镁铝尖晶石单晶光纤光栅的制备及超高温传感特性研究

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2026.0076

人工晶体学报 ›› 2026, Vol. 55 ›› Issue (7): 1127-1134.DOI: 10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2026.0076

镁铝尖晶石单晶光纤光栅的制备及超高温传感特性研究

李倩华¹(), 王涛², 李锦烁¹, 国旗¹(), 张健²^,³, 贾志泰², 于永森¹()

^1.吉林大学电子科学与工程学院、集成电路学院，集成光电子全国重点实验室，长春 130012
^2.山东大学晶体材料全国重点实验室，晶体材料研究院，新一代半导体材料研究院，济南 250100
^3.江苏晶英光电科技有限公司，徐州 221116

收稿日期:2026-04-30 出版日期:2026-07-20 发布日期:2026-08-04
通信作者: 国旗，博士，助理教授。E-mail：qiguo@jlu.edu.cn；
于永森，博士，教授。E-mail：yuys@jlu.edu.cn
作者简介:李倩华（1999—），女，山东省人，博士研究生。E-mail：qhli24@mails.jlu.edu.cn
国旗，助理教授，2016年和2022年在吉林大学电子科学与工程学院分别获得学士和博士学位，主要从事飞秒激光微纳加工、特种光纤光栅制备、单晶光纤光栅超高温传感等研究。主持国家自然科学基金青年基金项目，近年来在International Journal of Extreme Manufacturing、Journal of Lightwave Technology、Optics Letters等学术期刊发表SCI论文30余篇，授权发明专利5项。
于永森，教授、博士生导师。主要从事飞秒激光微纳加工、特种光纤光栅制备、超高温光纤传感器等研究。主持和参加了国家自然科学基金重大项目、重点项目等。近年来在International Journal of Extreme Manufacturing、Journal of Lightwave Technology、Optics Letters等学术期刊发表SCI论文60余篇，授权国家发明专利10项。研究成果获得教育部自然科学奖一等奖一项、吉林省科学技术奖一等奖一项。
基金资助:
国家自然科学基金(U24A20312);国家自然科学基金(62305130);国家自然科学基金(62131018);国家自然科学基金(62435012);国家重点研发计划(2023YFB4606900);国家科技重大专项(2025ZD0617200)

Fabrication and Ultra-High Temperature Sensing Characteristics of MgAl₂O₄ Single-Crystal Fiber Bragg Gratings

LI Qianhua¹(), WANG Tao², LI Jinshuo¹, GUO Qi¹(), ZHANG Jian²^,³, JIA Zhitai², YU Yongsen¹()

^1.State Key Laboratory of Integrated Optoelectronics，College of Electronic Science and Engineering，College of Integrated Circuits，Jilin University，Changchun 130012，China
^2.Institute of Novel Semiconductors，Institute of Crystal Materials，State Key Laboratory of Crystal Materials，Shandong University，Jinan 250100，China
^3.Jiangsu Jingying Optoelectronics Technology Co.，Ltd.，Xuzhou 221116，China

Received:2026-04-30 Online:2026-07-20 Published:2026-08-04

摘要/Abstract

摘要： 针对极端高温环境下高温监测的需求，本文采用飞秒激光逐线扫描技术在［100］、［110］及［111］三种不同晶向的镁铝尖晶石单晶光纤（MSCF）中刻写了高质量光栅，并对其在室温（20 ℃）至1 600 ℃的温度响应特性进行了实验分析。结果表明，不同晶向的光栅均表现出良好的热稳定性与循环重复性，其中心波长随温度升高呈规律性红移趋势，且得益于立方晶系的各向同性，三种晶向的光栅在高温区展现出相近的灵敏度（约 39 pm/℃）。通过与蓝宝石光纤布拉格光栅的传感特性对比分析，进一步验证了MSCF在高温环境中的潜在优势及在超高温极端环境传感领域的应用潜力。

关键词: 飞秒激光; 镁铝尖晶石单晶光纤; 晶体取向; 逐线扫描; 光纤布拉格光栅; 高温传感

Abstract: In order to meet the demand for high-temperature monitoring in extreme high-temperature environments， this paper employs a femtosecond laser line-by-line scanning technique to inscribe high-quality gratings in magnesium aluminate （MgAl₂O₄） single-crystal fibers （MSCF） oriented along the ［100］，［110］， and ［111］ crystallographic directions， respectively. The temperature response characteristics of these gratings were experimentally analyzed over the temperature range from room temperature （20 ℃） to 1 600 ℃. The results indicate that gratings with different crystal orientations exhibit excellent thermal stability and cyclic repeatability， and their central wavelengths show a regular redshift trend with increasing temperature. Benefiting from the intrinsic isotropy of the cubic crystal system， the gratings with three different crystal orientations show similar sensitivities （~39 pm/℃） in the high-temperature region. Through a comparative analysis with the sensing characteristics of sapphire fiber Bragg gratings （SFBGs）， this study further validates the potential advantages of MSCF in high-temperature environments， demonstrating the application potential of MSCF in ultra-high temperature extreme environment sensing scenarios.

Key words: femtosecond laser; MgAl₂O₄ single-crystal fiber; crystal orientation; line-by-line scanning; fiber Bragg grating; high-temperature sensing

中图分类号:

李倩华, 王涛, 李锦烁, 国旗, 张健, 贾志泰, 于永森. 镁铝尖晶石单晶光纤光栅的制备及超高温传感特性研究[J]. 人工晶体学报, 2026, 55(7): 1127-1134.

LI Qianhua, WANG Tao, LI Jinshuo, GUO Qi, ZHANG Jian, JIA Zhitai, YU Yongsen. Fabrication and Ultra-High Temperature Sensing Characteristics of MgAl₂O₄ Single-Crystal Fiber Bragg Gratings[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2026, 55(7): 1127-1134.

图/表 8

图1 飞秒激光刻写MSCFBG的示意图，插图为逐线扫描法刻写的光栅照片，晶向为［110］

Fig.1 Schematic diagram of femtosecond laser inscription MSCFBG， with inset photograph of grating inscribed by line-by-line scanning method in ［110］ MSCF

图2 不同晶向MSCF的截面显微镜照片

Fig.2 Cross-sectional microscopic images of MSCF with different crystal orientations

图3 高温传感测试系统示意图，插图为MMF与MSCF熔接区域的显微照片。BBS：超连续光源；OSA：光谱分析仪；OC：多模光纤耦合器

Fig.3 Schematic diagram of high-temperature sensing test system， with inset microscopic image of fusion splicing region between MMF and MSCF. BBS： supercontinuum source； OSA： optical spectrum analyzer； OC： multimode fiber coupler

图4 不同晶向MSCFBG的反射光谱

Fig.4 Reflection spectra of MSCFBG with different crystal orientations

图5 不同晶向MSCFBG的反射光谱随温度升高/降低的漂移曲线

Fig.5 Reflection spectral shift curves of MSCFBG with different crystal orientations during heating and cooling processes

图6 不同晶向的MSCFBG中心波长随温度变化的二次拟合曲线

Fig.6 Second-order fitting curves of center wavelength of MSCFBG with different crystal orientations versus temperatures

图7 在不同温度区间内，SFBG与不同晶向MSCFBG温度与波长关系的拟合曲线对比

Fig.7 Comparison of fitting curves for relationship between temperature and wavelength of SFBG and MSCFBG with different crystal orientations in different temperature ranges

表1 不同温度区间的温度灵敏度对比

Table 1 Comparison of temperature sensitivity in different temperature ranges

Temperature/℃	Temperature sensitivity/（pm·℃^-1）
Temperature/℃	SFBG	MSCFBG［100］	MSCFBG［110］	MSCFBG［111］
20~500	19.93	20.38	19.76	19.75
500~1 000	29.89	32.61	32.94	33.80
1 000~1 600	35.74	38.84	38.90	39.30

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