《Sensors》：Single-Crystal Optical Fiber-Based Raman-Distributed Temperature Sensing for Applications in Energy Systems
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现代能源发电系统往往呈现出地球上最具挑战性的测量环境。以煤、石油、天然气或核能为基础的系统可能面临极高温度、腐蚀性或侵蚀性环境、极端放射性、宽范围压力以及极端振动水平。为在这些系统中触及最高价值的部件以开展传感器应用，研究人员实现了一种分布式光纤温度传感系统，
现代能源发电系统往往呈现出地球上最具挑战性的测量环境。以煤、石油、天然气或核能为基础的系统可能面临极高温度、腐蚀性或侵蚀性环境、极端放射性、宽范围压力以及极端振动水平。为在这些系统中触及最高价值的部件以开展传感器应用，研究人员实现了一种分布式光纤温度传感系统，该系统可沿传感光纤全长测量温度变化。与标准分布式光纤传感器不同，该系统采用由蓝宝石（sapphire）或钇铝石榴石（yttrium aluminum garnet，YAG）制成的单晶光纤作为传感元件。本文对研究团队在以下方面的综合工作进行展望与概述：通过激光加热基座生长法（laser-heated pedestal growth，LHPG）生长外径125 μm、芯径范围可调的单晶蓝宝石光纤，并利用第二套LHPG系统对这些光纤进行提纯或包层处理。上述工作与光学解调仪开发计划（Optical Interrogator Development Program）相整合，在该计划中研究人员构建了针对特定能源应用定制的分布式光纤传感解调仪单元。最后，文章详细介绍了近期将拉曼分布式温度传感系统与商用分布式传感设备进行对比的结果。
论文解读
一、研究背景与问题
现代煤电、油气及核能发电系统持续追求更高的运行温度区间，这一趋势主要由提高卡诺效率的内在驱动以及材料科学与冷却系统技术的进步共同推动。20世纪60年代的燃煤锅炉系统多为亚临界系统，蒸汽温度接近600 °C，效率约30%；超临界和超超临界蒸汽系统的出现使温度突破600 °C，效率超过40%。燃气轮机系统方面，90年代F级系统的燃烧室运行温度为1200–1400 °C，而现代H级或J级系统的点火温度介于1500 °C至1650 °C之间。尽管大多数核反应堆目前仍为轻水堆设计，但先进核反应堆设计正呈现类似趋势：钠冷堆设计运行温度可能超过500 °C，铅冷堆设计可达约800 °C，熔盐堆设计的出口温度可能接近850 °C。燃煤锅炉、燃气轮机和核反应堆合计占美国当前能源产量的75%以上。
这些先进能源系统的安全高效运行依赖大量传感与控制系统。传统高温传感技术面临诸多局限：热电偶虽可测量至约1650 °C，但常被视为临时器件，因结点退化需频繁或定期更换；先进镍合金在提供封装方案的同时也面临温度极限和寿命问题；先进陶瓷易受热失配和振动影响；宽禁带高温半导体可在约1000 °C下实现半导体传感，但布置、振动及互连布线存在显著限制；热成像等远程探测技术虽可置于热区之外，但最直接、最高价值的测量数据仍来自对最恶劣环境区域的直接接触式测量。传感系统需在空间和时间分辨率上匹配测量区域的最小物理尺寸及可产生瞬变的频率，而能源系统从微型反应堆到大型电厂跨度极大，对传感技术提出了严峻挑战。
传统熔融石英光纤因其固有熔点较低且在中等温度下掺杂剂扩散导致光学和材料性能严重退化，无法满足上述极端高温环境的应用需求。因此，开发能够在极端高温、腐蚀、放射性等恶劣环境中工作的新型分布式光纤传感技术成为迫切需求。
二、研究内容与意义
研究人员针对能源系统极端环境下的分布式温度传感需求，开展了单晶光纤拉曼分布式温度传感系统的系统性研究。研究团队通过激光加热基座生长法（LHPG）生长高质量单晶蓝宝石光纤，并通过串联式LHPG系统实现光纤的掺杂包层工程，最终构建了专用于单晶光纤的拉曼分布式温度传感（Raman-DTS）系统。该系统利用拉曼散射中反斯托克斯与斯托克斯光子强度比与温度的关系实现温度测量，可在蓝宝石光纤上实现约4 cm的空间分辨率和约1 °C的温度分辨率。研究通过与商用分布式传感系统的对比实验验证了系统的测量能力，表明该技术在高温恶劣环境下的分布式温度测量方面具有显著优势和广阔应用前景，为下一代能源系统的高温监测提供了新的技术路径。
三、关键技术方法
研究人员主要采用了以下关键技术方法：
激光加热基座生长法（LHPG）：利用CO2激光作为热源熔化单晶材料基座顶端，通过精确控制激光功率、基座平移速率和光纤拉制速率，生长直径约125 μm、直径变化小于1%的高质量单晶蓝宝石光纤，最长可达20 m。系统采用无刷无槽直流电机配合光学编码器和100:1谐波减速器实现精密运动控制，并利用双相机机器视觉系统配合远心镜头和蓝光背光源实现熔区及光纤直径的精确测量与闭环反馈控制。
串联式LHPG包层工程：第一级LHPG系统将1 mm直径基座材料生长为约300 μm直径光纤，随后通过溶胶-凝胶法（sol-gel method）等方法将掺杂材料施加于光纤外表面，再经第二级LHPG系统（功率小于10 W）重新生长，利用熔区中的热对流（Marangoni对流）和掺杂离子的固液分凝系数差异，使掺杂离子自然富集于光纤中心区域，形成芯/包层折射率结构，最终获得直径125 μm或更小的包层单晶光纤。
拉曼分布式温度传感（Raman-DTS）系统：采用532 nm激光器（脉宽约350 ps，单脉冲能量约4.7 μJ，峰值功率约13 kW）作为激发源，通过非球面消色差透镜将激光脉冲耦合入单晶光纤。后向传播的拉曼散射光经二向色分束器分为斯托克斯和反斯托克斯通道，各通道配置约30 nm带宽的带通滤光片以去除黑体辐射和杂散光，最终由雪崩光电二极管（APD）以约2 GHz采样率检测。系统利用斯托克斯/反斯托克斯强度比与温度的关系，通过飞行时间将信号转换为沿光纤的距离信息，实现分布式温度测量。
光纤探头封装与熔接：采用大直径光纤熔接机（S178 LDF，OFS Fitel）将熔融石英多模光纤（MMF）引线与单晶光纤探头进行熔接，外层采用不锈钢或镍合金管、陶瓷或多晶蓝宝石管等材料封装探头，以适应不同温度等级的应用需求。
四、研究结果
单晶光纤生长与质量控制：通过LHPG系统成功生长了直径约127.62 μm的蓝宝石光纤，直径变化控制在约1%以内（3个标准差范围内），并实现了20 m长光纤的制备。研究表明，激光功率对光纤直径影响最大，基座平移速率次之，光纤拉制速率影响最小，三者按此顺序通过闭环控制维持光纤直径均匀性。
包层单晶光纤制备：通过串联式LHPG系统实现了单晶光纤的掺杂包层工程。研究显示，掺杂离子在熔区中因分凝系数差异而自然向光纤中心富集，可实现的芯径范围为成品光纤直径的三分之一至90%。示例实验中的光纤实现了约90%的光学吞吐量（含反射和透射损耗）。
分布式温度测量性能：Raman-DTS系统实现了约2–5 cm的空间分辨率（具体取决于光纤类型、直径、长度及测量速率），温度分辨率约1 °C，绝对温度精度（误差范围）为5–30 °C。实验表明，对于110 μm芯径、数值孔径（NA）约0.22的多模光纤，模式耦合在约1 m光纤长度后造成约50 ps的脉冲展宽，2 m后增至约200 ps，10 m长度时因完全弛豫至所有可用光学模式而稳定在5 ns以上，意味着空间分辨率随光纤长度增加而降低。
与商用系统对比实验：研究人员将约1 m长的空气包层蓝宝石光纤与单模金涂层光纤（Fibercore Ltd.）同时安装于管式炉（GSL?1800X，MTI corp.，20 cm加热区，0.7 m管长）中，金涂层光纤连接商用解调系统（LUNA Odisi 6000，Luna Innovations Inc.），该商用系统采用基于瑞利背散射的光频域反射计（OFDR）方法。实验从室温升至500 °C，每个温度点稳定15分钟后由两套分布式传感系统分别测量。结果表明，两套系统均能合理呈现炉内热区的形状和温度幅值，温度精度表现相当。LUNA系统的测量误差主要源于将光谱频移转换为温度所需的曲线拟合参数，而Raman系统在传感器远端的误差主要归因于单晶材料中热致透射变化在斯托克斯和反斯托克斯波长处不完全一致。
五、结论
单晶光纤为在能源发电系统的极端恶劣环境中开展全分布式传感提供了一条极具吸引力的新路径。尽管无包层版本的单晶光纤已问世数十年，新兴的包层方法正在重新激发其在激光和传感应用中的使用兴趣。有效的包层方法将减少模式体积、实现中等长度下的高分辨率传感，并在恶劣环境中提供免受污染和退化的保护。由于这些光纤在多个相关波长范围内预计仍将保持少模或多模特性，基于时域的解调方法，特别是基于拉曼的光时域反射（OTDR）方法，仍非常适合这些材料的分布式温度测量。随着先进煤电、油气和核能系统持续在更高温度和更恶劣环境中运行，单晶光纤传感器有望在石英光纤无法提供足够热稳定性和化学稳定性的区域发挥日益重要的作用。晶体生长、芯包层工程以及降低光学损耗和传播模式数量的持续改进，将是延长传感长度、提高空间分辨率以及在下一代能源系统中实现可靠高温分布式传感能力的关键。
