全玻璃態(tài)藍(lán)寶石衍生光纖——用于高功率激光傳輸與高溫傳感

【中玻網(wǎng)】當(dāng)前，對于傳統(tǒng)的石英光纖激光器來說，功率的進(jìn)一步提升主要受熱管理、損傷閾值、受激布里淵散射等限制。而這些限制僅依賴于光纖材料的物理性能參數(shù)，與光纖長度和激光器的設(shè)計(jì)無關(guān)。因此，選擇一種具有熱性能更好、熔點(diǎn)更高、布里淵散射系數(shù)更小的材料作為光纖激光器的增益介質(zhì)，是打破當(dāng)前光纖激光器功率限制，獲得更高輸出功率的一種有效方法。

　　此外，在高溫、高壓、強(qiáng)輻射、強(qiáng)電磁干擾、強(qiáng)腐蝕性等較端條件下，很少有傳感器能夠提供準(zhǔn)確可靠的溫度、壓力、健康運(yùn)轉(zhuǎn)等信息，這也成為科學(xué)界和工業(yè)界的難題。用于高溫高壓惡劣環(huán)境監(jiān)測的光纖傳感器開發(fā)大多采用標(biāo)準(zhǔn)石英單模光纖，但受限于現(xiàn)有的低濃度摻雜光纖，在較高溫度下工作時(shí)，光纖器件穩(wěn)定性和傳感光纖的機(jī)械強(qiáng)度均會劣化，嚴(yán)重制約了光纖傳感器的應(yīng)用。因此，需要探索并研制一種具有良好機(jī)械性能的耐高溫光纖，以實(shí)現(xiàn)高溫光纖傳感技術(shù)的新打破。

　　克萊姆森大學(xué)的John Ballato等人初次提出并拉制出藍(lán)寶石衍生光纖，這種光纖是以單晶藍(lán)寶石光纖(熔點(diǎn)為2045℃)為芯棒、石英為套管，在高溫條件下拉絲而成的一種特種光纖。在高溫拉絲過程中，藍(lán)寶石熔化與熔融石英材料發(fā)生擴(kuò)散，從而形成高濃度氧化鋁摻雜的氧化鋁玻璃纖芯。

　　該方法不同于傳統(tǒng)的體塊Al2O3-SiO2玻璃制備工藝，無需超快速的冷卻過程，只需通過拉絲工藝自然降溫過程就可以獲得42 mol%高濃度的Al2O3-SiO2玻璃纖芯，且通過控制拉絲工藝參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)調(diào)控?fù)诫s濃度�；谠撎匦钥烧{(diào)控纖芯布里淵增益系數(shù)，為實(shí)現(xiàn)單一參量布里淵應(yīng)變分布測試傳感系統(tǒng)提供特種傳感光纖支撐。

圖1藍(lán)寶石衍生光纖的特性

　　通過開發(fā)藍(lán)寶石衍生光纖，研究者們初次制備出具有氧化鋁含量的玻璃光纖，具有布里淵增益，在1550 nm附近測量到布里淵頻率，且是布里淵無熱光纖。雖然這項(xiàng)工作主要集中在高氧化鋁含量的二元鋁硅酸鹽玻璃中的布里淵散射方面的研究，但熔融芯技術(shù)為簡單的芯/包層結(jié)構(gòu)光纖的成分定制提供了方便而直接的研究方法。此外，新型高氧化鋁含量的藍(lán)寶石衍生光纖是制造增強(qiáng)型光纖傳感器和高能光纖激光器中理想的傳輸介質(zhì)之一。