉
格光栅 、法布里 珀罗腔、长周期光栅和 马赫．曾德 尔干涉 仪进 行重点讨论，分析 了基于蓝宝石
衍生光纤传感器 的工作原理和实现方法．
关键词 ：蓝宝石衍生光纤 ；光纤布拉格光栅；法布里一珀 罗腔 ；长周期光栅 ；马赫一曾德尔干涉仪
第３６卷 第１期
应 用 科 学 学 报
Ｖｏ１．３６ Ｎｏ．１
２０１８年 １月
ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＡＰＰＬＩＥＤ ＳＣＩＥＮＣＥＳ— Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍ ａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｊａｎ．２０１８
ＤＯＩ：１０．３９６９￣．ｉｓｓｎ．０２５５—８２９７．２０１８．Ｏ１．００４
收稿 日期：２０１￣Ｉｉ一３０ 基金项 目：国家 自然科学基金 （Ｎｏ．６１４２２５０７）；国家重点研发计划仪器专项 （Ｎｏ．２０１６ＹＦＦ０１００６００）资助 作者简介：庞拂飞，教授，博导，研究方向：特种光纤器件与光纤传感，Ｅ—ｍａｉｌ：ｆｐａｎｇ＠ｓｈｕ．ｅｄｕ。ｃｎ
应 用 科 学 学 报
Ｋｅｙ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｓｐｅｃｉａｌｔｙ Ｆｉｂｅｒ Ｏｐｔｉｃｓ ａｎｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｃｃｅｓｓ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０ｏ４ ，Ｃｈｉｎａ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓａｐｐｈｉｒｅ—ｄｅｒｉｖｅｄ ｆｉｂｅｒ（ＳＤＦ）ｈａｓ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｇｏｏｄ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒ—
ｔｉｅｓ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ．Ｉｔ ｈａｓ ａ ｗｉｄｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｉｎ ｈｉｇｈ ｔｅｍ ｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｓｔｒａｉｎ ｓｅｎｓｏｒｓ．Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｂｒｉｅｆ ｌｙ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｂａｓｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒ— ｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ＳＤＦ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｃｃｏｍｐｌｉｓｈｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｕｔｈｏｒｓ’ｇｒｏｕｐ ｉｎ ｒｅｃｅｎｔ ｙｅａｒｓ．
２０１２年 美 国克 莱姆 森 大 学 Ｂａｌｌａｔｏ等［２３】首 次提 出并 拉 制 出蓝 宝石 衍 生光 纤 （ｓａｐｐｈｉｒｅ— ｄｅｒｉｖｅｄ ｆｉｂｅｒ，ＳＤＦ），这种 光 纤是 以单 晶蓝宝 石 光纤 （熔 点为 ２ ０４５。Ｃ）为芯棒 、石英 为套 管 ，在高 温条 件下 拉丝 而成 的一种 特 种光 纤．在 高温拉 丝过 程 中，蓝 宝石熔 化 与熔融 石英 材料 发生扩 散［２４１，从而形 成高浓 度氧化 铝掺 杂的氧 化铝 玻璃纤 芯．该方法 不 同于 传统 的体 块 Ａｌ２Ｏ３一ＳｉＯ２玻璃制各 工艺 ，无需超快速 的冷却过程 ，只需通 过拉丝工艺 自然 降温 过程 就可 以获得 ４２ ｍｏ１％高浓度 的 Ａｌ２０３一Ｓｉ０２玻 璃纤芯 ，且通过控制 拉丝工艺参数 ，可 以实现 调控掺 杂浓 度．基 于该特性 可调控纤 芯布里渊增 益系数 ，为实现单 一参量布 里渊 应变分布 测试传 感 系统提供特种传感光纤支撑 ［２３ 引．此后，蓝宝石衍生光纤的高浓度掺杂纤芯得到 了广泛关注 ， 文献 ｆ２６—２８１分别利用飞秒激光在蓝宝石衍生光纤上刻写 ＦＢＧ，探索在高温光纤传感器ｏ 领ＩＩ 域的Ｉｐ 口ｕＩ 应用 ；文献 『２９—３１１利用蓝宝石衍 生光纤分别制作 了法一珀腔传感器 、长周期光栅和 马赫一曾德尔 干涉仪 ．
ａｎｄ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ． Ｋ ｅｙｗｏｒｄｓ： ｓａｐｐｈｉｒｅ—ｄｅｒｉｖｅｄ ｆｉｂｅｒ，ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇ，Ｆａｂｒｙ—Ｐｅｒｏｔ ｃａｖｉｔｙ，ｌｏｎｇ ｐｅｒｉｏｄ ｇｒａｔｉｎｇ ｓｅｎｓｏｒ，Ｍ ａｃｈ—Ｚｅｈｎｄｅｒ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍ ｅｔｅｒ
光纤传感器具有尺寸小 、质量轻 、灵敏度高 、绝缘性好 、易于大 规模组网和抗 电磁干扰 能 力 强等优点ｆ 一 ］，在大型 结构、航空航天 、智 能电网、智 能交通 、生物化学 等方面具有广 阔的 应用前 景，是 当前传 感器领域 的研 究热 点［。 ］．用于高温 高压恶劣环境监 测的光纤传感 器开
蓝 宝石衍生光纤及传 感器研究进展
庞拂 飞， 马章微， 刘奂奂， 陈 娜 ， 陈振 宜， 王廷云
上海大学 特种光纤与光接入网重点实验室，上海 ２００４４４
摘 要 ：蓝宝石衍生光纤 （ｓａｐｐｈｉｒｅ－ｄｅｒｉｖｅｄ ｆｉｂｅｒ，ＳＤＦ）具有机械强度 良好 、耐高温等 性能，
在 高温传感 、分布 式应 力传感等 方面有广 阔应用 前景．该文首先简 要介绍 了蓝 宝石衍生光纤
第３６卷
发大多采用标准石英单模光纤 ，研 制各种 结构的高温传 感器 ，如法一珀腔 、光纤光栅 、干涉结构 等ｌ＂ 引．然而 ，受限于现有低 浓度 掺杂纤芯 ，在较 高温度 下工作 时，光纤器件稳定性和传感光 纤的机械强度均会劣化 ，严重制约了光纤传感器的应用．因此 ，需要探索并研 制一种具有 良好 机械性能的耐高温光纤 ，以实现高温光纤传感技术 的新突破．
中图分类号 ：Ｐ７５１．１
文章编号：０２５５。８２９７（２０１８）０１—００５９．１６
Ｒ ｅｓｅａｒｃｈ Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆ Ｓａｐｐｈｉｒｅ－Ｄ ｅｒｉｖｅｄ Ｆｉｂｅｒｓ ａｎｄ Ｓｅｎｓｏｒｓ
ＰＡＮＧ Ｆｕ—ｆｅｉ， Ｍ Ａ Ｚｈａｎｇ—ｗｅｉ， ＬＩＵ Ｈｕａｎ—ｈｕａｎ， ＣＨＥＮ Ｎａ， ＣＨＥＮ Ｚｈｅｎ—ｙｉ， Ｗ ＡＮ Ｇ Ｔｉｎｇ·ｙｕｎ
ｔｙｐｉｃａｌ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｏｆ ＳＤＦ ａｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ｍａｉｎｌｙ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇ（ＦＢＧ）， Ｆａｂｒｙ—Ｐｅｒｏｔ（Ｆ—Ｐ）ｃａｖｉｔｙ，ｌｏｎｇ ｐｅｒｉｏｄ ｇｒａｔｉｎｇ （ＬＰＧ）ａｎｄ Ｍａｃｈ—Ｚｅｈｎｄｅｒ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ （Ｍ—Ｚ）．Ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｔｈｅｓｅ ＳＤＦ—ｂａｓｅｄ ｓｅｎｓｏｒｓ ａｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ
的基 本特性 ，然后结合 该课题组近 几年在该方 向的研 究进展 ，对基 于蓝宝石衍生 光纤的布拉
格光栅 、法布里 珀罗腔、长周期光栅和 马赫．曾德 尔干涉 仪进 行重点讨论，分析 了基于蓝宝石
衍生光纤传感器 的工作原理和实现方法．
关键词 ：蓝宝石衍生光纤 ；光纤布拉格光栅；法布里一珀 罗腔 ；长周期光栅 ；马赫一曾德尔干涉仪
第３６卷 第１期
应 用 科 学 学 报
Ｖｏ１．３６ Ｎｏ．１
２０１８年 １月
ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＡＰＰＬＩＥＤ ＳＣＩＥＮＣＥＳ— Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍ ａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｊａｎ．２０１８
ＤＯＩ：１０．３９６９￣．ｉｓｓｎ．０２５５—８２９７．２０１８．Ｏ１．００４
收稿 日期：２０１￣Ｉｉ一３０ 基金项 目：国家 自然科学基金 （Ｎｏ．６１４２２５０７）；国家重点研发计划仪器专项 （Ｎｏ．２０１６ＹＦＦ０１００６００）资助 作者简介：庞拂飞，教授，博导，研究方向：特种光纤器件与光纤传感，Ｅ—ｍａｉｌ：ｆｐａｎｇ＠ｓｈｕ．ｅｄｕ。ｃｎ
应 用 科 学 学 报
Ｋｅｙ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｓｐｅｃｉａｌｔｙ Ｆｉｂｅｒ Ｏｐｔｉｃｓ ａｎｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｃｃｅｓｓ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０ｏ４ ，Ｃｈｉｎａ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓａｐｐｈｉｒｅ—ｄｅｒｉｖｅｄ ｆｉｂｅｒ（ＳＤＦ）ｈａｓ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｇｏｏｄ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒ—
ｔｉｅｓ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ．Ｉｔ ｈａｓ ａ ｗｉｄｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｉｎ ｈｉｇｈ ｔｅｍ ｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｓｔｒａｉｎ ｓｅｎｓｏｒｓ．Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｂｒｉｅｆ ｌｙ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｂａｓｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒ— ｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ＳＤＦ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｃｃｏｍｐｌｉｓｈｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｕｔｈｏｒｓ’ｇｒｏｕｐ ｉｎ ｒｅｃｅｎｔ ｙｅａｒｓ．
２０１２年 美 国克 莱姆 森 大 学 Ｂａｌｌａｔｏ等［２３】首 次提 出并 拉 制 出蓝 宝石 衍 生光 纤 （ｓａｐｐｈｉｒｅ— ｄｅｒｉｖｅｄ ｆｉｂｅｒ，ＳＤＦ），这种 光 纤是 以单 晶蓝宝 石 光纤 （熔 点为 ２ ０４５。Ｃ）为芯棒 、石英 为套 管 ，在高 温条 件下 拉丝 而成 的一种 特 种光 纤．在 高温拉 丝过 程 中，蓝 宝石熔 化 与熔融 石英 材料 发生扩 散［２４１，从而形 成高浓 度氧化 铝掺 杂的氧 化铝 玻璃纤 芯．该方法 不 同于 传统 的体 块 Ａｌ２Ｏ３一ＳｉＯ２玻璃制各 工艺 ，无需超快速 的冷却过程 ，只需通 过拉丝工艺 自然 降温 过程 就可 以获得 ４２ ｍｏ１％高浓度 的 Ａｌ２０３一Ｓｉ０２玻 璃纤芯 ，且通过控制 拉丝工艺参数 ，可 以实现 调控掺 杂浓 度．基 于该特性 可调控纤 芯布里渊增 益系数 ，为实现单 一参量布 里渊 应变分布 测试传 感 系统提供特种传感光纤支撑 ［２３ 引．此后，蓝宝石衍生光纤的高浓度掺杂纤芯得到 了广泛关注 ， 文献 ｆ２６—２８１分别利用飞秒激光在蓝宝石衍生光纤上刻写 ＦＢＧ，探索在高温光纤传感器ｏ 领ＩＩ 域的Ｉｐ 口ｕＩ 应用 ；文献 『２９—３１１利用蓝宝石衍 生光纤分别制作 了法一珀腔传感器 、长周期光栅和 马赫一曾德尔 干涉仪 ．
ａｎｄ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ． Ｋ ｅｙｗｏｒｄｓ： ｓａｐｐｈｉｒｅ—ｄｅｒｉｖｅｄ ｆｉｂｅｒ，ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇ，Ｆａｂｒｙ—Ｐｅｒｏｔ ｃａｖｉｔｙ，ｌｏｎｇ ｐｅｒｉｏｄ ｇｒａｔｉｎｇ ｓｅｎｓｏｒ，Ｍ ａｃｈ—Ｚｅｈｎｄｅｒ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍ ｅｔｅｒ
光纤传感器具有尺寸小 、质量轻 、灵敏度高 、绝缘性好 、易于大 规模组网和抗 电磁干扰 能 力 强等优点ｆ 一 ］，在大型 结构、航空航天 、智 能电网、智 能交通 、生物化学 等方面具有广 阔的 应用前 景，是 当前传 感器领域 的研 究热 点［。 ］．用于高温 高压恶劣环境监 测的光纤传感 器开
蓝 宝石衍生光纤及传 感器研究进展
庞拂 飞， 马章微， 刘奂奂， 陈 娜 ， 陈振 宜， 王廷云
上海大学 特种光纤与光接入网重点实验室，上海 ２００４４４
摘 要 ：蓝宝石衍生光纤 （ｓａｐｐｈｉｒｅ－ｄｅｒｉｖｅｄ ｆｉｂｅｒ，ＳＤＦ）具有机械强度 良好 、耐高温等 性能，
在 高温传感 、分布 式应 力传感等 方面有广 阔应用 前景．该文首先简 要介绍 了蓝 宝石衍生光纤