会议观点 | 深圳大学王义平教授：极端环境光纤传感技术及应用

创业 2024-11-11 18:04 上海

9月11-13日，第25届中国国际光电博览会在深圳举行，在同期举办的“超快激光微纳加工制造论坛”上，深圳大学教授王义平围绕着极端环境光纤传感技术及应用等话题展开讨论。

王义平

- 深圳大学讲席教授 -

深圳大学、物理与光电工程学院，讲席教授、博导、国家杰青、万人领军、Optica Fellow、光电子器件与系统教育部重点实验室主任、广东省光纤传感技术粤港联合研究中心主任。长期从事光纤传感技术及应用研究，获教育部自然科学奖一等奖和二等奖等奖励；主持国家重点研发计划、国自然重点等项目32项。发表SCI论文410篇（SCI引用12000余次、H指数: 53），20篇论文单篇SCI引用超过100次；授权发明专利65项（美国发明专利10项）。

本次会议王教授发表《极端环境光纤传感技术及应用》专题演讲。主要通过光纤传感器件制备技术、光纤三维形状传感技术、光纤高温高压传感技术、极端环境光纤传感应用四个部分进行阐述。

王教授提出，在深海、深空、深地这些极端环境下，智能工程结构的实时健康监测是目前急需解决的关键问题。在高温环境下，比如航空发动机、高速飞行器，它在高速运转过程中，发动机内部的温度可能到1800-2000度，高速飞行器在高速飞行时候，它的表面温度可能达到1000多度甚至2000度以上，这时候它的结构健康监测存在很多问题。如出现高温度下多物理场耦合、力热交叉敏感和原位监测等问题。对此，我们开展了很多工作，其中包括高温传感方面。

传感器怎么制备？王教授表示飞秒激光是非常好的制备微结构器件的方式，光纤光栅是比较经典的传感器件，还有光纤微腔也是另外一个传感器件。早期的方式是用紫外设备光纤光栅，近年也有用飞秒光纤光栅，它能够直接刻写，并且具有紫外激光所不具备的优势。同时它也保留了光纤原有的抗拉光强度，它的波长随意可调，并且耐高温。即光纤耐多少高温，传感器就耐多少高温。我们去年在国内首次发布了一个技术，叫做“全自动光纤光栅阵列制备技术”，在这之前，飞秒激光制备主要是德国的技术，目前我们已在国内实现了国产替代，而这种技术主要在航空航天、油井勘探等等领域有着广泛的应用前景。

关于光纤三维传感，一般情况下是单芯光纤一根一根制备，现在还有多芯光纤，在光纤的每个芯上制备一个光纤光栅，隔一段距离再制备一个光纤光栅，形成一个串联、并联混合的光纤光栅阵列，这样就能实现光纤三维传感。我们所研发的解调仪可以自主实时感知光纤上任何一点的空间位置或者X、Y、Z坐标，同时把它的三维性准恢复出来，用单根光纤实现光纤三维传感，这个设备它的空间分辨率可以到1毫米。这种产品有很多的应用点，比如说机器人灵巧手、轮椅机器人。当布上一根光纤，机器人灵巧手的姿态则可以感应出来；航天员出舱之后，他的空间位置姿态也可以实时通过光纤自主感知进行监测。另外一个用途是医疗手术方面，现在做胃镜、肠镜或者心血管手术，基本上是把患者放在X光下看，否则不知道穿刺针在什么位置，如果把这个光纤和穿刺的导丝结合在一起，穿到人体之后就可以实时感知它的空间姿态，有经验的外科医生可以不用借助X光，就可以判断位置，这样也适合手术机器人或者远程医疗的应用；除此之外桥梁、大坝上布上光纤，也可以自主感知它的应力的变化，包括风机叶片的变形监测，提升运行的安全性等等。

关于光纤高温高压传感技术。我们采用不同类型的光纤实现不同温度的高温传感，从300度到1800度，1000度以下用普通石英光纤实现，在1000度以上是要耐高温的光纤，就是采用蓝宝石光纤，它的材料是三氧化二铝，熔点是2045度，可以实现1800度以上的高温传感。目前我们用这种方式做了一个封装结构，实现了1800度的超高温原位测量。同时通过飞秒激光在光纤里面画螺旋线的方式，一方面是周期性的光纤结构，另一方面做成单模蓝宝石光栅结构。另外做光强微腔压力传感。通过控制光纤的壁厚实现高压、低压的测量，现在石英薄膜可以测到一个负压甚至接近真空的压力传感，用光纤光栅和光栅微腔结合的方式，实现了800度高温、10Mpa的同时存在的状况下正常的工作。除了高温、高压，这是静态压力，另外还有动态压力，比如说爆炸的冲击波，在爆炸瞬间它的压力是很大的，我们用光纤微腔实现了光纤麦克风。还有力学高速测量、土中爆炸、水中爆炸、空中爆炸，用光栅传感器去做压力测试，主要是在新型武器弹药毁伤效应，实现动态压力传感。

最后王教授总结道：我们的团队一直致力于光纤传感器的制备工作。尤其是大规模光纤光栅阵列飞秒激光全自动制备技术、高精度多芯光纤光栅阵列三维形状传感技术、蓝宝石光纤光栅及阵列高温传感技术及分布式光纤传感技术。如需了解更多面向高温高压等极端环境的光纤传感器的案例和解决方案，欢迎多多交流沟通。

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中国国际光电博览会是全球极具规模及影响力的光电产业综合性展会，将于2025年9月10-12日在深圳国际会展中心（宝安新馆）盛大开幕。

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