3国家自然科学基金(69407004和59702007)、国家863计划(8632715201120070)资助项目。 收稿日期:1998210223；收到修改稿日期:1998212209
第20卷 第1期
2000年1月光 学 学 报A CTA O PT I CA S I N I CA V o l .20,N o.1January,2000
从室温到1800℃全程测温的蓝宝石单晶
沈永行
(浙江大学物理系，杭州310027)
摘 要 表述了从室温到1800℃测温范围的全程测温的蓝宝石单晶光纤温度传感器。该光纤传感器综合了光纤辐射测温技术和光纤荧光测温技术的特点，利用特殊生长的端部C r 3+离子掺杂的蓝宝石单晶光纤，使两者有机地结合，实现用单一光纤传感头达到大范围的温度测量。介绍了端部掺杂的蓝宝石单晶光纤的生长方法，分析了它的荧光温度特性、光纤传感头上荧光信号与热辐射信号的相互干扰以及光纤温度传感器的系统结构和工作原理，给出了实验结果。 关键词 光纤温度传感器, 蓝宝石单晶光纤, 荧光。
1 引 言
光纤温度传感器具有动态范围大、灵敏度高、响应快、抗电磁干扰等优点，非常适用于等离子体沉积、高频电加热炉及高温热气流等领域的温度测量。
在各种光纤温度传感器中，有两类具有特别重要的应用价值：根据普朗克辐射定律，利用物体高温热辐射进行检测的辐射型光纤温度传感器[1]和利用物体荧光寿命与温度对应关系的荧光寿命检测型光纤温度传感器[2]。由于物体的热辐射随温度的升高呈近指数型增长，辐射型光纤温度传感器在高温下具有很高的灵敏度，但无法应用于低温区域。相反，由于物体的荧光仅在低温区具有可检测的荧光温度特性，而在高温区则由于荧光淬灭以及辐射背景的增加而无法适用，因此荧光测温型光纤温度传感器适用于低温区的温度测量。上述两种光纤温度传感器如能有机地结合在一起，将能实现从低温到高温的大范围温度测量。利用单一光纤探头实现大范围测温具有重要的应用价值。
蓝宝石单晶光纤由于其极好的高温物理化学性能，非常适用于高温下光纤测温应用，现已成功地用作辐射型光纤温度传感器的光纤传感头[1,3]。利用激光加热基座法(L H PG )单晶光纤生长技术，通过在蓝宝石单晶光纤的端部掺入C r 3+离子[4]，可以实现光激发下的荧光发射。通过荧光寿命的检测，可以测量所对应的温度。因此，这种温度传感器将实现从低温到高温的全程测温。
2 系统结构及工作原理
从室温到1800℃全程测温的蓝宝石单晶光纤温度传感器的系统结构框图如图1所示
,
F ig .1D iagram of the sapph ire fiber thermom eter system 系统主要包括端部掺杂的蓝宝石单
晶光纤传感头、Y 型石英光纤传导
束、超高亮发光二极管(L ED )及驱
动电路、光电探测器、荧光信号处理
系统[4]和辐射信号处理系统[3]。
系统的工作原理为：在低温区
(400℃以下)，辐射信号较弱，系统
开启发光二极管(L ED )使荧光测温
九阴真经斩虎刀鞘
系统工作。发光二极管发射调制的
激励光，经聚光镜耦合到Y 型光纤
的分支端，由Y 型光纤并通过光纤耦合器耦合到蓝宝石光纤温度传感头。光纤传感头端部受激励光激发而发射荧光，荧光信号由蓝宝石光纤导出，并通过光纤耦合器从Y 型光纤的另一分支端射出，由光电探测器接收。光电探测器输出的光信号经放大后由荧光信号处理系统处理，计算荧光寿命并由此得
到所测温度值。而在高温区(400℃以上)，辐射信号足够强，辐射测温系统工作，发光二极管关闭。辐射信号通过蓝宝石光纤并通过Y 型光纤输出，由探测器转换成电信号，系统通过检测辐射信号强度计算得到所测温度。
图1中所示的光纤传感头端部由C r 3+离子掺杂，实现光激励时的荧光发射。掺杂部分光纤长度为8～10mm 。端部光纤的外表面同时镀覆黑体腔，用于辐射测温。(这时，光纤黑体腔长度与直径之比大于10，可以满足黑体腔表观辐射率恒定的要求)[3]。值得注意的是，避免或减少荧光发射部分与热辐射部分的相互干扰，对保证整个系统的性能十分重要。经过分析，可以发现这种干扰主要表现为:1)荧光信号中辐射背景信号对荧光寿命检测精度的影响,2)光纤表面镀覆对荧光强度的影响,3)光纤内C r 3+离子掺杂对黑体腔热辐射信号的影响。以下分别加以说明。
F ig .2R adiance spectrum of the fiber cavity 首先考虑辐射背景对荧光寿命检测精度的影响。由于热辐射信号强度遵守普朗克定律呈近指数变化，在荧光测温工作的低温区内，辐射背景很小，而且为未加调制的直流信号，相对于周期调制的荧光信号，很容易用滤波电路加以消除。因此其影响可以忽略。
其次，考虑光纤端部表面镀覆对荧光信号强度的影响。光纤内的掺杂离子在受激发时，向空间各方向发出荧光，但只有立体角满足光纤数值孔
径的那部分荧光，才能通过光纤表面的全反射由光纤导
出。经过分析，可以发现确有部分荧光由于端部表面的
镀覆而被吸收，且影响较大(强度降低约60%)。为保证
机器人定位尽可能大的信噪比，应特意加长端部掺杂光纤长度，使
超过镀覆长度2～3mm ，才能有效地消除表面镀覆对
荧光强度的影响。
再次，考虑离子掺杂对辐射信号的影响。实际上,
由于高温下能带的交叠，离子吸收的影响越来越小，可
以忽略离子掺杂对热辐射光谱的影响，这点也已由实验
48光 学 学 报20卷
证明。图2分别为端部有C r 3+离子掺杂和没有离子掺杂的光纤在镀覆黑体腔后在1000℃时的热辐射谱
(OM A 采入)，显然图中没有明显的吸收谱段。(由于两光纤测试时的位置略有不同，使谱高度等也略有不同)。
3 蓝宝石光纤传感头制作及荧光光学特性
蓝宝石单晶光纤传感头由激光加热基座法生长制作[4,5]。首先生长一直径约1mm 、足够长度的纯氧化铝单晶光纤。然后以该光纤为子晶，以一直径2mm 的红宝石单晶作为原棒，通过仔细调节激光功率和生长速度，可以生长出结合良好、端部掺杂的氧化铝单晶光纤。掺杂部分C r 3+的原子比约为0.05%。图3为掺杂光纤的生长示意图。
对端部掺杂的蓝宝石单晶光纤的透射谱和荧光谱分别进行了测试。图4为450～750nm 波段内的光纤透射谱，从中可以明显看到550nm 波段的吸收区。图5为利用光学多通道分析仪(OM A )测得的694nm 附近的荧光谱，图中同时示出了其在20℃和380℃温度的荧光谱，其结果与大块红宝石晶体的荧光谱相一致
。
光纤探头
F ig .3Grow th of the end doped sapph ire
fiber F ig .4A bso rp ti on spectrum of the end doped sapph ire
fiber
F ig .5F luo rescence spectra of end doped sapph ire fiber .(a )T =20℃,(b )T =38℃
利用自行研制的处理电路[4]对蓝宝石单晶光纤的荧光寿命与温度关系进行了系统测试，测试结果如图6所示。由图中可以看到荧光寿命随温度呈单调下降形状，但不同温区的斜率有所不同。此外，利用示波器对荧光强度的温度关系进行了系统测试，结果见图7所示，图中两组曲线分别为探测器前加干涉滤光片和长波长滤光片(670nm )时的荧光强度2温度关系，可以认为，仅从强度考虑，长波长滤光片更为
适用。
58 1期沈永行: 从室温到1800℃全程测温的蓝宝石单晶光纤温度传感器
F ig .6T emperature dependence of fluo rescent lifeti m e
F ig .7T emperature dependence of the fluo rescence
intensity .
9521168◆:interference filter ;■:long
pass filter 4 测温系统实验结果及分析
采用图1所示测温系统得到的实验测试结果如图8所示，该曲线可以作为系统标定用
。
F ig .8Calibrati on graph of the fluo rescence
lifeti m e and blackbody radiati on .a :
投币器fluo rescence lifeti m e ;b :blackbody
radiati on 可以看到在300～450℃区间存在较大的重叠区，这对
系统的连续测温及参照标定非常关键(因为荧光测温与
信号强度无关，光信号传输过程的变化如耦合变化等不
影响其温度测试值，因此能用来标定辐射测温值)。
1600nm 波段探测器的采用对降低辐射测温系统的测
温下限从而使其测温区间与荧光测温区间部分相重叠
非常重要。为方便起见，系统采用了一对波长探测器
(包括Si 和InA sGa 探测器)，其中心波长分别为900
nm 和1600nm ，能有效探测700nm 附近的荧光和长波
段的热辐射光。系统的测温分辨力在低温区由荧光寿命的测试分辨力决定。C r 3+掺杂的氧化铝光纤端部的荧光寿命从20℃的3m s 单调缩短到450℃的0.5m s ，因此其平均温度分辨力是0.2℃L s 。受系统信噪比的影响，目前测试系统对荧光寿命的实际分辨力为5L s ，相对应的温度分辨力为1℃。
在400℃以上的高温区，测温分辨力由辐射信号的信噪比和A D 转换器的分辨力决定。目前在400℃到600℃区间，受信噪比影响，分辨力为1℃，而在600℃以上范围，信号很强，信噪比足够大，在不考虑长期稳定性的情况下，较容易地达到0.1℃的测温分辨力。结 论 用激光加热基座法生长出的端部C r 3+离子掺杂的氧化铝单晶光纤，已成功地用于从室温到1800℃的大范围光纤温度传感器。对光纤的吸收与荧光光学特性的测试表明，该光纤具有较好的光学品质。
通过把荧光测温机制和辐射测温机制相结合，已制作成功从室温到1800℃的蓝宝石光纤温度传感器实验系统，其中荧光测温的温度范围为20～450℃，辐射测温的温度范围为300～1800℃。其中300～450℃间较大的测温重叠区，有利于连续测温和参照标定。测温系统的分
68光 学 学 报20卷
辨力为:20～600℃,1℃;600～1600℃,0.1℃。
由于噪声的影响，目前荧光测温系统的测温分辨力受到一定限制，使整个系统低温区的测温分辨力受到影响。若采用相敏检测技术，同时采用更强的激光二极管激发源、改进光纤系统的耦合，可以期望系统的低温分辨力获得较大改进。
参考文献
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～150Sapph ire F iber Therm om eter Rang i ng from the Room Tem pera ture to 1800℃
X Shen Yonghang展频原理
(Z hej iang U n iversity ,D ep a rt m en t of P hy sics ,H ang z hou 310027)
(R eceived 23O ctober 1998;revised 09D ecem ber 1998)
Abstracts T he sapp h ire fiber therm om eter ranging from the room tem p eratu re to 1800℃is described .It u ses a sp ecially grow n sapp h ire fiber as the
therm om eter p robe .T he end p art of the sapp h ire fiber is dop ed w ith C r 3+i on by
m ean s of the laser heat p edestal grow th (L H PG )m ethod and coated w ith som e h igh radian t
m aterial to con stitu te a m in i fiber cavity .T echn iques of fluo rescen t lifeti m e detecti on and the radiance in ten sity detecti on w ere u sed .G row th of the end dop ed sapp h ire fiber is in troduced .A nalysis is m ade on the tem p eratu re dep endence of fluo rescence of the end dop ed sapp h ire fiber as w ell as the signal in terference betw een the fluo rescence and the therm al radiance .Exp eri m en tal system of the therm om eter and the p reli m inary exp eri m en tal resu lt are p resen ted .
Key words fiber therm om eter , sapp h ire fiber , fluo rescence .
78 1期沈永行: 从室温到1800℃全程测温的蓝宝石单晶光纤温度传感器 X Suppo rted by N ati onal N atural Science Foundati on of Ch ina (P ro ject N o .69407004and 59702007)and N ati onal A dvanced M aterials Comm ittee of Ch ina (P ro ject N o .8632715201120070).
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