新研究實現光纖光柵“結繩記溫”

　　近日，暨南大學物理與光電工程學院（理工學院）教授關柏鷗團隊在國家自然科學基金等項目的資助下，研究實現了光纖光柵“結繩記溫”。相關成果發表于《自然-通訊》（Nature Communications）。

類科瓦奇記憶效應光纖光柵（KM-FBG）光譜“結繩”記溫示意圖。研究團隊供圖，下同

　　光纖光柵作為傳感元件在國防和民用諸多領域得到了廣泛應用。傳統光纖光柵測量溫度時，要求采用解調裝置實時讀取光纖光柵波長來獲取溫度信息。然而，在航天、地質等一些特殊應用場合，難以布置解調裝置對光纖光柵波長進行實時讀取。如果光纖光柵具有溫度“記憶”能力，就能夠“記住”所經歷過的溫度事件，可在事后讀取溫度信息，這將會極大地拓展其應用范圍。

　　研究團隊采用193 nm準分子激光結合相位掩膜法，在石英光纖上刻寫類科瓦奇記憶效應光纖光柵（KM-FBG）。該光柵具有獨特的雙峰譜型，溫度升高時兩個峰向長波方向移動并逐漸靠攏融合，溫度回落時兩個峰向短波方向移動，但其譜型保持不變，永久保留其在最高溫度時的光譜形狀。類似于古人在繩子上打出不同大小和距離的繩結來記錄事件，KM-FBG借助“自然之手”進行光譜“結繩”，將所經歷的最高溫度記錄下來。實驗表明，只要不超過其所經歷的最高溫度，即使經過多次熱循環，KM-FBG仍能穩定保持其光譜形狀。

KM-FBG溫度記憶和一維數據存儲應用演示。

　　研究團隊展示了KM-FBG的功能應用。首先是利用KM-FBG進行“結繩”記溫，將KM-FBG陣列鋪設在具有JNU圖案的加熱板表面，J、N、U三個區域分別加熱至300℃、400℃、500℃，冷卻后光柵譜型準確地記錄了各區域的最高溫度。接下來利用KM-FBG進行“結繩”編碼，采用激光加熱方式對KM-FBG進行快速“結繩”（調制時間僅需0.6秒），通過控制激光功率精準調控譜型，未加熱的雙諧振峰光譜（“雙結”）對應“0”，加熱融合的單諧振峰光譜（“單結”）對應“1”，實現了二進制數據編碼。通過波長復用技術，可以將多個不同波長的KM-FBG串聯形成陣列，實現ASCII碼信息（如字母“J”，“N”，“U”）編碼與存儲。

　　論文共同通訊作者、暨南大學物理與光電工程學院（理工學院）教授冉洋表示，KM-FBG這種溫度記憶能力，擺脫了傳統上對光纖光柵波長實時讀取設備的依賴，在工業、地質、航天等需要記錄溫度事件的場景中具有應用潛力。此外，光纖光柵的光譜信號能夠從宏觀上反應玻璃材料受到加熱以及應變刺激下復雜的熱平衡動態過程，可以為非晶態玻璃的熱馳豫和相變動態研究提供新的研究視角和表征方法。

　　相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-025-61538-y