近日，暨南大學(xué)物理與光電工程學(xué)院（理工學(xué)院）教授關(guān)柏鷗團(tuán)隊(duì)在國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助下，研究實(shí)現(xiàn)了光纖光柵“結(jié)繩記溫”。相關(guān)成果發(fā)表于《自然-通訊》（Nature Communications）。
類科瓦奇記憶效應(yīng)光纖光柵（KM-FBG）光譜“結(jié)繩”記溫示意圖。研究團(tuán)隊(duì)供圖，下同
光纖光柵作為傳感元件在國(guó)防和民用諸多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)光纖光柵測(cè)量溫度時(shí)，要求采用解調(diào)裝置實(shí)時(shí)讀取光纖光柵波長(zhǎng)來獲取溫度信息。然而，在航天、地質(zhì)等一些特殊應(yīng)用場(chǎng)合，難以布置解調(diào)裝置對(duì)光纖光柵波長(zhǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)讀取。如果光纖光柵具有溫度“記憶”能力，就能夠“記住”所經(jīng)歷過的溫度事件，可在事后讀取溫度信息，這將會(huì)極大地拓展其應(yīng)用范圍。
研究團(tuán)隊(duì)采用193 nm準(zhǔn)分子激光結(jié)合相位掩膜法，在石英光纖上刻寫類科瓦奇記憶效應(yīng)光纖光柵（KM-FBG）。該光柵具有獨(dú)特的雙峰譜型，溫度升高時(shí)兩個(gè)峰向長(zhǎng)波方向移動(dòng)并逐漸靠攏融合，溫度回落時(shí)兩個(gè)峰向短波方向移動(dòng)，但其譜型保持不變，永久保留其在最高溫度時(shí)的光譜形狀。類似于古人在繩子上打出不同大小和距離的繩結(jié)來記錄事件，KM-FBG借助“自然之手”進(jìn)行光譜“結(jié)繩”，將所經(jīng)歷的最高溫度記錄下來。實(shí)驗(yàn)表明，只要不超過其所經(jīng)歷的最高溫度，即使經(jīng)過多次熱循環(huán)，KM-FBG仍能穩(wěn)定保持其光譜形狀。
KM-FBG溫度記憶和一維數(shù)據(jù)存儲(chǔ)應(yīng)用演示。
研究團(tuán)隊(duì)展示了KM-FBG的功能應(yīng)用。首先是利用KM-FBG進(jìn)行“結(jié)繩”記溫，將KM-FBG陣列鋪設(shè)在具有JNU圖案的加熱板表面，J、N、U三個(gè)區(qū)域分別加熱至300℃、400℃、500℃，冷卻后光柵譜型準(zhǔn)確地記錄了各區(qū)域的最高溫度。接下來利用KM-FBG進(jìn)行“結(jié)繩”編碼，采用激光加熱方式對(duì)KM-FBG進(jìn)行快速“結(jié)繩”（調(diào)制時(shí)間僅需0.6秒），通過控制激光功率精準(zhǔn)調(diào)控譜型，未加熱的雙諧振峰光譜（“雙結(jié)”）對(duì)應(yīng)“0”，加熱融合的單諧振峰光譜（“單結(jié)”）對(duì)應(yīng)“1”，實(shí)現(xiàn)了二進(jìn)制數(shù)據(jù)編碼。通過波長(zhǎng)復(fù)用技術(shù)，可以將多個(gè)不同波長(zhǎng)的KM-FBG串聯(lián)形成陣列，實(shí)現(xiàn)ASCII碼信息（如字母“J”，“N”，“U”）編碼與存儲(chǔ)。
論文共同通訊作者、暨南大學(xué)物理與光電工程學(xué)院（理工學(xué)院）教授冉洋表示，KM-FBG這種溫度記憶能力，擺脫了傳統(tǒng)上對(duì)光纖光柵波長(zhǎng)實(shí)時(shí)讀取設(shè)備的依賴，在工業(yè)、地質(zhì)、航天等需要記錄溫度事件的場(chǎng)景中具有應(yīng)用潛力。此外，光纖光柵的光譜信號(hào)能夠從宏觀上反應(yīng)玻璃材料受到加熱以及應(yīng)變刺激下復(fù)雜的熱平衡動(dòng)態(tài)過程，可以為非晶態(tài)玻璃的熱馳豫和相變動(dòng)態(tài)研究提供新的研究視角和表征方法。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-025-61538-y
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