高温环境下蓝宝石光纤微腔传感的研究进展

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2026.0066

人工晶体学报 ›› 2026, Vol. 55 ›› Issue (7): 1084-1092.DOI: 10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2026.0066

高温环境下蓝宝石光纤微腔传感的研究进展

韩松帅¹^,²^,³(), 代小爽¹^,²^,³, 江俊峰¹^,²^,³(), 王双¹^,²^,³(), 刘琨¹^,²^,³, 向梅⁴(), 陈鑫¹^,²^,³, 张建德⁵, 刘铁根¹^,²^,³

^1.天津大学精密测试技术及仪器全国重点实验室，天津 300072
^2.天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津 300072
^3.天津大学光电信息技术教育部重点实验室，天津 300072
^4.新疆师范大学物理与电子工程学院，乌鲁木齐 830054
^5.山东航天电子技术研究所，烟台 264670

收稿日期:2026-04-17 出版日期:2026-07-20 发布日期:2026-08-04
通信作者: 江俊峰，博士，教授。E-mail：jiangjfjxu@tju.edu.cn；
王双，博士，教授。E-mail：shuangwang@tju.edu.cn；
向梅，博士，教授。E-mail：xm120922@xjnu.edu.cn
作者简介:韩松帅（2003—），男，山西省人。E-mail：3021202212@tju.edu.cn
江俊峰，天津大学精密仪器与光电子工程学院教授、博士生导师，主要从事光纤传感、光电检测、光纤偏振技术等领域的研究工作。在PhotoniX、Photonics Research、Journal of Lightwave Technology等期刊发表SCI论文120余篇，授权中国发明专利81项、美国发明专利5项，研究成果“混合式光纤传感技术及其在工程安全监测领域中的应用”获国家技术发明二等奖（2016年）。
王双，天津大学精密仪器与光电子工程学院教授、博士生导师，主要从事光纤传感技术、光电检测技术等领域的研究工作。近年来承担多项国家级科研项目，研究成果获天津市科技进步二等奖、中国光学科技奖二等奖等。
向梅，新疆师范大学物理与电子工程学院教授、博士生导师，现任学院院长，博士毕业于新疆大学物理化学专业。主要研究方向为原子分子物理、超快激光光谱及分子超快动力学。主持国家级、省部级科研项目多项，并获得自治区级教学能手等荣誉。
基金资助:
国家重点研发计划(2023YFF0715700);国家自然科学基金(U23A20375);国家自然科学基金(62575212);京津冀自然科学基金合作专项(25JJJJC0022)

Research Progress of Sapphire Fiber Microcavity Sensing in High-Temperature Environment

HAN Songshuai¹^,²^,³(), DAI Xiaoshuang¹^,²^,³, JIANG Junfeng¹^,²^,³(), WANG Shuang¹^,²^,³(), LIU Kun¹^,²^,³, XIANG Mei⁴(), CHEN Xin¹^,²^,³, ZHANG Jiande⁵, LIU Tiegen¹^,²^,³

^1.State Key Laboratory of Precision Measurement Technology and Instruments，Tianjin University，Tianjin 300072，China
^2.School of Precision Instruments and Opto-Electronics Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China
^3.Key Laboratory of Opto-Electronics Information Technology （Ministry of Education），Tianjin University，Tianjin 300072，China
^4.School of Physics and Electronic Engineering，Xinjiang Normal University，Urumqi 830054，China
^5.Shandong Institute of Space Electronic Technology，Yantai 264670，China

Received:2026-04-17 Online:2026-07-20 Published:2026-08-04

摘要/Abstract

摘要： 光纤法布里-珀罗（Fabry-Perot， F-P）微腔传感器凭借抗电磁干扰、环境适应性强、体积小及精度高等优势，在高温环境下的物理参量传感领域得到广泛关注。本文综述了蓝宝石光纤F-P微腔传感器的研究进展，梳理了本征型、空气隙型、晶片型、沉积薄膜型及复合腔型微腔传感器的结构特性与高温性能，总结了传感器在高温环境下的稳定测量能力，测温最高可达1 800 ℃。当前微腔传感技术面临高温长期稳定性、多参数解耦、系统集成及规模化制备工艺等关键挑战，在新工艺制造技术推动下，蓝宝石光纤F-P微腔传感器正朝着微型化、批量化制备及多用途化方向发展。

关键词: 法布里-珀罗; 高温环境; 物理参量测量; 微腔传感器; 蓝宝石光纤; 传感器结构; 温度测量

Abstract: Fiber Fabry-Perot （F-P） microcavity sensors garner widespread attention in the field of physical parameter sensing under high-temperature environments， owing to their advantages such as electromagnetic interference immunity， strong environmental adaptability， small size， and high precision. This paper reviews the research progress of sapphire fiber F-P microcavity sensors. The structural characteristics and high-temperature performance of intrinsic type， air-gap type， wafer type， thin-film deposition type， and composite cavity type microcavity sensors are sorted out， summarizing their stable measurement capability in high-temperature environments， with a maximum temperature measurement of up to 1 800 ℃. The current microcavity sensing technologies are confronted with key challenges， including long-term high-temperature stability， multi-parameter decoupling， system integration and large-scale preparation processes. Driven by new manufacturing technologies， sapphire fiber F-P microcavity sensors are moving towards miniaturization， batch fabrication， and multi-purpose applications.

Key words: Fabry-Perot; high-temperature environment; physical parameter measurement; microcavity sensor; sapphire fiber; sensor structure; temperature measurement

中图分类号:

TN29

韩松帅, 代小爽, 江俊峰, 王双, 刘琨, 向梅, 陈鑫, 张建德, 刘铁根. 高温环境下蓝宝石光纤微腔传感的研究进展[J]. 人工晶体学报, 2026, 55(7): 1084-1092.

HAN Songshuai, DAI Xiaoshuang, JIANG Junfeng, WANG Shuang, LIU Kun, XIANG Mei, CHEN Xin, ZHANG Jiande, LIU Tiegen. Research Progress of Sapphire Fiber Microcavity Sensing in High-Temperature Environment[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2026, 55(7): 1084-1092.

图/表 12

图1 蓝宝石光纤F-P微腔传感器基本构型。（a）本征型；（b）空气隙型；（c）沉积薄膜型；（d）晶片型；（e）复合腔型

Fig.1 Basic configurations of sapphire fiber F-P microcavity sensors. （a） Intrinsic type；（b） air-gap type；（c） thin-film deposition type；（d） wafer type；（e） composite cavity type

表1 不同构型蓝宝石光纤F-P微腔传感器综合性能对比

Table 1 Comprehensive performance comparison of sapphire fiber F-P microcavity sensors with different configurations

指标类型	本征型	空气隙型	沉积薄膜型	晶片型	复合腔型
测温上限/℃	<1 500	<1 050	约1 000	约1 800	1 400~1 500
压力灵敏度	—	—	—	0.877 µm/MPa（室温） 1.193 µm/MPa（1 200 ℃）	0.325 3 µm/MPa （1 400 ℃）
长期稳定性	良	差	差	优	良
制作工艺复杂度	低	中	中	高	高
主要优势	结构简单，成本低	腔长可灵活调节，易串联复用	体积小，反射率可调	耐温上限高，无胶封装稳定性好	多参量同时测量，集成度高
主要劣势	模场失配损耗大，熔接点高温易损	端面平行度要求高，热膨胀差异导致线性度差	测温上限受限于材料性质	装配精度要求高，干涉条纹对比度差	结构设计与信号解调复杂，键合工艺要求高

图2 三段拼接式空气隙型F-P微腔传感器示意图［20］

Fig.2 Schematic diagram of three-segment spliced air-gap type F-P microcavity sensor［20］

图3 45°端面抛光的蓝宝石晶片型微腔温度传感器结构示意图［25］

Fig.3 Structure diagram of 45° end-face polished sapphire wafer type microcavity temperature sensor［25］

图4 自滤波高分辨率蓝宝石光纤微腔高温传感器［26］。（a）传感器结构示意图；（b）传感器光传输路径

Fig.4 Self-filtering high-resolution sapphire fiber microcavity high-temperature sensor［26］. （a） Schematic diagram of sensor structure；（b） optical transmission path of sensor

图5 全蓝宝石F-P微腔压力传感结构示意图［29］

Fig.5 Schematic diagram of all-sapphire F-P microcavity pressure sensing structure［29］

图6 键合蓝宝石微腔样品照片［29］（a）和晶片熔接后的光纤端部图像［31］（b）

Fig.6 Photo of bonded sapphire microcavity sample［29］（a） and image of wafer-welded fiber end［31］（b）

图7 蓝宝石敏感膜片湿法刻蚀工艺流程图［32］（a）和传感器示意图［34］（b）

Fig.7 Flowchart of wet etching process for sapphire-sensitive film［32］（a） and schematic of sensor［34］（b）

图8 直接键合型蓝宝石光纤高温传感器［35］。（a）传感器示意图；（b）传感器照片

Fig.8 Direct-bonded type sapphire fiber high-temperature sensor［35］. （a） Schematic diagram of sensor；（b） photo of sensor

图9 放置于1 600 ℃环境下24 h后的蓝宝石光纤表面照片［35］。（a）有惰性气体保护；（b）无保护

Fig.9 Surface images of sapphire fiber after being placed in a 1 600 ℃ environment for 24 h ［35］. （a） With inert gas protection；（b） without protection

图10 混合蓝宝石双F-P微腔结构［36］。（a）传感器示意图；（b）传感器的光传输路径

Fig.10 Hybrid sapphire dual F-P microcavity structure［36］. （a） Schematic diagram of sensor；（b） optical transmission path of sensor

图11 全蓝宝石双参量测量传感器结构［38］。（a）传感器示意图；（b）蓝宝石毛细管侧视显微照片；（c）通孔显微照片

Fig.11 Structure of all-sapphire dual-parameter measurement sensor［38］. （a） Schematic diagram of sensor；（b） side view microscopic image of sapphire capillary；（c） microscopic image of through-hole

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