本文属于类型b，即科学论文综述。以下是对该文档的学术报告：
本文《Recent advances in optical fiber high-temperature sensors and encapsulation technique [Invited]》由徐文杰、卞强、梁建桥、王振丞、于洋及孟洲等人撰写，第一作者与通讯作者分别来自国防科技大学材料科学中心与国防科技大学气象海洋学院，合作单位包括慕尼黑应用科学大学光子学实验室和慕尼黑工业大学测量与传感器技术研究所。该文发表于《Chinese Optics Letters》2023年9月第21卷第9期，是一篇受邀请撰写的综述论文，旨在系统总结光纤高温传感器及其封装技术的最新研究进展，并探讨其在航空航天等极端环境下应用所面临的关键技术问题。
本文的核心主题是光纤高温传感器及其封装技术。作者围绕两类主要传感结构——光纤布拉格光栅（fiber Bragg grating, FBG）型与法布里-珀罗干涉仪（Fabry–Perot interferometer, FPI）型——进行了系统梳理，并将封装技术归纳为管式封装、基底封装与金属嵌入式封装三类。在此基础上，文章进一步提炼出三个亟需解决的关键技术问题：温度与应变的交叉敏感、金属与光纤材料属性失配以及蓝宝石光纤单模传输难题。全文结构清晰，由传感器类型与原理、封装技术进展、关键技术问题及结论四大部分构成，各部分均以大量文献为依据展开论证。
文章的第一部分围绕FBG型高温传感器展开。FBG是利用紫外光或飞秒激光在光纤纤芯中诱导折射率周期性调制而形成的波长选择反射器，其布拉格波长（Bragg wavelength）由有效折射率和光栅周期共同决定。然而，常规I型FBG在超过300°C时折射率会发生衰退甚至被擦除，因此难以满足高温传感需求。为了提高光纤光栅的耐温上限，研究者发展了多种方法，包括二氧化碳激光写入、高温退火再生以及飞秒激光写入等。其中，再生光纤布拉格光栅（regenerated fiber Bragg grating, RFBG）通过将预处理的种子光栅在数百度高温下退火，使其反射率先衰减至近零再重新生长而形成。尽管关于再生机制尚无统一解释，但化学组分理论与结晶理论是目前两种主要的学说。Yang等人于2015年利用两个级联的I型FBG经退火制得RFBG，在900°C和1000 με范围内实现了温度与应变的同时测量。Gunawardena等人于2020年进一步报道了“复活的再生光纤布拉格光栅（R2FBG）”，其在1405°C下重新生成，展示了超过1400°C的超高温测量潜力。在实际应用中，RFBG已在建筑火灾监测、化学反应容器与燃气轮机排气温度分布测量以及核反应堆液钠温度监测中得到了验证。与RFBG类似，II型FBG由高能飞秒激光在纤芯中造成物理损伤而形成永久折射率调制，表现出优异的热稳定性。Martinez等人在2004年首次采用飞秒激光逐点刻写法制备了I至III阶FBG；Li等人通过退火和预应力处理使II型FBG在1200°C下稳定工作26小时。II型FBG在燃气轮机出口温度监测、燃烧室火焰筒温度梯度测量以及核反应堆堆芯环境传感中均有应用。然而，石英光纤受材料软化点限制，在高于1000°C的环境中难以长期稳定工作。相比之下，蓝宝石光纤具有约2053°C的熔点、高硬度与耐化学腐蚀等优点，因而成为超高温传感的重要候选材料。蓝宝石光纤布拉格光栅（sapphire fiber Bragg grating, SFBG）可通过相位掩模法、逐点法或逐线扫描法制备。Grobnic等人于2004年首次在蓝宝石光纤中刻写了SFBG，但由于蓝宝石光纤的多模特性，其反射谱较宽。为解决这一问题，研究者通过将锥形单模光纤与蓝宝石光纤熔接实现模式滤波，获得了3 dB带宽仅0.33 nm的SFBG，并实现了1500°C测量。Habisreuther等人利用SFBG测量了1500°C管式炉内的温度分布，并在氩气保护下验证了SFBG在1900°C下的存活性。He等人通过蓝宝石管和惰性气体封装SFBG，使传感器在1600°C下稳定工作20小时，最高工作温度达1800°C。表1从光纤材料、FBG类型与最高稳定温度等方面比较了不同FBG高温传感器的性能。
文章的第二部分综述了FPI型高温传感器。FPI的传感元件为法布里-珀罗腔，温度变化通过热光效应和热膨胀改变腔长和折射率，引起干涉光谱漂移。FPI分为本征型（intrinsic Fabry–Perot interferometer, IFPI）和 extrinsic型（extrinsic Fabry–Perot interferometer, EFPI）。IFPI由于热光效应对温度更敏感，常用于温度传感，而EFPI在应变测量中应用较多。制备FPI高温传感器常采用石英、蓝宝石和碳化硅等耐高温材料，并结合飞秒激光微纳加工、微机电系统（MEMS）加工和二氧化碳激光焊接等技术。Wei等人于2008年利用飞秒激光在单模光纤中微加工凹槽形成EFPI，实现1100°C温度传感。Lei等人于2019年报道了一种基于空芯光子晶体光纤的IFPI传感器，可在1200°C下工作，温度灵敏度为15.68 pm/°C。为进一步提高测温上限，研究者发展了基于蓝宝石光纤的FPI传感器。Wang等人于1992年首次将蓝宝石光纤IFPI用于高温传感，实现310°C至976°C范围内0.2°C的分辨率。Yu等人于2019年提出了一种基于蓝宝石光纤与蓝宝石晶片的EFPI结构，通过双光纤输入输出分离背景光与干涉信号，显著提高了条纹对比度与信噪比，测温上限达1080°C，分辨率优于0.25°C。Yang等人于2020年利用飞秒激光在蓝宝石光纤端面加工微气腔，并用二氧化碳激光焊接蓝宝石晶片，制成全蓝宝石微光纤FPI传感器，实现1455°C测温，平均温度分辨率为0.68°C。表3从光纤材料、结构类型、工作温度与温度灵敏度等方面对典型FPI高温传感器进行了总结。
文章的第三部分系统讨论了光纤高温传感器封装技术，分为管式封装（tubular encapsulation）、基底封装（substrate encapsulation）和金属嵌入式封装（metal-embedded encapsulation）三类。管式封装将传感器置于单层或多层耐高温套管中，以增强其机械强度及耐侵蚀能力。Barrera等人使用氧化铝陶瓷管和镍合金外壳封装RFBG，实现1100°C测温且无迟滞。Wilson等人发现蓝宝石光纤在1400°C以上高温氧化会导致表面形成氢氧化铝，显著增大传输损耗，而惰性气体隔离可有效抑制该现象。He等人利用蓝宝石管与惰性气体封装SFBG，将工作温度提升至1800°C。基底封装则将光纤传感器通过焊接或胶接固定在基底上，适用于结构表面应变测量。Inoue等人于1995年首次使用铝合金板封装FBG；Gupta等人通过高热膨胀系数基底将温度灵敏度提高至裸光栅的2至4倍。Tu等人将镍涂覆RFBG封装于钢基底上，但受RFBG机械强度限制，其最高工作温度仅为400°C。Yao等人设计了一种基于不锈钢基底的双II型FBG级联传感器，可在1100°C、580 με和14 g范围内同时测量温度、应变和振动。
金属嵌入式封装近年来受到广泛关注，其主要方法包括电镀（electroplating）、铸造（casting）和金属3D打印。电镀通过在光纤表面预镀导电层后进行金属沉积，可有效提高光纤的抗疲劳性能。Li等人在2009年制备了镍涂覆FBG温度传感器，并建立了金属化FBG的数学模型。Liang等人于2023年开发了一种镍涂覆FBG-FPI复合结构，可在0°C至545°C及0至1000 με范围内实现温度与应变的同时测量。铸造法是将光纤置于铸模中，在金属浇铸过程中实现嵌入。慕尼黑工业大学和慕尼黑应用科学大学的研究团队利用FBG/RFBG监测铝合金（最高650°C）和铜（最高1100°C）铸造过程，并制备了标准拉伸试件进行温度与应变的同时测量。金属3D打印主要包括激光增材制造和超声增材制造（ultrasonic additive manufacturing, UAM）。激光增材制造如选区激光熔化（selective laser melting, SLM）和定向能量沉积（directed energy deposition, DED）已被用于将光纤传感器嵌入不锈钢、钛合金和氧化铝基底中。Kim等人利用DED将镀镍FBG嵌入微型涡轮叶片，并在100°C至500°C范围内进行了三轮温度循环测试，传感器表现出良好的线性度和温度灵敏度。UAM是一种固态增材制造技术，其工作温度低于基体材料熔点的25%，因而避免了高温对传感器的损伤。Chilelli等人利用UAM将FBG嵌入不同基底，并在300°C下重复工作；Hyer等人将光纤传感器嵌入用于核反应堆的不锈钢管道和六角组件中，展示了分布式温度与应变监测的潜力。表4对各种金属嵌入式光纤传感器的嵌入方法、工作温度及应用场景进行了系统总结。
文章在第四部分提炼了三个关键技术问题。第一是温度与应变的交叉敏感问题。FBG和FPI传感器对温度和应变同时敏感，高温环境中的热应力会引入测量误差。目前主要解决方法包括双参数矩阵法、温度补偿法和机器学习法。双参数矩阵法利用不同温度与应变响应特性的结构实现解耦，但在高温下应变灵敏度随温度变化，可能导致较大解耦误差。迭代矩阵算法在一定程度上提高了温度与应变解耦精度，而机器学习方法可利用单一传感器结构实现解耦，降低成本但解耦精度有限。第二是金属与光纤材料属性失配问题。金属与石英光纤在热膨胀系数等方面存在巨大差异，铸造过程中的温度变化常引入超过-10000 με的压缩应变，普通光纤难以存活。为此，研究者采用更大尺寸和更高机械强度的光纤。此外，高温粘接剂的CTE失配也会影响封装效果。第三是蓝宝石光纤的单模传输问题。蓝宝石光纤具有空气包层和多模结构，高阶模式激发导致SFBG反射峰展宽、信噪比和条纹对比度下降。为解决这一问题，研究者发展了蓝宝石衍生光纤（sapphire-derived fiber, SDF）拉制、螺旋光栅刻写、凹陷包层波导（depressed cladding waveguide, DCW）以及熔接模式滤波等方法。Guo等人于2021年制备了近单模SDF-FBG，3 dB带宽0.33 nm，可在1000°C下工作。Wang等人于2022年在蓝宝石光纤上制备了凹陷包层波导，获得了单模SFBG，但插入损耗大于6.8 dB/cm，仅适用于厘米级长度。作者所在的课题组与深圳大学合作提出了基于模场匹配的熔接方法，获得了FWHM为0.3 nm、信噪比8 dB的准单模SFBG反射谱，并通过预拉锥单模光纤将信噪比提高至14 dB。尽管已取得显著进展，但目前仍无可承受1300°C以上测试的准单模光谱SFBG传感器，商用化产品尚未见报道。
该综述的学术价值在于系统地梳理了光纤FBG和FPI高温传感器的发展脉络、性能极限及封装技术路线，为高性能高温传感器的设计提供了全面参考。其应用价值体现在对航空航天发动机、高超声速飞行器、核反应堆等极端环境下结构健康监测和温度场测量的技术需求进行了有针对性的分析，明确了金属嵌入式封装在保持结构完整性与热防护性能方面的优势。文章提出的三个关键技术问题——温度-应变交叉敏感、材料失配与蓝宝石单模传输——为后续研究指明了方向。整体而言，本文既是一份具有较强资料性的技术综述，也是一份具有前瞻性的研究路线图，对于从事光纤传感、高温测试和极端环境监测的研究人员具有重要参考意义。