[发明专利]一种耐高温光纤布拉格光栅制作方法

说明书

本发明涉及一种耐高温光纤布拉格光栅制作方法，包括如下步骤：高压条件下对单模光纤进行载氢处理；通过相位掩模法对载氢后的光纤进行曝光刻写，得到光纤光栅；通过热重生装置对所述光纤光栅进行高温热处理；对高温热处理后的光纤光栅进行快速淬火冷却处理，得到耐高温光纤布拉格光栅。本发明的耐高温光纤布拉格光栅制作的传感器可在1100℃以上的环境中工作，并且制作的耐高温光纤布拉格光栅的机械性能较好，极大地降低了高温处理对光纤造成的脆性损伤。

技术领域

本发明属于光纤光栅制作技术领域，具体而言涉及一种耐高温光纤布拉格光栅制作方法。

背景技术

光纤布拉格光栅是一种广泛应用于光纤通信和光纤传感领域的关键器件。然而，光纤布拉格光栅在高温环境下长时间工作其光敏特性会逐渐衰退甚至完全擦除，从而限制了其在高温传感领域的应用。通过高温退火可以使光纤布拉格光栅在高温擦除后重新生长形成的热重生光纤光栅，能够在1100℃以上的高温环境中稳定工作，并且性质稳定。高温传感应用领域广泛，多为在工业工程领域应用。如油气井田的温度传感，冶炼厂的高炉，航天发动机的温度监控等。据统计，传统的电子类传感器会随着温度升高故障率也会增大，长期使用会增加误差，在某些特殊领域甚至会带来生命安全的危险。光纤光栅在传感过程中对波长编码，即当被测量改变时，反射波长也会发生改变。这种编码可以进行远距离的传输，故非常适合用于油气开采井田和输送管线等条件下物理参数的传感。

热重生光纤光栅的形成机理很复杂，再生的光纤光栅是由氧调制的，引起光栅再生的有效物质是富含氧的水分子，光纤刻写过程与高温再生过程会发生以下的化学反应：

Si—O—Si+H₂Si—OH+H—Si

Ge—O—Ge +H₂Ge—OH+H—Ge

2(Si—OH)Si—O—Si+H₂O

2(Ge—OH)Ge—O—Ge +H₂O

光纤中硅氧、锗氧键在紫外光的作用下，与载氢过程中进入纤芯内部的氢气发生化学反应，使硅氧键和锗氧键断裂，生成羟基硅和羟基锗，产生I型光纤光栅。在加热过程中，羟基硅和羟基锗会变弱，重新生成锗氧、硅氧键并生水分子。水分子在光纤中扩散能力弱，故分散在栅区对应部分形成折射率调制，因此产生再生光纤光栅。因为水分子较为稳定，键能更大，因此很难再高温条件下分解，所以再生光栅有着较为良好的高温稳定性。

但是经高温退火处理后，热重生光纤光栅的机械强度较一般光纤布拉格光栅显著下降，脆性增大，极易断裂，使得热重生光纤光栅难以满足工程应用的需求。根据热力学原理，光纤在高温管式炉中高温热处理过程中，炉温从室温一直升温，温度升高对于石英光纤来说这是一个熵增过程。光纤材质是熔融石英，此时是非晶化的；然而接下来由高温冷却至室温，这种降温过程是前面过程的逆过程，是熵减过程，熵减意味着石英的有序化程度增大，或者说缓慢降温给予了石英分子重排的可能，使其有序化程度增大，也即石英光纤出现了一定程度的微晶化，微晶的出现使得光纤的应力分布发生显著变化，微晶界面之间极易断裂，这是导致高温处理后光纤光栅应力强度下降，脆性显著增大的原因。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种耐高温光纤布拉格光栅制作方法，以解决现有技术中存在的重生光纤光栅脆性过大，极易断裂的问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种耐高温光纤布拉格光栅制作方法，包括如下步骤：

高压条件下对单模光纤进行载氢处理；

通过相位掩模法对载氢后的光纤进行曝光刻写，得到光纤光栅；

通过热重生装置对所述光纤光栅进行高温热处理；