近日，牛津大學(xué)（Oxford University）的科學(xué)家們開發(fā)出一種由藍(lán)寶石超細(xì)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(fā)電領(lǐng)域的效率，并幫助大幅減排。同時(shí)，他們研制的這種耐用的新型傳感器可以在核聚變反應(yīng)堆的惡劣環(huán)境中工作，并實(shí)現(xiàn)更標(biāo)準(zhǔn)流程化的空中傳輸。
據(jù)稱，這項(xiàng)突破解決了困擾該領(lǐng)域長達(dá)20年的瓶頸——藍(lán)寶石光纖厚度仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過光波長，光線會沿著這些光纖傳輸?shù)讲煌穆窂剑瑥亩鴮?dǎo)致許多不同波長的光同時(shí)被反射。而他們制成的傳感器主要反射單一波長光。相關(guān)成果今日發(fā)表在《光學(xué)快報(bào)》（Optics Express）雜志上。
圖片來源：Oxford University官網(wǎng)
據(jù)介紹，這項(xiàng)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(jiān)測光通信系統(tǒng)中的溫度和應(yīng)變等情況。但傳感器內(nèi)的光纖通常以二氧化硅光纖的形式存在，但當(dāng)工作溫度低于1000°C（1832°F）時(shí)，這種設(shè)計(jì)就會出現(xiàn)問題。
而牛津大學(xué)的研究證明，由工業(yè)藍(lán)寶石光纖制成的布拉格光柵（BGs）傳感在高溫下具有更強(qiáng)的穩(wěn)定性，它已經(jīng)在1900°C（3452°F）的高溫下進(jìn)行了測試，可以用于監(jiān)測噴氣發(fā)動機(jī)的燃?xì)廨啓C(jī)等極端環(huán)境。此外，藍(lán)寶石具有抗輻射的特性，這使得它適合在核反應(yīng)堆和太空中使用。
但藍(lán)寶石光纖布拉格光柵也存在自身的缺陷。這些光纖非常細(xì)，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(nèi)部以不同波長反彈創(chuàng)造了充足的機(jī)會。當(dāng)光注入到藍(lán)寶石纖維的一端時(shí)，一些光會從光纖上的某一點(diǎn)反射回來，而又因?yàn)閭鞲衅饕蕾囂囟úㄩL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(gè)缺陷，牛津大學(xué)的研究小組使用飛秒激光沿著藍(lán)寶石光纖蝕刻出一條通道，引導(dǎo)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?；谶@種方法，他們能夠制造出主要反射單一波長光的藍(lán)寶石光纖布拉格光柵（FBG）傳感器。
目前，牛津大學(xué)開發(fā)出的藍(lán)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(rèn)為，如果在這個(gè)長度上安裝多個(gè)獨(dú)立的傳感器，未來開發(fā)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(xué)工程科學(xué)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(lán)寶石在此過程中破裂將是一個(gè)關(guān)鍵的突破口。
應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域，這樣的傳感器將能夠?qū)φ麄€(gè)噴氣發(fā)動機(jī)進(jìn)行溫度測量，使用這些數(shù)據(jù)來適應(yīng)飛行中的發(fā)動機(jī)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(huán)境的影響。
藍(lán)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(yè)中獲得應(yīng)用。英國原子能管理局（UKAEA）的Rob Skilton表示：“這些藍(lán)寶石光纖將在聚變能源發(fā)電廠的極端環(huán)境中有許多不同的潛在應(yīng)用。這項(xiàng)技術(shù)有潛力顯著提高該領(lǐng)域未來傳感器和機(jī)器人維護(hù)系統(tǒng)的能力，幫助英國原子能管理局（UKAEA）實(shí)現(xiàn)其向電網(wǎng)提供安全、可持續(xù)、低碳聚變電力的使命。”
羅爾斯·羅伊斯大學(xué)研究聯(lián)絡(luò)主任馬克·杰弗瑞（Mark Jefferie）表示：“這是一個(gè)令人振奮的消息，也是我們與牛津大學(xué)長期合作取得的又一重要科學(xué)成就。這項(xiàng)基礎(chǔ)研究可以及時(shí)實(shí)現(xiàn)在惡劣環(huán)境中更高效、更準(zhǔn)確的多點(diǎn)溫度測量，提高控制、效率和安全性。我們期待著與牛津大學(xué)合作，探索其潛力。”
