高温热重生光纤布拉格光栅制备及其性能研究

通过高温(850~950℃)退火方法使光纤布拉格光栅在高温擦除后重新生长形成热重生光纤光栅,其能够在大于1 000℃以上的高温环境中稳定工作,但经高温退火处理后的热重生光纤光栅机械强度较一般光纤布拉格光栅显著下降.本文通过采用单模石英光纤进行实验,对光纤光栅的轴向应力和光纤光栅中石英分子组分的变化进行研究分析.结果表明,经过高温热退火后的热重生光纤光栅与未退火的光纤布拉格光栅相比,纤芯处压应力减少了80 MPa,远离纤芯的包层处拉伸应力由22 MPa逐渐减小;同时,随着热退火气氛中氧含量的增加,退火后生成的热重生光纤光栅SiO2逐渐增加,占比从52.99%上升至69.92%.虽然SiO2具有较高的密度,其机械强度大于Si2O3,但热退火后的热重生光纤光栅脆性仍增大,故推论:组分变化对热重生光纤光栅脆性增大无明显影响,脆性增大主要原因为高温导致的应力松弛.本文研究为提高热重生光纤光栅的机械性能,解决其脆性问题提供了可靠的理论与实验依据.

高温退火程式对光纤布拉格光栅热重生性能影响研究

光纤布拉格光栅(FBG)是一种广泛应用于光纤通信和传感领域的关键器件,具有灵敏度高、体积小及抗电磁干扰等诸多优点,但长时间工作在高温环境下其光栅特性会逐渐衰退甚至完全擦除,极大地限制了FBG在工业生产、石油电力、航空航天等一些特殊领域的应用。通过高温退火处理有望使FBG在高温擦除后重新生长出能在高温环境下稳定工作的热重生FBG(RFBG)。因此,研究高温退火程式对RFBG性能的影响具有重要意义。基于248 nm准分子激光器,以相位掩模法制作得到反射光谱中心波长为1548.5 nm、反射率为97.8%、3 dB带宽为0.36 nm的初始FBG,再利用高温管式炉对初始FBG进行高温退火处理,发现FBG在950℃时实现热重生,得到反射光谱中心波长为1546.7 nm、反射率为50.6%、3 dB带宽为0.19 nm的RFBG;进一步研究发现,在950℃实现高温热重生后退火程式对RFBG性能有很大影响,对RFBG采用急速冷却、缓慢冷却和自然冷却以及氩气气氛下自然冷却4种方式进行退火处理并与初始光栅进行对比,结果发现采用急速冷却方式处理的RFBG机械性能最佳,其保留了初始光栅约50%的机械强度,优于缓慢冷却、自然冷却处理仅分别保留初始光栅22.2%和29.9%机械强度的RFBG,并发现在氩气中进行退火处理有利于RFBG机械强度的提升,同样是自然冷却,在氩气气氛中退火得到的RFBG保留了初始光栅43%的机械强度。进一步对采用急速冷却方式处理的RFBG进行热循环、热稳定性等测试。结果表明,RFBG在150~1050℃内三次加热循环结果完全重叠,温度灵敏度为16.30 pm·℃^(-1),温度灵敏度相关系数R^(2)为0.99538,且在800℃温度下进行热稳定性测试7 h,波长总漂移量仅为0.08 nm,表明所制备的RFBG具备良好的测温性能和稳定性。该研究工作为RFBG高温传感器的实用化和工程化应用提供了一定的理论与实验依据。