近日，牛津大學（Oxford University）的科學家們開發出一種由藍寶石超細光纖制成的傳感器，該傳感器可以承受極端的高溫和輻射，有望顯著提高航空航天和核聚變發電領域的效率，并幫助大幅減排。同時，他們研制的這種耐用的新型傳感器可以在核聚變反應堆的惡劣環境中工作，并實現更標準流程化的空中傳輸。

 

據稱，這項突破解決了困擾該領域長達20年的瓶頸——藍寶石光纖厚度仍然遠遠超過光波長，光線會沿著這些光纖傳輸到不同的路徑，從而導致許多不同波長的光同時被反射。而他們制成的傳感器主要反射單一波長光。相關成果今日發表在《光學快報》（Optics Express）雜志上。

 

 

圖片來源：Oxford University官網

 

據介紹，這項研究的核心傳感器類型是光纖布拉格光柵（FBG）傳感器，它可以用于監測光通信系統中的溫度和應變等情況。但傳感器內的光纖通常以二氧化硅光纖的形式存在，但當工作溫度低于1000°C（1832°F）時，這種設計就會出現問題。

 

而牛津大學的研究證明，由工業藍寶石光纖制成的布拉格光柵（BGs）傳感在高溫下具有更強的穩定性，它已經在1900°C（3452°F）的高溫下進行了測試，可以用于監測噴氣發動機的燃氣輪機等極端環境。此外，藍寶石具有抗輻射的特性，這使得它適合在核反應堆和太空中使用。

 

但藍寶石光纖布拉格光柵也存在自身的缺陷。這些光纖非常細，僅有不到半毫米寬，但這仍然比光的波長要厚得多，這就為光源在內部以不同波長反彈創造了充足的機會。當光注入到藍寶石纖維的一端時，一些光會從光纖上的某一點反射回來，而又因為傳感器依賴特定波長的反射光來讀取溫度，這種額外的噪聲會混淆信號，使傳感器失效。

 

為了克服這個缺陷，牛津大學的研究小組使用飛秒激光沿著藍寶石光纖蝕刻出一條通道，引導光線沿著一條直而窄的路徑傳播，其溝槽（橫截面）直徑僅為百分之一毫米。基于這種方法，他們能夠制造出主要反射單一波長光的藍寶石光纖布拉格光柵（FBG）傳感器。

 

目前，牛津大學開發出的藍寶石光纖傳感器的長度只有1厘米（0.4英寸），但研究人員認為，如果在這個長度上安裝多個獨立的傳感器，未來開發出幾米長的版本是完全可能的。不過另一方面，研究小組成員、牛津大學工程科學系Mohan Wang博士也指出，由于這種傳感器是用脈沖極短的高功率激光器制造的，防止藍寶石在此過程中破裂將是一個關鍵的突破口。

 

應用在航空航天領域，這樣的傳感器將能夠對整個噴氣發動機進行溫度測量，使用這些數據來適應飛行中的發動機狀況，有可能顯著減少氮氧化物排放，提高整體飛行效率，減少對環境的影響。

 

藍寶石的抗輻射性能，也將使其有望在太空和核聚變電力工業中獲得應用。英國原子能管理局（UKAEA）的Rob Skilton表示：“這些藍寶石光纖將在聚變能源發電廠的極端環境中有許多不同的潛在應用。這項技術有潛力顯著提高該領域未來傳感器和機器人維護系統的能力，幫助英國原子能管理局（UKAEA）實現其向電網提供安全、可持續、低碳聚變電力的使命。”

 

羅爾斯·羅伊斯大學研究聯絡主任馬克·杰弗瑞（Mark Jefferie）表示：“這是一個令人振奮的消息，也是我們與牛津大學長期合作取得的又一重要科學成就。這項基礎研究可以及時實現在惡劣環境中更高效、更準確的多點溫度測量，提高控制、效率和安全性。我們期待著與牛津大學合作，探索其潛力。”