红外与激光工程
2023, 52(11): 20230229
1 南京邮电大学电子与光学工程、 微电子学院, 江苏 南京 210023
2 中国有色金属工业西安勘察设计研究院有限公司, 陕西 西安 710054
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1 548.5 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1 546.7 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150~1 050 ℃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R2为0.995 38, 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。
光纤布拉格光栅 高温退火 热重生光纤光栅 热稳定性 Fiber Bragg grating High-temperature annealing Regenerated fiber Bragg grating Thermal stability 光谱学与光谱分析
2022, 42(6): 1934
1 南京邮电大学 电子与光学工程、微电子学院, 南京 210046
2 江苏亨通光电股份有限公司, 江苏 苏州 215234
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.
光纤传感 光纤布拉格光栅 退火 热重生光纤光栅 应力 组分 Optical fiber sensing Fiber Bragg grating Annealing Regenerated fiber Bragg grating Stress Components
Author Affiliations
Abstract
1 Photonics Research Centre, University of Malaya, Kuala Lumpur 50603, Malaysia
2 Laser Center, Ibnu Sina Institute for Scientific and Industrial Research, Universiti Teknologi Malaysia, Johor Bahru 81310, Malaysia
The pre-treatment of few-mode fibers (FMFs) has been successfully done with CO2 laser. The wavelength difference, Δ. between the two resonant wavelengths in the few-mode fiber Bragg grating (FMFBG) varies with temperature increment during the annealing process. The results show that the treated fibers with lower stresses have lower thermal sensitivity in Δ. than that of non-treated fiber. However, the treated fibers produce FMFBGs with better thermal durability and regeneration ratio. It is conceived that the presence of those stresses in the pristine fiber is responsible for the high thermal sensitivity in Δ.. The thermal relaxation of stresses and structural rearrangement during the thermal annealing process are responsible for the degradation of the strength and resilience of the regenerated grating.
Regenerated fiber Bragg grating few-mode fiber thermal stress relaxation CO2 laser annealing thermal resilience Photonic Sensors
2019, 9(2): 02162
1 北京信息科技大学光电信息与仪器北京市工程研究中心, 北京 100016
2 现代测控技术教育部重点实验室, 北京 100192
3 北京信息科技大学光电测试技术北京市重点实验室, 北京 100192
针对再生光纤光栅因反射率低而无法直接用于实际工程中温度测量的问题,提出一种采用光纤激光传感器结合再生低反射率光纤光栅的方法,将再生光栅作为光纤激光器谐振腔的低反镜,采用未抽运的掺铒光纤(EDF)作为饱和吸收体,实现了线宽压缩,多纵模抑制。激光器输出激光的阈值电流为68.9 mA。在150 mA的电流下,300~800 ℃温度范围内,激光器输出激光稳定,且输出波长与温度呈良好的线性关系。在升降温测试下,相关系数均为0.99974,平均温度灵敏度为15.41 pm/℃,且在700 ℃下,3 h的稳定测试中,激光波长的最大变化量为0.032 nm,而强度的最大变化量为0.409 dB。实验结果表明,升降温过程中,信噪比均高于50 dB,输出激光具有良好的稳定性,且没有跳模现象发生。
光纤光学 再生光纤光栅 光纤激光传感 光纤饱和吸收体 低反射率 稳定性 激光与光电子学进展
2018, 55(6): 060605
1 北京航天控制仪器研究所, 北京 100854
2 北京光纤传感系统工程技术研究中心, 北京 100094
再生光纤布拉格光栅是通过对普通光纤布拉格光栅进行高温退火处理得到的一种耐高温光纤光栅,因其在高温下具有光栅光谱不衰退的特性,光纤光栅传感应用于高温环境成为可能。由于再生光纤光栅具有制作简单、成本低廉、传感性能良好等优势,国内外学者对再生光纤光栅的性能及其传感应用进行了大量的研究。从再生光纤光栅的形成机理、制作方法、特殊类型光栅再生以及光纤光栅机械强度保护4个方面对现阶段再生光纤光栅的研究进行总结、分析,并根据已经进行的研究内容对其高温传感应用进行了展望。
光纤光学 再生光纤布拉格光栅 退火 高温传感 激光与光电子学进展
2018, 55(2): 020007
