高长径比Lu2O3单晶光纤制备及布拉格光栅温度传感研究

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2026.0070

人工晶体学报 ›› 2026, Vol. 55 ›› Issue (7): 1093-1099.DOI: 10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2026.0070

高长径比Lu₂O₃单晶光纤制备及布拉格光栅温度传感研究

代馨楠¹(), 王涛¹(), 国旗², 张健¹^,³(), 于永森², 贾志泰¹, 陶绪堂¹

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

收稿日期:2026-04-20 出版日期:2026-07-20 发布日期:2026-08-04
通信作者: 王涛，博士，副研究员。E-mail：t.wang@sdu.edu.cn；
张健，博士，教授。E-mail：jian.zhang@sdu.edu.cn
作者简介:代馨楠（2001—），女，山东省人，硕士研究生。E-mail：13954946211@163.com
王涛，山东大学副研究员，青年学者未来计划。主要从事特种单晶光纤材料设计、制备及器件应用研究。承担国家自然科学基金、JKW领域基金、工业和信息化部高质量专项、新材料重大专项等项目/课题，以第一/通信作者在Adv Funct Mater、Chem Een J、Cryst Growth Des等期刊发表论文二十余篇，获授权发明专利6项，曾获中国山东博士后创新创业大赛金奖。
张健，理学博士、山东大学教授、博士生导师。2014年毕业于德国拜罗伊特大学物理系，获物理学博士学位，2015年起进入山东大学晶体材料研究院工作。主要从事晶体结构解析、单晶光纤生长技术，以及基于同步辐射X射线衍射技术的晶体结构与相变研究。承担国家重点研发计划、国家自然科学基金、教育部联合基金等项目十余项，以第一作者和通信作者发表论文30余篇，授权发明专利15项。
基金资助:
国家重点研发计划(2023YFB4606900);国家重点研发计划(2025YFE0205000);新材料重大专项(2025ZD0617200);国家自然科学基金(U24A20312);国家自然科学基金(62435012)

Growth of High Aspect Ratio Lu₂O₃ Single-Crystal Fibers for Fiber Bragg Grating Temperature Sensing

DAI Xinnan¹(), WANG Tao¹(), GUO Qi², ZHANG Jian¹^,³(), YU Yongsen², JIA Zhitai¹, TAO Xutang¹

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

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

摘要/Abstract

摘要： 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。

关键词: Lu₂O₃单晶光纤; 激光加热基座法; 单晶生长; 光纤布拉格光栅; 温度传感

Abstract: The rapid development of aerospace， nuclear energy， and advanced manufacturing has increased the demand for reliable high-temperature sensing materials and technologies for extreme environments. Conventional silica fibers suffer from poor thermal stability at high temperatures， while sapphire fibers， although widely used， still face challenges in stable sensing above 1 800 ℃. Lutetium oxide （Lu₂O₃） single-crystal fiber （SCF） is a promising alternative because of its high melting point of approximately 2 490 ℃， excellent thermal stability， and favorable optical properties. It also retains the structural advantages of optical fibers， including a large aspect ratio， small diameter， and potential for device integration， making it attractive for high-temperature sensing beyond the temperature limits of sapphire fibers. In this work， high-quality Lu₂O₃ SCFs with ［100］，［110］， and ［111］ orientations were successfully grown by the laser-heated pedestal growth method. The fibers are uniform and transparent， with a diameter of 60 μm and a length of 1 m， and show no visible cracks or inclusions， indicating good crystal quality and stable growth. A third-order fiber Bragg grating （FBG） was then fabricated in the ［111］-oriented Lu₂O₃ SCF by femtosecond laser line-by-line scanning. The grating has a length of 4 mm and a period of 1.223 μm， and its reflection spectrum is centered at 1 549.47 nm with a full width at half maximum of 0.843 nm and a signal-to-noise ratio of 15.3 dB， confirming the formation of a well-defined grating structure. The temperature sensing performance of the fabricated Lu₂O₃ single-crystal fiber Bragg grating （LFBG） was systematically investigated over a wide temperature range from 20 ℃ to 1 600 ℃. The grating maintain a stable and repeatable spectral response during both heating and cooling， indicating excellent thermal stability of both the grating structure and the fiber material. As the temperature increase， the reflection peak shift monotonically toward longer wavelengths， with a maximum temperature sensitivity of 23.2 pm/℃ at 1 600 ℃. These results demonstrate that LFBG can maintain stable optical response and reliable sensing performance at high temperatures. Owing to their high melting point， good optical transparency， and compatibility with miniaturized sensing devices， Lu₂O₃ SCF represents a promising platform for temperature sensing in extreme environments， including aerospace engines， nuclear energy systems， high-temperature furnaces， and advanced manufacturing equipment.

Key words: Lu₂O₃ single-crystal fiber; laser-heated pedestal growth method; single-crystal growth; fiber Bragg grating; temperature sensing

中图分类号:

O782.9

代馨楠, 王涛, 国旗, 张健, 于永森, 贾志泰, 陶绪堂. 高长径比Lu₂O₃单晶光纤制备及布拉格光栅温度传感研究[J]. 人工晶体学报, 2026, 55(7): 1093-1099.

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图/表 6

表1 石英光纤、蓝宝石光纤及Lu2O3单晶光纤基本性能对比

Table 1 Comparison of basic properties of silica fiber， sapphire fiber， and Lu2O3 crystal fiber

Parameter	Silica fiber	Sapphire fiber	Lu₂O₃SCF
Melting/softening temperature/℃	~1 200	2 050	2 490
Thermal conductivity/（W·m^-1·K^-1）	1.38	25	12.5
Refractive index@1 550 nm	1.45	1.75	1.91
Transmission range/μm	0.18~3.50	0.2~5.5	0.24~800
Hydrogen resistance	Week	Strong	Strong

图1 LHPG 技术示意图

Fig.1 Schematic diagram of LHPG technique

图2 Lu2O3单晶光纤形貌分析。（a）直径60 μm、长度1 m的Lu2O3单晶光纤（插图为晶体生长时的熔区）；（b）Lu2O3单晶光纤的侧面显微图像；［100］（c）、［110］（d）、［111］（e）取向的Lu2O3单晶光纤的横截面图像

Fig.2 Morphology analysis of the Lu2O3 single-crystal fibers. （a） As-grown Lu2O3 single-crystal fiber with a diameter of 60 μm and a length of 1 m （the inset shows the molten zone during crystal growth）；（b） microscopic image of the side surface of the Lu2O3 single-crystal fiber； cross-sectional images of Lu2O3 single-crystal fibers with ［100］（c），［110］（d）， and ［111］（e） orientations， respectively

图3 Lu2O3单晶光纤布拉格光栅。（a）Lu2O3单晶光纤布拉格光栅结构显微图像；（b）Lu2O3单晶光纤光栅反射光谱

Fig.3 Lu2O3 single-crystal fiber Bragg grating. （a） Microscopic image of the fabricated Lu2O3 single-crystal fiber Bragg grating；（b） reflection spectra of the Lu2O3 single-crystal fiber Bragg grating

图4 Lu2O3单晶光纤布拉格光栅在20～1 600 ℃的反射光谱变化

Fig.4 Reflection spectra of the Lu2O3 single-crystal fiber Bragg gratings from 20 ℃ to 1 600 ℃

图5 Lu2O3单晶光纤布拉格光栅温度响应。（a）升降温循环过程中Lu2O3单晶光纤布拉格光栅反射光谱中心波长与温度的关系。中心波长与温度分段拟合曲线：（b）20~500 ℃；（c）500~1 000 ℃；（d）1 000~1 600 ℃

Fig.5 Temperature response of the Lu2O3 single-crystal fiber Bragg grating. （a） Relationship between the Bragg wavelength of the Lu2O3 single-crystal fiber Bragg grating and temperature. Segmented fitting curves of Bragg wavelength versus temperature：（b） 20~500 ℃；（c） 500~1 000 ℃；（d） 1 000~1 600 ℃

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高长径比Lu₂O₃单晶光纤制备及布拉格光栅温度传感研究

Growth of High Aspect Ratio Lu₂O₃ Single-Crystal Fibers for Fiber Bragg Grating Temperature Sensing

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