產品 求購 供應 文章 問題

0431-81702023
光學工程
光纖布拉格光柵再生過程及模型研究

摘要 分別采用 800 nm 飛秒激光、244 nm 氬離子激光,基于相位掩模板法在載氫和非載氫光纖上制備了飛秒載氫、非載氫布拉格光柵及紫外載氫光纖布拉格光柵。對制作的 3 種光柵進行高溫熱處理實驗,均觀察到光柵再生現象。對比了不同熱處理溫度下的光柵再生時間,建立了光柵再生過程模型以及處理溫度-再生時間模型,并定義了光柵再生處理溫度閾值。實驗和模型研究表明,刻寫的飛秒非載氫光柵、飛秒載氫光柵及紫外載氫光柵的再生處理溫度閾值分別為 888 ℃、780 ℃和 770 ℃。載氫再生光柵在高溫下有衰退現象,飛秒非載氫再生光柵具有良好的溫度穩定性。

關鍵詞 光纖光學; 光纖布拉格光柵; 再生光柵; 再生過程模型

1 引 言

       光纖布拉格光柵(FBGs)具有體積小、抗電磁干擾、適合在極端惡劣環境下傳感使用等優點[1-4] 。航空航天、石油電力、發動機等領域對超高溫度環境的傳感器有著迫切的需求。適合高溫環境的傳感研究主要有 II型光柵[1,5] 、藍寶石光柵[6] 、再生光柵等[7] 。再生光柵可通過對 I 型光纖布拉格光柵進行高溫熱處理獲得,所得的再生光柵最高能耐受 1400 ℃的高溫[8] ,制作過程簡單、成本低,是一種可實用化的技術。

      國內外研究者對再生光柵及其形成機理開展了大量研究[9-16] 。2002 年,Fokine 等[10] 做出了第 1 只再生光柵。2009 年,Canning 等[17] 在高摻鍺細芯載氫光纖上制作出了透射深度為 18 dB 的再生強光柵,其選用的處理溫度為 950 ℃。同年,Lindner 等[18] 將高摻鍺紫外非載氫光纖光柵置于 700 ℃恒溫下熱處理 150 min,獲得了 74%反射率的紫外非載氫再生光柵。2010 年,Bandyopadhyay 等[13] 在載氫標準通信光纖上制作出了反射率約為 35%的紫外載氫再生光柵,熱處理溫度為 935 ℃。2012 年,Cook 等[19] 對飛秒載氫光纖光柵進行 1000 ℃ 高溫退火,得到了反射率為 8%的飛秒載氫再生光柵。不同研究者對光柵的熱處理溫度不同,溫度在 500 ℃ ~1000 ℃之間,熱處理時間也有所不同[20] 。再生光柵的反射率與 I 型布拉格光柵的反射率、光纖的數值孔徑、載氫增敏情況以及熱處理過程有關,I 型布拉格光柵的反射率越大,再生所得光柵越強[15] 。再生現象可以發生在載氫或非載氫的光纖上,載氫可以顯著提高光柵再生效率[21] 。

      本文在 Corning SMF-28 光纖上制備了 I 型飛秒載氫光柵(fs-H2 FBG)、飛秒非載氫光柵(fs FBG)及紫外載氫光柵(UV-H2 FBG)。對 3 種光柵進行高溫熱處理實驗,對比研究了光柵的再生時間與處理溫度之間的關系,建立了不同光柵的再生過程模型,確定了光柵再生處理溫度閾值,并分析了不同類型的再生光柵的熱穩定性,為高溫光纖光柵的實用化提供了理論和應用依據。

 2 I型光纖布拉格光柵的制備過程

     圖 1 為基于相位掩模板法的光纖光柵制備系統裝置圖,激光經過半波片及起偏器調節功率后經過柱透鏡到達相位掩模板,產生+1 和-1 級的衍射光,兩束衍射光在重疊區域發生干涉,作用于光纖纖芯,形成光纖布拉格光柵。所用的紅外飛秒激光器的激光波長為 800 nm,脈寬為 100 fs,重復率為 1 kHz;紫外(UV)氬離子激光器的工作波長為 244 nm。光柵光纖為 Corning SMF-28 型,部分光纖被載氫處理,即將光纖放入 10 MPa、 80 ℃的氫氣反應釜中保存 7 天,使氫氣滲入光纖中,起到增加光敏性的作用。用飛秒激光制備 I 型光柵時所用的激光功率密度為 1.5×1012 W/cm2 ,小于光纖損傷閾值,紫外載氫光柵采用通用參數刻寫。圖 2 為刻寫的 3 種光柵樣品的典型透射和反射光譜,用飛秒激光刻寫的光柵反射率高,譜寬較寬;紫外載氫光柵技術指標與大部分商用光柵指標一致。

 

3 光纖布拉格光柵高溫再生特性實驗研究

      為了研究光纖布拉格光柵的再生特性,對刻寫的 3 種光柵進行了高溫處理實驗。實驗裝置如圖 3 所示,由臥式高溫爐、光柵解調儀組成。臥式管式高溫爐的最高工作溫度為 1200 ℃,高溫爐中間嵌入一個 K 型熱電偶來監測爐內實際溫度。光柵水平松弛地放入管式高溫爐中,光柵區域置于中間恒溫段。采用 Micron Optics sm125 光柵解調儀來實時測量光纖光柵的反射、透射光譜及中心波長數據,波長測試范圍為 1510~ 1590 nm,精度為 1 pm。光纖光柵的反射率采用透射譜法進行計算[22] 。實驗時,對每一種光柵,選取 4 根樣品分別在 4 個處理溫度點進行實驗,實驗溫度范圍為 700 ℃ ~1000 ℃。光纖光柵樣品的基本參數如表 1 所示。

 

3.1 飛秒載氫光柵再生特性研究

      分別將 4 根飛秒載氫光柵置于管式高溫爐中,分別在 700 ℃、800 ℃、850 ℃和 950℃進行高溫處理實驗。每次實驗時,爐溫直接升到設定溫度,然后保持溫度恒定,在升溫和恒溫過程中,連續測量光柵光譜。實驗結果如圖 4 所示,圖中第 1 條豎直的虛線為恒溫起始的時刻,第 2 條豎直的虛線為光柵再生轉換的時刻 t0,第 3 條代表再生光柵反射峰值功率達到飽和或最大值的時刻 t1。如圖 4(a)所示,光柵在 700℃恒溫保持 2520.0 min,反射峰值功率一直緩慢減小,但無再生現象產生。可能是 700 ℃并未到達紅外飛秒載氫光柵的再生處理溫度閾值。如圖 4(b)所示,飛秒載氫光柵在 800 ℃恒溫 300.0 min 時被擦除,隨后出現再生現象,光柵逐漸生長并趨于飽和,在 1440.0 min 后達到光柵反射峰值的飽和值并趨于穩定。圖 4(c)為飛秒載氫光柵在 850 ℃熱處理的結果,光柵在 23.4 min 時被完全擦除,167.8 min 時再生光柵反射峰值功率達到最大值,反射率為 3.5%,然后緩慢衰退。飛秒載氫光柵在 950 ℃恒溫下,完成光柵再生的時間更短,如圖 4(d)所示,在 3.4 min 時光柵被擦除,26.5 min 時完成光柵再生,隨之光柵緩慢衰退。可見,當溫度不小于 800 ℃時,飛秒載氫光柵能夠發生再生現象,溫度越高,光柵產生再生現象所需的時間越短。飛秒載氫再生光柵的熱穩定性一般,光柵再生后有衰退現象,圖 4(c)和(d)所示情況,反射率分別減少了 0.7%和 0.9%,波長變化量分別為 0.08 nm 和 0.09 nm。

     

3.2 飛秒非載氫光柵再生特性研究

      取 4 根飛秒非載氫光柵分別在 800 ℃、900 ℃、950 ℃及 1000 ℃高溫環境下進行熱處理實驗,實驗結果如圖 5 所示。

       如圖 5(a)所示,800 ℃,1320.0 min 的恒溫處理過程中,飛秒非載氫光柵的反射峰值功率一直減小并趨于穩定,表明 800 ℃未達到飛秒非載氫光柵的再生處理溫度閾值。如圖 5(b)所示,飛秒非載氫光柵在 900 ℃恒溫 384.0 min 后光柵被擦除,即達到光柵再生轉換點,隨之出現再生現象。當熱處理溫度為 950 ℃時,如圖 5 (c)所示,光柵完成再生需 94.8 min,光柵再生后,其反射峰值功率和反射波長基本不變。如圖 5(d)所示,熱處理溫度為 1000 ℃時,光柵完成再生只需 45.8 min。飛秒非載氫光柵再生后基本無衰退現象,熱穩定性好。將在 900 ℃熱處理溫度下制成的飛秒非載氫再生光柵自然冷卻至室溫后,再次加熱至 1000 ℃保持 10 min。如圖 6 所示,飛秒非載氫再生光柵再生后、冷卻至室溫以及再次加熱至 1000 ℃下的反射光譜基本沒有變化,具有良好的溫度特性。

  

3.3 紫外載氫光柵再生特性研究

      取 4 根紫外載氫光柵分別在 800 ℃、850 ℃、900 ℃及 1000 ℃高溫環境下進行熱處理實驗,實驗結果如圖 7 所示。如圖 7(a)所示,光柵在 800 ℃,324.0 min 時到達光柵再生轉換點,隨之發生光柵再生現象,在 1398.0 min 時達到再生光柵反射峰值功率的飽和點。如圖 7(b)所示,光柵在 850 ℃ ,87.0 min 時淹沒于光柵反射背景噪聲中,在 373.0 min 時完成光柵再生。如圖 7(c)所示,光柵在 900 ℃ ,22 min 時被完全擦除,110.4 min 時再生光柵反射峰值功率達到最大值,隨后,紫外載氫再生光柵逐漸衰減。如圖 7(d)所示,光柵在 1000 ℃ ,0.2 min 時被擦除,隨之發生光柵再生現象,2.9 min 時光柵再生完畢。紫外載氫再生光柵在 1000 ℃ 環境下緩慢衰減。4 種處理溫度下,紫外載氫光柵均能發生再生現象,且熱處理溫度越高,光柵完成再生的時間越短。紫外載氫光柵再生后有衰退現象,圖 7(c)和(d)所示情況,反射率分別減小了 4.8%和 12.7%,波長變化量分別為 0.05nm 和 0.10 nm。

4 光纖布拉格光柵再生模型研究

4.1 光纖布拉格光柵再生過程模型研究

      光柵高溫衰退是折射率調制深度Δn 衰退的表現,Δn 符合冪定律單指數衰減模型[22-23] :

Δn(t) = Δn0 ?[exp(t/τ0 + a0 )],0 ≤ t < t0 , (1)

式中Δn0為初始折射率調制深度,τ0 為衰減系數,a0為模型參數。光柵到達再生轉換點 t0時刻后迅速再生,在 t1時光柵完成再生。光柵再生前后的反射峰值功率-時間曲線類型趨勢相似,因此,可以認為再生過程光柵的Δn 也符合指數模型,得到

Δn(t) = Δn1 ?{1 - exp[-(t - t0 )/τ1] + a1},t0 ≤ t < t1 , (2)

式中Δn1為光柵完成再生后的折射率調制深度,τ1 為再生系數,a1為模型參數。光柵反射率 R 的理論公式為[24] :

可計算得到光柵反射峰值功率 PR,單位為 dBm:

P R = 10 log(RP0 ) , (4)

式中 P0為光柵的輸入功率,單位為 mW。聯立(1)~(4)式,可得到高溫恒溫過程中光柵再生過程的反射峰值功率 PR(t)隨時間變化的模型:

 

式中 L 為光柵柵區長度,λ B 為光柵中心波長。基于 Matlab 平臺編寫程序分別對 3 種光柵的再生過程數據進行擬合,可獲得再生過程模型的參數,如表 2 所列,曲線擬合結果如圖 8 所示。圖中實線為光柵反射峰值功率隨時間變化的實測曲線,虛線為根據再生過程模型擬合的曲線。擬合結果表明,(5)式模型能很好地描述不同類型光柵的再生過程。

4.2 光纖布拉格光柵再生時間與處理溫度關系模型研究

      為了進行光柵再生模型建立分析研究,對 3 種類型光柵的實驗結果進行統計,如表 3 所列,表中包含不同類型光柵的處理溫度、再生時間。表中數據表明,光柵的熱處理溫度越高,光柵再生所需要的時間越短。

 

      設溫度 Tp(單位: ℃)為光柵處理溫度,光柵再生轉換時間以及光柵完成再生的時間 ti(i=0,1;分別表示光柵再生轉換時間以及光柵完成再生的時間,單位:min),ti與 Tp之間的關系可以用指數衰減模型來表示,同時也符合光柵壽命規律,處理溫度-光柵再生時間模型表達式為:

      顯然 Tp越小,ti越大,再生所需的時間呈指數增大;B 為再生系數,代表了光柵再生的快慢程度;A、C 為模型系數。

      以(6)式為目標函數對 3 種光柵的再生過程進行擬合,擬合結果如表 4 所列。圖 9 描述了 Tp與 t0的關系。為定量描述再生特性和工程應用需要,定義了 Tp-t0曲線上,t0=12 h 時所需的 Tp為光柵再生處理閾值溫度 Tc。從圖 9 模型曲線可以判斷,飛秒非載氫光柵的再生溫度閾值大于紅外飛秒載氫光柵的,飛秒載氫光柵的再生溫度閾值大于紫外載氫光柵的。從圖 9 中可以得到,飛秒非載氫光柵、飛秒載氫光柵及紫外載氫光柵的再生閾值溫度 Tc分別為 888 ℃、780 ℃和 770 ℃。在實際制備再生光柵時,可根據光柵的處理溫度-再生時間模型公式計算熱處理溫度及其對應的熱處理時間。

  

      為了進一步驗證光柵再生模型的可重復性,分別在 900 ℃、950 ℃和 1000 ℃各取 2 個飛秒非載氫光柵樣品進行熱處理實驗,光柵基本參數如表 5 所列,實驗過程與 3.2 節相同。實驗結果如表 5 所列,飛秒非載氫光柵的再生溫度及光柵再生轉換時間與表 4 及圖 9 所列模型吻合,光柵擦除時間誤差在 5 min 以內,光柵再生模型適應性很好。

5 結 論

      對飛秒載氫光柵、飛秒非載氫光柵及紫外載氫光柵進了不同處理溫度下的光柵再生實驗。根據光柵高溫衰退及再生生長現象建立了光柵再生過程的模型,該模型與 3 種光柵的光柵再生過程的反射峰值功率-時間曲線吻合。統計了不同類型光柵的再生溫度、再生時間參數,并建立了 3 種類型光柵的處理溫度-再生時間模型,驗證了模型的適應性,為實際制備再生光柵提供理論依據。給出了再生處理溫度閾值定義,飛秒非載氫光柵、飛秒載氫光柵及紫外載氫光柵的再生溫度閾值分別是 888 ℃、780 ℃和 770 ℃。研究結果表明:載氫能加速光柵再生過程,再生溫度閾值低。但載氫再生光柵的熱穩定較差,而飛秒非載氫再生光柵的熱穩定性好。

 


版權信息:長春市金龍光電科技有限責任公司 | 聯系電話:0431-81702023 | 網站備案號:吉ICP備07002350號-1 | EMAIL:[email protected]
35选7中奖号码