单晶光纤作为一种兼具晶体优异物理化学性能与光纤高比表面积、光波导特性的准一维材料，在高功率激光、中红外激光、辐射探测及高温传感等领域展现出广阔的应用前景。本文系统综述了导模法、微下拉法、激光加热基座法及其他新型生长技术的原理、技术特点与研究进展。导模法可实现高通量百根光纤同步生长；微下拉法已拓展至共晶、金属及弹簧状异形晶体；激光加热基座法成功制备了长度超50 m、直径仅16 μm的超细单晶光纤；甚多微孔坩埚法实现了氟化物光纤的高通量制备；水溶液法则为有机及热敏单晶光纤提供了低温生长路径等。最后总结了各方法的技术挑战与发展方向，为单晶光纤的制备与应用提供参考。

单晶纤维材料融合了单晶材料在光学、闪烁及多功能特性方面的本征优势，同时兼具纤维形状在微型化、柔性传输和器件集成方面的结构优势，在辐射探测、激光技术、光电子器件等领域具有广阔的应用前景。近年来，随着晶体生长技术的发展，单晶纤维材料的制备方法及性能调控研究不断深入。本文围绕单晶纤维材料制备及其力学性能研究进展，系统综述了激光加热基座法、微下拉法、提拉法等主要制备工艺的特点、适用范围及发展现状，并梳理了单晶纤维的主要材料体系，以蓝宝石单晶纤维为例，介绍了其力学特性及缺陷机制。总体来看，单晶纤维的力学性能受材料本征性质与制备工艺共同制约，其中缺陷控制与应力调节是提升结构完整性和服役可靠性的关键。未来应加强高质量可控制备、多尺度力学表征及多场耦合服役行为研究，以推动单晶纤维向高性能和工程化应用方向发展。

蓝宝石单晶光纤兼具耐高温、耐腐蚀、抗辐照和宽光谱透射等优异特性，是极端环境光学传感的重要候选材料。然而，现有蓝宝石单晶光纤多为无包层结构，存在模式约束能力弱、传输损耗较高和环境敏感性强等问题，这制约了其实际工程应用。包层化处理通过在蓝宝石单晶光纤外部或内部构建低折射率导光约束结构，改善传输性能、提升器件化水平并拓展应用场景。本文系统综述了蓝宝石单晶光纤包层化技术的研究进展，将现有技术归纳为外添型包层化技术、内改型包层化技术和微结构型包层化技术三类，重点梳理了各类技术的实现原理、制备工艺、代表性工作及性能特点，并对不同包层路线的发展现状、技术特点及适用潜力进行了比较分析。在此基础上，进一步面向极端环境传输与传感应用，展望了蓝宝石单晶光纤包层化技术的发展方向。

全固态单频连续波激光器因具有线宽窄、光束质量好、功率稳定性高和噪声低等优点，是量子光学和精密测量等基础研究和应用领域的优质光源。随着科学技术的飞速发展和应用需求的不断提升，在保障激光器整体性能的基础上提高激光器的输出功率变得尤为重要。然而，光纤激光器在高功率输出时，非线性效应会越来越严重，棒状晶体激光器在高泵浦功率条件下，热效应会显著提升。这两类效应的存在直接限制了激光器在诸多领域的应用。针对光纤和棒状晶体增益介质存在的不足，作为两者结合体的新型激光介质单晶光纤，凭借优异的物理化学性能、良好的热管理特性、泵浦波导效应和高的受激布里渊散射阈值已经成为固体激光器领域的研究热点。本文结合课题组的研究工作，主要介绍了基于Nd∶YAG单晶光纤的单频连续波激光器的研究进展，并简要分析了其发展趋势。

航空航天、核反应堆及深地勘探等极端环境对可靠性传感技术提出了严苛要求。传统石英基光纤在高温和强辐射下易发生结构衰退，而以蓝宝石、钇铝石榴石（YAG）为代表的单晶光纤凭借优异的物理化学稳定性，成为具有较大应用潜力的替代介质。本文梳理了面向极端环境的单晶光纤传感技术的研究进展：总结了激光加热基座法、微下拉法等主流单晶光纤生长技术的演进，并探讨了包层结构开发对模式控制的改善；深入剖析了以飞秒激光逐面刻写为代表的微结构原位加工技术在构建高质量光纤布拉格光栅等传感核心元件中的应用；回顾了单晶光纤传感器在超高温、强辐射及高压等极端工况下的监测实例。本文最后对单晶光纤传感技术在材料缺陷抑制、特种包层制备及信号解调抗干扰方面的未来演进路线进行了展望。

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。

航空航天、核能及先进制造领域的快速发展对极端环境高温传感介质与传感技术提出了新的要求。现有石英玻璃光纤受软化温度限制，使用温度通常低于1 200 ℃，而蓝宝石光纤虽可用于更高温环境，但在1 800 ℃以上的长期稳定传感应用中仍面临挑战。氧化镥（Lu₂O₃）单晶光纤继承了Lu₂O₃单晶高熔点（~2 490 ℃）、优异的热稳定性和良好的光学性能，同时兼具常规光纤材料大长径比的结构优势，逐渐成为蓝宝石光纤之后高温传感领域的又一研究热点。本文采用激光加热基座（LHPG）法成功制备出［100］、［110］和［111］晶向的高质量Lu₂O₃单晶光纤，光纤直径为60 μm，长度1 m，整体均匀透明，无明显裂纹与包裹体。利用飞秒激光逐线扫描技术在［111］-Lu₂O₃单晶光纤中成功刻写了三阶布拉格光栅（FBG），并系统研究了该器件在20~1 600 ℃的温度传感性能。研究结果表明，Lu₂O₃单晶光纤光栅在宽温区内表现出稳定的光谱响应，且在升温和降温过程中具有良好的重复性，其反射光谱中心波长呈现出良好的温度响应特性，1 600 ℃时温度灵敏度达到23.2 pm/℃，展现出在极端环境高温传感领域的良好应用前景。

本文采用微下拉法生长了掺Tm³⁺浓度为4%（摩尔分数）的CaGdAlO₄ （Tm∶CALGO）无序结构单晶光纤，系统研究了其晶体结构、光学性质、连续激光性能及与BiOX（X=Cl，Br，I）层状晶体可饱和吸收体集成的被动调Q脉冲激光特性。该晶体属于四方晶系，空间群为I4/mmm。X射线衍射和拉曼光谱证实所生长晶体为纯相CALGO结构，结晶质量良好。吸收光谱显示，晶体在793 nm处存在主吸收峰，半峰全宽达19.4 nm，源于无序结构导致的非均匀展宽。拉曼光谱测得该晶体的最高声子能量为614 cm^-1，低于YAG晶体的，有利于抑制非辐射弛豫。傅里叶变换红外透过光谱表明，晶体在2~6 μm波段透过率超过80%，红外截止边延伸至10 μm以上。在直腔结构下，Tm∶CALGO单晶光纤实现了最高3.338 W的连续激光输出，斜效率为27.3%，中心波长为1 982.8 nm。将BiOX晶体作为可饱和吸收体集成于激光腔中，在输出镜透过率为5%的条件下实现了稳定的被动调Q脉冲激光输出。采用BiOCl、BiOBr和BiOI作为可饱和吸收体时，获得的最高单脉冲能量分别为18.564、20.335和17.599 μJ，最窄脉冲宽度分别为420、570和506 ns，最高峰值功率分别为44.199、35.675和34.781 W。本文展示了Tm∶CALGO无序结构单晶光纤作为2 μm波段激光增益介质的优异性能，并为单晶光纤与新型可饱和吸收体的集成提供了可行性验证。

激光加热基座（LHPG）法是制备微米级单晶光纤的核心技术，但其高温熔区涉及多物理场强耦合作用，传统实验难以实时观测熔体流动与温度演化，制约了晶体生长稳定性与质量提升。本文基于COMSOL多物理场仿真平台，建立几何光学、热力学与流体力学耦合的二维轴对称模型，系统研究激光功率波动、光纤直径、马兰戈尼（Marangoni）效应及拉制速度对熔区热-流特性的影响规律。数值模拟结果表明，激光功率波动形式显著影响熔区温度稳定性，三角波波动下热冲击最小，温度响应最平稳；直径增大使熔区温度梯度降低，热量分布更均匀；马兰戈尼效应主导熔区流动，其诱发的高速热毛细对流驱使流场重构为复杂的双主涡结构；维持适宜的拉制速度是保障熔区热平衡的关键，拉速过快将极端强化热毛细对流并诱发温场剧烈畸变。本研究明确了LHPG工艺中多物理场协同作用机制，揭示了关键参数对熔区稳定性的调控规律，可为高质量单晶光纤的生长工艺优化提供理论依据。

随着高功率固态激光器和光纤激光器的发展，对可见光-近红外波段光学隔离器的需求日益增加，亟须探索新型磁光晶体以满足发展需求。本文采用激光加热基座法生长高质量镝铝石榴石（Dy₃Al₅O₁₂， DyAG）单晶光纤，探讨了生长工艺，并研究了基本物理性能。XRD图谱表明，DyAG晶体结构与传统石榴石一致，属于立方晶系，空间群为${Ia} \overline{3} d$，晶胞参数a=b=c=11.974 Å，同时晶体样品具备较窄的衍射峰半峰全宽，表明晶体结晶质量良好。采用第一性原理计算了DyAG的电子结构，结果表明其带隙较宽，为4.311 eV，折射率在波长大于500 nm的波段维持在1.93左右。进一步表征并分析了单晶光纤的光学性能，发现其在475~700 nm波段具有良好光透过性能，透过率达到77.5%左右，接近理论值（80.8%），有望应用于475~700 nm波段的磁光器件中。

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。

针对高温极端环境下非接触式微小位移测量的需求，本文提出并制备了一种基于飞秒激光直写单模化蓝宝石光纤的反射式空气外腔传感器。利用蓝宝石光纤端面与外部镀金反射镜形成反射式法布里-珀罗空气外腔。通过飞秒激光对蓝宝石光纤进行折射率调制来构建凹陷型包层结构实现4 cm长的单模传输，蓝宝石光纤中多模传输对干涉谱引入的干扰被抑制。测试了不同步长下的位移响应，结果表明：在5 μm步长下，解调腔长与外加位移呈良好的线性关系，线性拟合斜率为1.000 0 μm/μm，拟合决定系数R²为0.999 97。在500、100和50 nm小步长条件下，器件的位移-波长响应灵敏度分别为3.558 3、3.368 5和3.037 6 nm/μm，表明其在亚微米及更小位移范围内仍具有较好的响应与分辨能力。由于蓝宝石光纤高温性能稳定，该传感器在高温环境下非接触式微小位移测量中具有应用潜力。

蓝宝石衍生光纤因兼具优异热稳定性和化学惰性，在极端环境光学传感中具有重要应用潜力。本文采用直径毫米量级蓝宝石晶棒作为纤芯预制棒，结合熔芯法实现了蓝宝石衍生光纤的长距离稳定连续拉制，并通过调控拉丝参数获得了三种典型芯包结构的直径，分别为样品Ⅰ：21.0/125 μm、样品Ⅱ：18.1/125 μm和样品Ⅲ：14.1/125 μm。光学测试表明，所制备蓝宝石衍生光纤在近红外波段的传输损耗低至1.08 dB/m，体现出良好的光传输特性。进一步基于蓝宝石衍生光纤构建了法布里-珀罗干涉仪（FPI）高温传感器。实验结果显示，该传感器在100~1 100 ℃具有16.8 pm/℃的温度灵敏度，线性度R²>0.997，并表现出良好的升降温循环重复性。研究结果表明，直径毫米级蓝宝石纤芯预制棒结合熔芯法工艺可实现蓝宝石衍生光纤芯径可控制备，并为极端环境高温光纤传感器件提供了有效材料与工艺基础。