牛津大学研发出特殊蓝宝石光纤传感器，可提高航空飞行与发电效率

近日，牛津大学（Oxford University）的科学家们开发出一种由蓝宝石超细光纤制成的传感器，该传感器可以承受极端的高温和辐射，有望显著提高航空航天和核聚变发电领域的效率，并帮助大幅减排。同时，他们研制的这种耐用的新型传感器可以在核聚变反应堆的恶劣环境中工作，并实现更标准流程化的空中传输。

据称，这项突破解决了困扰该领域长达20年的瓶颈——蓝宝石光纤厚度仍然远远超过光波长，光线会沿着这些光纤传输到不同的路径，从而导致许多不同波长的光同时被反射。而他们制成的传感器主要反射单一波长光。相关成果今日发表在《光学快报》（Optics Express）杂志上。

图片来源：Oxford University官网

据介绍，这项研究的核心传感器类型是光纤布拉格光栅（FBG）传感器，它可以用于监测光通信系统中的温度和应变等情况。但传感器内的光纤通常以二氧化硅光纤的形式存在，但当工作温度低于1000°C（1832°F）时，这种设计就会出现问题。

而牛津大学的研究证明，由工业蓝宝石光纤制成的布拉格光栅（BGs）传感在高温下具有更强的稳定性，它已经在1900°C（3452°F）的高温下进行了测试，可以用于监测喷气发动机的燃气轮机等极端环境。此外，蓝宝石具有抗辐射的特性，这使得它适合在核反应堆和太空中使用。

但蓝宝石光纤布拉格光栅也存在自身的缺陷。这些光纤非常细，仅有不到半毫米宽，但这仍然比光的波长要厚得多，这就为光源在内部以不同波长反弹创造了充足的机会。当光注入到蓝宝石纤维的一端时，一些光会从光纤上的某一点反射回来，而又因为传感器依赖特定波长的反射光来读取温度，这种额外的噪声会混淆信号，使传感器失效。

为了克服这个缺陷，牛津大学的研究小组使用飞秒激光沿着蓝宝石光纤蚀刻出一条通道，引导光线沿着一条直而窄的路径传播，其沟槽（横截面）直径仅为百分之一毫米。基于这种方法，他们能够制造出主要反射单一波长光的蓝宝石光纤布拉格光栅（FBG）传感器。

目前，牛津大学开发出的蓝宝石光纤传感器的长度只有1厘米（0.4英寸），但研究人员认为，如果在这个长度上安装多个独立的传感器，未来开发出几米长的版本是完全可能的。不过另一方面，研究小组成员、牛津大学工程科学系Mohan Wang博士也指出，由于这种传感器是用脉冲极短的高功率激光器制造的，防止蓝宝石在此过程中破裂将是一个关键的突破口。

应用在航空航天领域，这样的传感器将能够对整个喷气发动机进行温度测量，使用这些数据来适应飞行中的发动机状况，有可能显著减少氮氧化物排放，提高整体飞行效率，减少对环境的影响。

蓝宝石的抗辐射性能，也将使其有望在太空和核聚变电力工业中获得应用。英国原子能管理局（UKAEA）的Rob Skilton表示：“这些蓝宝石光纤将在聚变能源发电厂的极端环境中有许多不同的潜在应用。这项技术有潜力显著提高该领域未来传感器和机器人维护系统的能力，帮助英国原子能管理局（UKAEA）实现其向电网提供安全、可持续、低碳聚变电力的使命。”

罗尔斯·罗伊斯大学研究联络主任马克·杰弗瑞（Mark Jefferie）表示：“这是一个令人振奋的消息，也是我们与牛津大学长期合作取得的又一重要科学成就。这项基础研究可以及时实现在恶劣环境中更高效、更准确的多点温度测量，提高控制、效率和安全性。我们期待着与牛津大学合作，探索其潜力。”