耐高溫光纖：惡劣環境下的光信號傳輸先鋒

在航空航天、能源勘探、工業制造及國防科技等前沿領域，傳感器和通信系統常常需要在數百甚至上千攝氏度的高溫環境中長期穩定運行。傳統石英光纖在高溫下會迅速劣化，導致信號衰減加劇、機械強度下降，甚至失效。為突破這一技術瓶頸，耐高溫光纖應運而生。這類光纖專為溫度環境設計，能夠在傳統材料無法生存的條件下實現可靠、高效的光信號傳輸，成為現代高溫傳感與通信系統的核心組件。

一、傳統光纖的高溫局限

標準通信級石英光纖（SiO?基）通常在100℃以上長期使用時，其損耗會因“熱致衰減”而顯著增加。當溫度超過300℃時，光纖中的氫氧根（OH?）離子和缺陷中心被激活，引發強烈的光吸收；超過600℃時，玻璃結構開始發生弛豫，導致微彎增加和機械性能退化；800℃以上，光纖將迅速軟化甚至熔融。此外，標準光纖的聚合物涂覆層（如丙烯酸酯、聚酰亞胺）在300℃左右即會碳化或分解，失去保護作用。因此，開發新型材料和結構的耐高溫光纖成為必然需求。

二、耐高溫光纖的核心材料與結構

1.高純度石英光纖

通過超高純度提純工藝，最大限度減少石英玻璃中的過渡金屬離子和OH?雜質，可顯著降低高溫下的本征吸收。高OH?含量石英光纖在紫外區有良好透過性，適用于高溫紫外傳感；低OH?光纖則在近紅外通信波段表現更優。此類光纖在無涂層狀態下可短期耐受1000℃以上高溫，但長期穩定性仍受限于表面缺陷。

2.金屬涂覆光纖

取代有機涂層，采用金屬層直接包覆光纖芯層，是提升耐溫能力的關鍵。常見金屬涂層包括：

-金（Au）涂層：熔點1064℃，化學惰性強，抗氧化性能優異，可在800℃下長期穩定工作，廣泛用于航空航天和高溫傳感。

-鋁（Al）涂層：熔點660℃，成本較低，適用于中高溫環境。

-鎳（Ni）或鎳合金涂層：具有良好的熱穩定性和機械強度，適用于高溫動態環境。

金屬涂層不僅提供高溫保護，還能增強光纖的抗拉強度和抗腐蝕能力。

3.晶體光纖（Sapphire Fiber）

以單晶藍寶石（Al?O?）為基材的光纖，是目前耐溫性能光纖之一。藍寶石熔點高達2050℃，可在1900℃下長期工作，且具有優異的化學穩定性和機械強度。盡管其傳輸損耗較高（尤其在通信波段），且難以實現低損耗熔接，但在超高溫傳感（如燃氣輪機、核反應堆）中不可替代。

4.特殊玻璃光纖（如氟化物、硫系玻璃）

某些非氧化物玻璃（如ZBLAN）具有較低的聲子能量，可在中紅外波段實現低損耗傳輸，部分型號可在400–500℃下工作，適用于特定高溫光譜分析。

三、關鍵技術與性能指標

耐高溫光纖的核心技術包括：

-精密拉絲工藝：在惰性氣氛中實現金屬或晶體材料的均勻包覆與拉制。

-高溫熔接技術：開發專用電弧或激光熔接設備，確保高溫光纖間的低損耗連接。

-抗疲勞設計：優化光纖結構，減少高溫下的應力集中和微裂紋擴展。

關鍵性能指標包括：

-長期工作溫度：如500℃、800℃、1000℃等。

-短期耐受溫度：可達1500℃以上（晶體光纖）。

-傳輸損耗：在高溫下保持穩定，通常要求<1 dB/km（石英基）或<10 dB/m（晶體光纖）。

-機械強度與熱循環穩定性。

四、主要應用領域

1.航空發動機與燃氣輪機：嵌入葉片或燃燒室，實時監測溫度、振動和應力，實現健康診斷。

2.石油與天然氣深井勘探：用于井下高溫高壓環境的分布式溫度傳感（DTS）和地震檢波。

3.核能設施：在反應堆內部監測輻射、溫度和結構形變，耐受強輻射與高溫。

4.工業過程控制：鋼鐵、玻璃、水泥等高溫爐窯的在線監測。