Сапфировое оптическое волокно. Предоставлено: Джулиан Феллс/Оксфордский университет.

В работе, опубликованной в журнале Optics Express, используется сапфировое оптическое волокно — нить из промышленно выращенного сапфира толщиной менее полмиллиметра, способная выдерживать температуры свыше 2000°C. Когда свет подается на один конец сапфирового волокна, часть света отражается обратно от точки вдоль волокна, которая была модифицирована, чтобы быть чувствительной к температуре (известной как решетка Брэгга). Длина волны (цвет) этого отраженного света является мерой температуры в этой точке.

Исследование решает проблему 20-летней давности с существующими датчиками — хотя сапфировое волокно кажется очень тонким, по сравнению с длиной волны света оно огромно. Это означает, что свет может проходить по сапфировому волокну разными путями, что приводит к одновременному отражению множества различных длин волн. Исследователи преодолели эту проблему, написав канал по длине волокна, так что свет содержится в крошечном поперечном сечении, в одну сотую миллиметра в диаметре. При таком подходе им удалось создать датчик, который преимущественно отражает свет с одной длиной волны.

Первоначальная демонстрация проводилась на коротком отрезке сапфирового волокна длиной 1 см, но исследователи предсказывают, что возможна длина до нескольких метров с несколькими отдельными датчиками вдоль этой длины. Это позволит, например, измерять температуру во всем реактивном двигателе. Использование этих данных для адаптации условий работы двигателя в полете может значительно сократить выбросы оксидов азота и повысить общую эффективность, уменьшая воздействие на окружающую среду. Стойкость сапфира к радиации также находит применение в космической и термоядерной энергетике.

Член исследовательской группы доктор Мохан Ван, факультет инженерных наук Оксфордского университета, сказал:

«Датчики изготавливаются с использованием мощного лазера с чрезвычайно короткими импульсами, и существенным препятствием было предотвращение растрескивания сапфира во время этого процесса».

Марк Джеффрис, руководитель отдела университетских исследований Rolls-Royce plc, сказал: «Это потрясающие новости и еще одно важное научное достижение, ставшее результатом нашего давнего партнерства с Оксфордским университетом точечное измерение температуры в суровых условиях, улучшение контроля, эффективности и безопасности. Мы рассчитываем на сотрудничество с Оксфордским университетом, чтобы изучить его потенциал».

Роб Скилтон, руководитель отдела исследований RACE Управления по атомной энергии Великобритании, сказал: «Эти сапфировые оптические волокна будут иметь множество различных потенциальных применений в экстремальных условиях термоядерной энергетической установки. Эта технология может значительно расширить возможности будущих датчиков и роботизированных систем обслуживания в этом секторе, помогая UKAEA в ее миссии по обеспечению безопасной, устойчивой и низкоуглеродной термоядерной энергии в энергосистеме».