面向极端环境的单晶光纤传感技术研究进展

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2026.0059

人工晶体学报 ›› 2026, Vol. 55 ›› Issue (7): 1060-1083.DOI: 10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2026.0059

面向极端环境的单晶光纤传感技术研究进展

罗哲雨¹(), 仝来源¹, 张振荣¹, 黄俊嘉²(), 于洋³()

^1.广西大学计算机与电子信息学院，南宁 530004
^2.中国电子科技集团公司第三十四研究所，桂林 541000
^3.国防科技大学理学院，长沙 410073

收稿日期:2026-04-07 出版日期:2026-07-20 发布日期:2026-08-04
通信作者: 黄俊嘉，工程师。E-mail：sandyjunjia@163.com；
于洋，博士，副研究员。E-mail：yuyang08a@nudt.edu.cn
作者简介:罗哲雨（2000—），男，湖南省人，硕士研究生。E-mail：1204406690@qq.com
黄俊嘉，中国电子科技集团公司第三十四研究所工程师，毕业于英国考文垂大学。主要研究方向为光通信相关理论与应用。
于洋，国防科技大学理学院副研究员、硕士生导师。主要研究方向包括光纤传感、极端环境多物理场监测技术等。主持国家自然科学基金面上项目，参与国家重点研发计划、军队重大科研项目等。以第一作者或通信作者在Opto-Electronic Advances、IEEE Journal of Lightwave Technology等期刊发表论文50余篇，申请专利20余项，获湖南省光学科技进展奖1项。
基金资助:
国家自然科学基金(62275269);广西科技计划项目(桂科FN2600640534);广西科技基地和人才专项(桂科AD25069071)

Research Progress of Single-Crystal Optical Fiber Sensing Technology for Extreme Environments

LUO Zheyu¹(), TONG Laiyuan¹, ZHANG Zhenrong¹, HUANG Junjia²(), YU Yang³()

^1.School of Computer and Electronic Information，Guangxi University，Nanning 530004，China
^2.The 34th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Guilin 541000，China
^3.School of Sciences，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China

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

摘要/Abstract

摘要： 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。

关键词: 单晶光纤; 光纤传感; 晶体生长; 飞秒激光微加工; 光纤布拉格光栅; 极端环境

Abstract: Extreme environments， including aerospace， nuclear reactors， and deep-earth exploration， impose stringent requirements on reliable sensing technologies. Traditional silica-based optical fibers are prone to structural degradation under high temperatures and intense radiation. In contrast， single-crystal optical fibers， represented by sapphire and yttrium aluminum garnet （YAG）， have attracted attention as promising alternative media due to their excellent physical and chemical stability. This paper reviews the research progress of single-crystal optical fiber sensing technologies tailored for extreme environments. It summarizes the evolution of mainstream growth techniques for single-crystal optical fibers， such as laser-heated pedestal growth and the micro-pulling-down method， and discusses the improvements in mode control achieved through the development of cladding structures. Furthermore， it provides an in-depth analysis of the applications of in situ microstructure processing technologies—typified by femtosecond laser plane-by-plane inscription—in the fabrication of sensing components like high-quality fiber Bragg gratings. The paper also reviews practical monitoring applications of single-crystal optical fiber sensors under extreme operating conditions， including ultra-high temperatures， intense radiation， and high pressures. Finally， it outlines the future development trajectories of single-crystal optical fiber sensing technology， particularly focusing on material defect suppression， the preparation of specialized claddings， and anti-interference in signal demodulation.

Key words: single-crystal optical fiber; optical fiber sensing; crystal growth; femtosecond laser micromachining; fiber Bragg grating; extreme environment

中图分类号:

O436

罗哲雨, 仝来源, 张振荣, 黄俊嘉, 于洋. 面向极端环境的单晶光纤传感技术研究进展[J]. 人工晶体学报, 2026, 55(7): 1060-1083.

LUO Zheyu, TONG Laiyuan, ZHANG Zhenrong, HUANG Junjia, YU Yang. Research Progress of Single-Crystal Optical Fiber Sensing Technology for Extreme Environments[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2026, 55(7): 1060-1083.

图/表 24

表1 单晶光纤基质材料的性能参数

Table 1 Performance parameters of single-crystal optical fiber host materials

Crystal	Crystal structure	Melting point/℃	Refractive index	Thermal expansion coefficient/（10^-6 K^-1）	Characteristic
Al₂O₃	三方晶系	2 045	1.760~1.768	5.3~7.7	高温强度高；抗辐射损伤能力强；存在本征双折射
YAG	立方晶系	1 970	1.82~1.83	7.8	结构各向同性；稀土离子掺杂适应性强
Spinel	立方晶系	2 135	1.71~1.72	7.4~7.9	透光波段宽；抗热震性好；抗中子辐照能力强
ZrO₂	立方晶系	2 780	2.15~2.18	10.3	熔点高；热化学稳定性好；适用于超高温及耐火环境
LiNbO₃	三方晶系	1 250	2.214~2.300	4.1~15.4	电光与压电效应强；适用于极端电磁场传感
LuAG	立方晶系	2 020	1.83~1.84	8.8	晶体密度大；对X射线/伽马射线阻止能力强

图1 （a）传感器结构原理图；（b）蓝宝石毛细管侧视显微图；（c）通孔显微图；（d）传感器实物照片；（e）传感器封装图［28］

Fig.1 （a） Schematic diagram of the sensor；（b） side view micrograph of the sapphire capillary；（c） micrograph of the through hole；（d） photograph of the sensor；（e） encapsulation of the sensor［28］

图2 传感探头结构示意图［29］

Fig.2 Schematic of the sensing probe［29］

图3 （a）部分结晶蓝宝石衍生光纤FPI示意图；（b）传感器显微图像［40］

Fig.3 （a） Scheme diagram of the partly crystallization-sapphire derived fiber FPI；（b） microscopic image of the sensor［40］

图4 （a）采用惰性气体密封传感器的实验装置（GPC：气压控制器；PU：聚氨酯）；（b）解调系统示意图［41］

Fig.4 （a） Experimental setup for sealing the sensor with inert gas （GPC： gas pressure controller； PU： polyurethane）；（b） scheme for the demodulation system［41］

图5 微下拉（μ-PD）技术的原理示意图（a）和设备实物图（b）［53］

Fig.5 Schematic diagram （a） and equipment photo （b） of the micro-pulling-down （μ-PD） technique［53］

图6 LHPG生长技术示意图［54］

Fig.6 Schematic representation of the LHPG technique［54］

图7 激光功率与单晶光纤直径的波动［55］

Fig.7 Fluctuations in laser power and single-crystal optical ?ber diameter［55］

图8 使用532、783和983?nm的激光波长，在不同光纤直径下进行了远场测量。当蓝宝石光纤直径为6.5?μm时，低阶模式变得清晰可见，并且当光注入角度改变15°时，测量结果保持一致［57］

Fig.8 Far-field measurements were taken at varying diameters using laser wavelengths of 532， 783， and 983?nm. Low-order modes became visible at a sapphire fiber diameter of 6.5?μm， and measurements were consistent when the light injection angle was altered by 15°［57］

图9 使用混合生长法生长的另一根包层蓝宝石晶体（Ti∶Al2O3/Al2O3）光纤的透射端面视图［58］

Fig.9 Transmission end view of another clad crystalline sapphire （Ti∶Al2O3/Al2O3） fiber grown using the hybrid growth method［58］

图10 所制备SFBG的显微图像［67］。（a）横截面图；（b）俯视图；（c）侧视图

Fig.10 Microscope images of the fabricated SFBG［67］. （a） Cross-sectional view；（b） top view；（c） lateral view

表2 飞秒激光不同空间维度刻写技术性能对比

Table 2 Performance comparison of femtosecond laser inscription techniques across different spatial dimensions

Inscription technique

Typical

reflectivity

Typical linewidth

（3 dB bandwidth）

Processing time and

inscription efficiency

Applications and technical characteristic

截面覆盖高；模式对称性好；适合大芯径/多模光纤

图11 快速热处理前、后的干涉图［68］

Fig.11 Interferogram before and after rapid heat treatment［68］

图12 传感器封装的设计与实物照片［75］

Fig.12 Design and picture of the sensor packaging［75］

图13 飞秒激光系统及采用逐行扫描法制备的SFBG示意图，图中红色虚线框内的显微照片展示了多模光纤（MMF）与蓝宝石光纤的熔接接头，以及呈30°抛光端面的蓝宝石光纤［78］

Fig.13 Provides a schematic representation of the fs-laser system and the proposed SFBGs fabricated through the line-by-line scanning method， the red dashed boxes within the figure draw attention to micrographs showcasing the splice joint between the MMF and sapphire fiber， as well as featuring 30°polished end facet of the sapphire fiber［78］

图14 温度测量系统原理图［80］

Fig.14 Schematic diagram of the temperature measurement system［80］

图15 不同温度下的延迟数据与波形［80］

Fig.15 Delay data and waveforms at different temperatures［80］

图16 （a）全蓝宝石FP传感头示意图［81］；（b）基于蓝宝石的光纤EFPI传感器示意图［82］

Fig.16 （a） Schematic diagram of all sapphire FP sensor heads［81］；（b） schematic diagram of the sapphire based fiber-optic EFPI sensor［82］

图17 （a） MFPTP的示意图；（b）光束通过微球透镜光纤传输的示意图；（c）用于温度和压力的双FP腔偏转（形变）模型［83］

Fig.17 （a） Schematic diagram of the MFPTP；（b） schematic of beam propagation through a microsphere-lensed fiber；（c） model of dual-FP-cavity deflection for temperature and pressure［83］

图18 蓝宝石光纤振动传感器［84］。（a）结构示意图；（b）实物布局；（c）陶瓷底座；（d）陶瓷板；（e）陶瓷组件

Fig.18 Sapphire optical fiber vibration sensor［84］. （a） Configuration；（b） physical layout；（c） ceramic base；（d） ceramic plate；（e） ceramic assembly

图19 高温拉曼DTS系统架构［85］

Fig.19 System architecture of proposed high temperature Raman DTS［85］

图20 具有探测-传输一体化性能的生长态LuAG∶Ce-LuAG单晶光纤（SSCF）［88］

Fig.20 As-grown LuAG∶Ce-LuAG SSCF with detection-transmission integrated performance［88］

图21 （a）不同位置处STE+F++AD和Ce3+的积分辐射发光峰强度；（b）初始区域的积分辐射发光峰强度，“U-R”代表均匀区，“I-R”代表初始区，“T-R”代表传输区［88］

Fig.21 （a） Integrated radioluminescence peaks intensity of STE+F++AD and Ce3+ at different positions；（b） integrated radioluminescence peak intensity in the initial region； “U-R”， uniform region；“I-R”， initial region； “T-R”， transmission region［88］

表3 单晶光纤传感器在极端环境下的应用性能对比

Table 3 Performance comparison of single-crystal optical fiber sensors in extreme environments

Research team	Sensor type and core mechanism	Maximum operating/Calibration temperature	Sensitivity or accuracy of parameters （Strain/pressure/acceleration， etc.）	Continuous operation/stability test duration
Li等^［72］	SFBG斜端面降反射	1 100 ℃	1.6 $p m$ / $μ ε$ （1 100 ℃下）	4 h
He等^［73］	充Ar封装SFBG+梯度退火	1 800 ℃	41.2 $p m$ /℃（1 800 ℃下）	1 600 ℃稳定20 h
Yang等^［75］	WDM-SFBG阵列+管套管封装	1 000 ℃	26.3 $p m$ /℃	燃煤锅炉42 d；燃气锅炉48 d
Alla等^［76］	级联SFBG+电子多模扰相	1 612 ℃	热漂移在±2 ℃以内	陶瓷炉22 h；钢水浸入30 min
Mumtaz等^［77］	三级联SFBG+多模扰相	1 600 ℃	温度波动±1 ℃	1 600 ℃连续24 h
Mumtaz等^［78］	重合a-SFBG/p-SFBG双参量解耦	1 600 ℃	a-SFBG：0.4 $p m$ / $μ ε$ ， p-SFBG：1.8 $p m$ / $μ ε$	24 h（承受1 000 $μ ε$ 与1 600 ℃高温双重施加）
Eisermann等^［79］	S-FBG/热辐射/热电偶混合传感	1 600 ℃	长期服役后漂移小于0.5 ℃	超3周（连续约500 h），覆盖25个工业硅凝固生产周期
Wang等^［80］	多节点蓝宝石超声温度传感	1 600 ℃（标定）；740 ℃（铝液）	动态测温误差小于1 ℃	55.65 s达热平衡，未明确长周期具体时长
Shao等^［81］	全蓝宝石FP压力传感器	1 200 ℃	约25 $n m$ /MPa；非线性度0.96%F.S.	稳定运行
Liao等^［82］	双FP腔EFPI+温度补偿	1 500 ℃	压力精度0.86%F.S.	重复性误差1.73%F.S.；未给出长时数据
Liu等^［83］	MgO双FP复合腔+温度解耦	800 ℃	约0.20 $μ m$ /MPa压力测量精度 2.01%F.S.	0.5 MPa静态标定；未给出长效数据
Cui等^［84］	蓝宝石光纤高温振动传感	1 500 ℃	20.91 $n m$ /g（室温）15.6 $n m$ /g（600 ℃）	0~10 g线性标定；未测长效
Liu等^［85］	YAG拉曼DTS+2D图像复原/NLM去噪算法	1 400 ℃	单毫秒平均温度标准差降至7.89 ℃；1 s采集分辨率0.62 ℃	毫秒级动态响应验证

表3 单晶光纤传感器在极端环境下的应用性能对比

Table 3 Performance comparison of single-crystal optical fiber sensors in extreme environments

Research team	Sensor type and core mechanism	Maximum operating/Calibration temperature	Sensitivity or accuracy of parameters （Strain/pressure/acceleration， etc.）	Continuous operation/stability test duration
Li等^［72］	SFBG斜端面降反射	1 100 ℃	1.6 $p m$ / $μ ε$ （1 100 ℃下）	4 h
He等^［73］	充Ar封装SFBG+梯度退火	1 800 ℃	41.2 $p m$ /℃（1 800 ℃下）	1 600 ℃稳定20 h
Yang等^［75］	WDM-SFBG阵列+管套管封装	1 000 ℃	26.3 $p m$ /℃	燃煤锅炉42 d；燃气锅炉48 d
Alla等^［76］	级联SFBG+电子多模扰相	1 612 ℃	热漂移在±2 ℃以内	陶瓷炉22 h；钢水浸入30 min
Mumtaz等^［77］	三级联SFBG+多模扰相	1 600 ℃	温度波动±1 ℃	1 600 ℃连续24 h
Mumtaz等^［78］	重合a-SFBG/p-SFBG双参量解耦	1 600 ℃	a-SFBG：0.4 $p m$ / $μ ε$ ， p-SFBG：1.8 $p m$ / $μ ε$	24 h（承受1 000 $μ ε$ 与1 600 ℃高温双重施加）
Eisermann等^［79］	S-FBG/热辐射/热电偶混合传感	1 600 ℃	长期服役后漂移小于0.5 ℃	超3周（连续约500 h），覆盖25个工业硅凝固生产周期
Wang等^［80］	多节点蓝宝石超声温度传感	1 600 ℃（标定）；740 ℃（铝液）	动态测温误差小于1 ℃	55.65 s达热平衡，未明确长周期具体时长
Shao等^［81］	全蓝宝石FP压力传感器	1 200 ℃	约25 $n m$ /MPa；非线性度0.96%F.S.	稳定运行
Liao等^［82］	双FP腔EFPI+温度补偿	1 500 ℃	压力精度0.86%F.S.	重复性误差1.73%F.S.；未给出长时数据
Liu等^［83］	MgO双FP复合腔+温度解耦	800 ℃	约0.20 $μ m$ /MPa压力测量精度 2.01%F.S.	0.5 MPa静态标定；未给出长效数据
Cui等^［84］	蓝宝石光纤高温振动传感	1 500 ℃	20.91 $n m$ /g（室温）15.6 $n m$ /g（600 ℃）	0~10 g线性标定；未测长效
Liu等^［85］	YAG拉曼DTS+2D图像复原/NLM去噪算法	1 400 ℃	单毫秒平均温度标准差降至7.89 ℃；1 s采集分辨率0.62 ℃	毫秒级动态响应验证

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面向极端环境的单晶光纤传感技术研究进展

Research Progress of Single-Crystal Optical Fiber Sensing Technology for Extreme Environments

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