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随着科技和工业的不断发展,人们在追求更快、更高、更强的目标同时,也面临着更加严苛的应用环境。在金属冶炼、能源勘探、航空航天等领域存在着高温高压、强辐射、强化学腐蚀、强电磁干扰等诸多类型的苛刻环境。如何在这种极端环境下实现参数的准确监测和设备的健康评估是各相关领域亟待解决的重要问题,同时也推动了传感技术的不断发展。在应对上述苛刻环境的传感监测中,光纤传感器以其耐高温、抗电磁干扰、易复用组网等优点,具有电子传感器无法比拟的优势。以石英光纤为代表的光纤传感器在过去的几十年里发挥了重要作用,超快激光加工技术为高温光纤光栅的制备与应用提供了先决条件。但受限于掺杂石英光纤高温下元素扩散以及低的软化点,很难将其长期应用于1000℃以上的高温环境。单晶蓝宝石光纤以其高熔点（2053℃）、优异的光学特性和稳定的理化性能等优势,在超高温光纤传感中得到了重要应用。但由于蓝宝石光纤无包层、折射率高并且模场直径大,使其高度多模且表面易受污染,这对基于蓝宝石光纤的光栅制备和进一步应用提出了更高要求。基于上述石英光纤和蓝宝石光纤发展中存在的一些问题和挑战,本论文针对高温苛刻环境的应用需求,以飞秒激光加工为主要技术方法,目的是提高光纤传感器在极端苛刻环境下的稳定性和耐受能力。主要研究内容和成果如下:（1）通过光纤光栅耦合模理论,对均匀Bragg光栅的理论模型进行了推导,从而确定了影响光谱质量的特征参数。利用MATLAB软件对均匀Bragg光栅光谱进行了仿真分析,探究了不同参数对光谱反射率和波长的影响。分析了飞秒激光与透明材料的非线性作用机理,从物理过程和时间尺度上讨论了等离子体的产生和弛豫机制。分析了掺锗石英光纤带隙能与激光光子能量关系,并对高斯光束聚焦特性和加工精度的影响因素及优化方法进行了分析。（2）通过飞秒激光逐线扫描的方法在直径60μm的蓝宝石光纤中制备出了反射率为15%,半高全宽为5.72 nm,信噪比为10 d B的Bragg光栅。另外,通过飞秒激光螺旋扫描的方法,在蓝宝石光纤中制备出了具有结构高度对称性的螺旋形Bragg光栅,是一种真三维体光栅,并继续制备了3个不同波长级联的光栅阵列。当螺旋直径为30μm时,获得的光谱反射率为40%,半高全宽为1.56 nm,信噪比为16 d B。经弯曲测试表明:该螺旋形Bragg光栅具有很好的抗弯曲性能,最小弯曲半径为5 mm时,仍能保持比较好的光谱质量。分别测试分析了逐线扫描法和螺旋扫描法制备的蓝宝石光纤Bragg光栅的高温和应变响应特性,温度测试最高到1600℃,应力测试最大到1.5 N。结果表明:所制备的光栅具有很好的高温稳定性和灵敏度,高温区温度灵敏度为35 pm/℃,应变灵敏度为1.45 pm/με（@1600℃）。总结分析了晶体光纤的制备方法和蓝宝石光纤的理化性质及传输损耗成因。通过优化熔接参数,实现了蓝宝石光纤与石英光纤的稳定耦合,并对比了蓝宝石光纤端面不同处理方法。利用飞秒激光振镜扫描系统实现了对蓝宝石光纤0°、8°和45°不同角度的切割。（3）通过飞秒激光逐点法在直径为60μm,长度为8.5 mm的蓝宝石光纤中并行制备了反射率为15%的Bragg光栅。结合石英光纤兼容性好、损耗低和蓝宝石光纤熔点高、热光系数大的优点,共同集成制备了蓝宝石光纤探头传感器,高温区温度灵敏度可达30.19 pm/℃,高于石英光纤光栅温度灵敏度2倍以上。利用光束质量分析仪对不同长度蓝宝石光纤端面模场进行了测试和分析,结果表明:随着蓝宝石光纤长度的增加,高阶模式更容易被激发。同时通过在蓝宝石光纤端部制备减反射球透镜结构,有效提高信噪比到22 d B。测试分析了该探头传感器在1200℃和1300℃的高温稳定性,结果表明:该传感器可在1200℃下长时间（大于24小时）稳定工作,可在1300℃下短时间工作。（4）提出了一种能量切趾的方法来高效制备切趾光栅,该方法是采用半波片和偏振分光棱镜组合的方法通过步进电机和上位机软件实现激光能量的实时调控。通过该方法在标准单模光纤和细芯光纤中制备出了反射率为75%,边模抑制比分别为25 d B和32 d B的光栅。经高温（800℃）测试表明:该能量切趾型光栅具有很好的高温稳定性,为TypeⅡ型光栅。（5）通过熔芯法分别制备出了蓝宝石晶体衍生光纤和YAG晶体衍生光纤,并对其端面组分和折射率分布进行了表征,结果表明:这两种晶体衍生光纤均是纤芯折射率呈渐变分布的少模光纤。利用飞秒激光逐点法分别在这两种晶体衍生光纤中制备出了均匀和切趾Bragg光栅,并测试分析了其高温和应变响应特性,测试温度最高到1000℃,温度灵敏度分别为15.64 pm/℃和13.74 pm/℃,应变灵敏度分别为1.33 pm/με和1.25 pm/με。本论文面向高温苛刻环境,以制备耐高温光纤光栅为目标,从光纤光栅结构制备、技术优化、传感器封装、特种光纤拉制以及传感特性分析等方面开展了研究。结合飞秒激光加工技术实现了耐高温光纤光栅的制备,所制备的光纤器件和采用的技术不仅可在高温苛刻环境传感检测中应用,还可用于高功率光纤激光器中,这进一步扩展了其应用价值和范围。