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光纤高温传感器在金属冶炼、油气化工、航空航天等领域具有重要的研究和应用价值,特别是航空发动机领域,要求耐温性能达到1000℃以上,甚至是1800℃。蓝宝石光纤具备十分优异的耐温特性,其熔点高达2053℃,因此蓝宝石光纤高温传感器在超高温传感领域的应用是目前研究的一大热点,基于蓝宝石光纤制备的黑体辐射型温度传感器、法布里-珀罗干涉仪、光纤光栅温度传感器等都得到一定的研究和发展。其中,基于蓝宝石光纤制备的光栅是蓝宝石光纤高温传感器的重要方向,但是蓝宝石光纤没有光敏性,且没有包层,属于多模传输。基于飞秒激光可以在非光敏性光纤中实现折射率调制的特性,提出飞秒激光逐线法在蓝宝石光纤上制备光纤光栅。通过高精度和高稳定性的气浮平台能灵活地写制不同周期的光纤光栅,并且通过逐线法能获得较大的调制面积,从而获得较高的反射率。本论文提出了基于飞秒激光逐线法在蓝宝石光纤制备光纤光栅,并研究了该方法制备的蓝宝石光纤光栅的光谱特性和高温传感特性。本论文的主要内容如下:1.阐述了单晶蓝宝石的物理化学特性、蓝宝石光纤的生长方法机制及其光学性能以及蓝宝石光纤光栅的理论分析和仿真。并通过机械抛磨的方法获得蓝宝石光纤平整的端面。对比了三种粒径(1、0.5和0.1μm)砂纸对蓝宝石光纤端面光滑程度的影响。研究了渐变折射率光纤的模场转换特性,并且获得了1/4周期渐变折射率光纤能将直径为10.40μm的单模模场转换成直径为18.57μm的单模模场,其发散角从0.127 rad减小至0.058 rad。基于1/4周期渐变折射率光纤可以提高不同模场直径的模场匹配度,但是由于蓝宝石光纤的高度多模化,单模能量占比不高,未能有效降低单模光纤和蓝宝石光纤的耦合损耗。所以基于渐变折射率光纤的多模传输特性,直接采用渐变折射率光纤与蓝宝石光纤耦合,相比于单模光纤和蓝宝石光纤连接耦合,渐变折射率光纤和蓝宝石光纤耦合可以将损耗减少10 dB。2.研究了利用飞秒(Femtosecond,Fs)激光逐线法在单晶蓝宝石光纤上制备蓝宝石光纤光栅(sappire fiber Bragg grating,SFBG)的特性。基于定义法测试并获得直径60μm蓝宝石光纤的SFBG的反射率为6.3%,信噪比为7.86 dB,3 dB带宽为6.08nm;直径100μm蓝宝石光纤上写制的SFBG的反射率为3.9%,信噪比为5.75dB,3 dB带宽为7.58 nm。结果表明直径60μm的蓝宝石光纤上制备的SFBG反射谱更优。进一步研究各个写制参数对光谱的影响:1)刻线长度从5μm增加到50μm,反射率从2.24 dB增加到7.86 dB;2)周期数从1126增加到2252,SFBG的反射率从7.09dB增加到10.01 dB。进一步研究SFBG处于蓝宝石光纤的位置对反射谱的影响,SFBG处于中间的反射率更高,达到12.46 dB,其反射峰波长为1553.32 nm。SFBG距离中间9μm,反射率下降为10.02 dB,反射峰蓝移至1550.59 nm。研究不同阶数的SFBG的反射谱特性,其反射率和3 dB带宽随着阶数增加先下降后增加。其中,6阶SFBG反射率最低为6.75 dB,3 dB带宽最窄为2.42 nm。研究了偏置耦合对SFBG反射光谱的影响,沿着垂直于SFBG的刻线方向移动,可以将SFBG的3 dB带宽从2.64 nm下降至1.39 nm,同时信噪比略微下降了1.14 dB。研究了SFBG阵列,在1525-1620范围内写制5个不同反射波长的SFBG形成阵列,并且测试了SFBG阵列从正反两个方向耦合时的反射谱。3.通过将飞秒激光逐线法发展为Fs激光多层逐线法在单晶蓝宝石光纤上制备多层SFBG。研究了飞秒激光聚焦点距离蓝宝石光纤表面不同深度加工时的刻线长度变化。通过使用相同的能量在直径为60和100μm的蓝宝石光纤内不同深度刻制40μm线长,可见在直径为60μm的蓝宝石光纤中距离表面5到13μm的深度能获得完整的40μm线长,在直径为100μm的蓝宝石光纤距离表面5到29μm能获得完整的40μm线长。基于飞秒激光多层逐线法制备SFBG,研究了层的刻制顺序,先写下层的信噪比高于先写上层1 dB。层数为2,层间距为5μm的SFBG的信噪比最高为15.51dB。进一步研究偏置耦合对双层SFBG的反射光谱的影响,双层SFBG的反射谱同样对偏置耦合具有方向选择性,当沿着垂直于刻线方向偏置时,SFBG的3 dB带宽从1.58 nm下降至1.32 nm,同时信噪比略微下降了0.5 dB,表明该方法能有效降低SFBG反射谱的3 dB带宽,同时能保持较高的反射率。4.研究了SFBG的高温响应特性,先采用B型热电偶探测了高温炉的温场分布,均温区范围在中低温时(1000℃以下)小于20 cm,在高温时(1000℃以上)增加至20 cm。SFBG的反射峰是由多个模式的反射峰叠加而成,呈现出众多尖峰,不利于寻峰。采取平滑滤波的方法对SFBG的反射光谱进行处理,研究了Adjacent averaging法和Savitzky-Golay法对SFBG反射谱的平滑效果,得出Savitzky-Golay法更能保留反射峰的高度和宽度等数据的特征。测试了SFBG的20-1612℃温度响应,其温度灵敏度在低温、中高温、高温分别为23.4、28.1和36.5 pm/℃。温度超过1785℃后,SFBG反射峰则永久消失。本论文通过优化刻线长度、写制能量、周期数、光栅位置、调制层数等写制参数,并通过错位耦合的方法有效拟制高阶模,得到反射率为6.3%,3 dB带宽为1.32nm,信噪比达到15.51 dB的蓝宝石光纤光栅。蓝宝石光纤光栅的耐温性能为1612℃,灵敏度达到36.5 pm/℃。并成功制备了包括5个不同波长的光栅阵列。