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0431-81702023
光学工程
光纤布拉格光栅再生过程及模型研究

摘要 分别采用 800 nm 飞秒激光、244 nm 氩离子激光,基于相位掩模板法在载氢和非载氢光纤上制备了飞秒载氢、非载氢布拉格光栅及紫外载氢光纤布拉格光栅。对制作的 3 种光栅进行高温热处理实验,均观察到光栅再生现象。对比了不同热处理温度下的光栅再生时间,建立了光栅再生过程模型以及处理温度-再生时间模型,并定义了光栅再生处理温度阈值。实验和模型研究表明,刻写的飞秒非载氢光栅、飞秒载氢光栅及紫外载氢光栅的再生处理温度阈值分别为 888 ℃、780 ℃和 770 ℃。载氢再生光栅在高温下有衰退现象,飞秒非载氢再生光栅具有良好的温度稳定性。

关键词 光纤光学; 光纤布拉格光栅; 再生光栅; 再生过程模型

1 引 言

       光纤布拉格光栅(FBGs)具有体积小、抗电磁干扰、适合在极端恶劣环境下传感使用等优点[1-4] 。航空航天、石油电力、发动机等领域对超高温度环境的传感器有着迫切的需求。适合高温环境的传感研究主要有 II型光栅[1,5] 、蓝宝石光栅[6] 、再生光栅等[7] 。再生光栅可通过对 I 型光纤布拉格光栅进行高温热处理获得,所得的再生光栅最高能耐受 1400 ℃的高温[8] ,制作过程简单、成本低,是一种可实用化的技术。

      国内外研究者对再生光栅及其形成机理开展了大量研究[9-16] 。2002 年,Fokine 等[10] 做出了第 1 只再生光栅。2009 年,Canning 等[17] 在高掺锗细芯载氢光纤上制作出了透射深度为 18 dB 的再生强光栅,其选用的处理温度为 950 ℃。同年,Lindner 等[18] 将高掺锗紫外非载氢光纤光栅置于 700 ℃恒温下热处理 150 min,获得了 74%反射率的紫外非载氢再生光栅。2010 年,Bandyopadhyay 等[13] 在载氢标准通信光纤上制作出了反射率约为 35%的紫外载氢再生光栅,热处理温度为 935 ℃。2012 年,Cook 等[19] 对飞秒载氢光纤光栅进行 1000 ℃ 高温退火,得到了反射率为 8%的飞秒载氢再生光栅。不同研究者对光栅的热处理温度不同,温度在 500 ℃ ~1000 ℃之间,热处理时间也有所不同[20] 。再生光栅的反射率与 I 型布拉格光栅的反射率、光纤的数值孔径、载氢增敏情况以及热处理过程有关,I 型布拉格光栅的反射率越大,再生所得光栅越强[15] 。再生现象可以发生在载氢或非载氢的光纤上,载氢可以显著提高光栅再生效率[21] 。

      本文在 Corning SMF-28 光纤上制备了 I 型飞秒载氢光栅(fs-H2 FBG)、飞秒非载氢光栅(fs FBG)及紫外载氢光栅(UV-H2 FBG)。对 3 种光栅进行高温热处理实验,对比研究了光栅的再生时间与处理温度之间的关系,建立了不同光栅的再生过程模型,确定了光栅再生处理温度阈值,并分析了不同类型的再生光栅的热稳定性,为高温光纤光栅的实用化提供了理论和应用依据。

 2 I型光纤布拉格光栅的制备过程

     图 1 为基于相位掩模板法的光纤光栅制备系统装置图,激光经过半波片及起偏器调节功率后经过柱透镜到达相位掩模板,产生+1 和-1 级的衍射光,两束衍射光在重叠区域发生干涉,作用于光纤纤芯,形成光纤布拉格光栅。所用的红外飞秒激光器的激光波长为 800 nm,脉宽为 100 fs,重复率为 1 kHz;紫外(UV)氩离子激光器的工作波长为 244 nm。光栅光纤为 Corning SMF-28 型,部分光纤被载氢处理,即将光纤放入 10 MPa、 80 ℃的氢气反应釜中保存 7 天,使氢气渗入光纤中,起到增加光敏性的作用。用飞秒激光制备 I 型光栅时所用的激光功率密度为 1.5×1012 W/cm2 ,小于光纤损伤阈值,紫外载氢光栅采用通用参数刻写。图 2 为刻写的 3 种光栅样品的典型透射和反射光谱,用飞秒激光刻写的光栅反射率高,谱宽较宽;紫外载氢光栅技术指标与大部分商用光栅指标一致。

 

3 光纤布拉格光栅高温再生特性实验研究

      为了研究光纤布拉格光栅的再生特性,对刻写的 3 种光栅进行了高温处理实验。实验装置如图 3 所示,由卧式高温炉、光栅解调仪组成。卧式管式高温炉的最高工作温度为 1200 ℃,高温炉中间嵌入一个 K 型热电偶来监测炉内实际温度。光栅水平松弛地放入管式高温炉中,光栅区域置于中间恒温段。采用 Micron Optics sm125 光栅解调仪来实时测量光纤光栅的反射、透射光谱及中心波长数据,波长测试范围为 1510~ 1590 nm,精度为 1 pm。光纤光栅的反射率采用透射谱法进行计算[22] 。实验时,对每一种光栅,选取 4 根样品分别在 4 个处理温度点进行实验,实验温度范围为 700 ℃ ~1000 ℃。光纤光栅样品的基本参数如表 1 所示。

 

3.1 飞秒载氢光栅再生特性研究

      分别将 4 根飞秒载氢光栅置于管式高温炉中,分别在 700 ℃、800 ℃、850 ℃和 950℃进行高温处理实验。每次实验时,炉温直接升到设定温度,然后保持温度恒定,在升温和恒温过程中,连续测量光栅光谱。实验结果如图 4 所示,图中第 1 条竖直的虚线为恒温起始的时刻,第 2 条竖直的虚线为光栅再生转换的时刻 t0,第 3 条代表再生光栅反射峰值功率达到饱和或最大值的时刻 t1。如图 4(a)所示,光栅在 700℃恒温保持 2520.0 min,反射峰值功率一直缓慢减小,但无再生现象产生。可能是 700 ℃并未到达红外飞秒载氢光栅的再生处理温度阈值。如图 4(b)所示,飞秒载氢光栅在 800 ℃恒温 300.0 min 时被擦除,随后出现再生现象,光栅逐渐生长并趋于饱和,在 1440.0 min 后达到光栅反射峰值的饱和值并趋于稳定。图 4(c)为飞秒载氢光栅在 850 ℃热处理的结果,光栅在 23.4 min 时被完全擦除,167.8 min 时再生光栅反射峰值功率达到最大值,反射率为 3.5%,然后缓慢衰退。飞秒载氢光栅在 950 ℃恒温下,完成光栅再生的时间更短,如图 4(d)所示,在 3.4 min 时光栅被擦除,26.5 min 时完成光栅再生,随之光栅缓慢衰退。可见,当温度不小于 800 ℃时,飞秒载氢光栅能够发生再生现象,温度越高,光栅产生再生现象所需的时间越短。飞秒载氢再生光栅的热稳定性一般,光栅再生后有衰退现象,图 4(c)和(d)所示情况,反射率分别减少了 0.7%和 0.9%,波长变化量分别为 0.08 nm 和 0.09 nm。

     

3.2 飞秒非载氢光栅再生特性研究

      取 4 根飞秒非载氢光栅分别在 800 ℃、900 ℃、950 ℃及 1000 ℃高温环境下进行热处理实验,实验结果如图 5 所示。

       如图 5(a)所示,800 ℃,1320.0 min 的恒温处理过程中,飞秒非载氢光栅的反射峰值功率一直减小并趋于稳定,表明 800 ℃未达到飞秒非载氢光栅的再生处理温度阈值。如图 5(b)所示,飞秒非载氢光栅在 900 ℃恒温 384.0 min 后光栅被擦除,即达到光栅再生转换点,随之出现再生现象。当热处理温度为 950 ℃时,如图 5 (c)所示,光栅完成再生需 94.8 min,光栅再生后,其反射峰值功率和反射波长基本不变。如图 5(d)所示,热处理温度为 1000 ℃时,光栅完成再生只需 45.8 min。飞秒非载氢光栅再生后基本无衰退现象,热稳定性好。将在 900 ℃热处理温度下制成的飞秒非载氢再生光栅自然冷却至室温后,再次加热至 1000 ℃保持 10 min。如图 6 所示,飞秒非载氢再生光栅再生后、冷却至室温以及再次加热至 1000 ℃下的反射光谱基本没有变化,具有良好的温度特性。

  

3.3 紫外载氢光栅再生特性研究

      取 4 根紫外载氢光栅分别在 800 ℃、850 ℃、900 ℃及 1000 ℃高温环境下进行热处理实验,实验结果如图 7 所示。如图 7(a)所示,光栅在 800 ℃,324.0 min 时到达光栅再生转换点,随之发生光栅再生现象,在 1398.0 min 时达到再生光栅反射峰值功率的饱和点。如图 7(b)所示,光栅在 850 ℃ ,87.0 min 时淹没于光栅反射背景噪声中,在 373.0 min 时完成光栅再生。如图 7(c)所示,光栅在 900 ℃ ,22 min 时被完全擦除,110.4 min 时再生光栅反射峰值功率达到最大值,随后,紫外载氢再生光栅逐渐衰减。如图 7(d)所示,光栅在 1000 ℃ ,0.2 min 时被擦除,随之发生光栅再生现象,2.9 min 时光栅再生完毕。紫外载氢再生光栅在 1000 ℃ 环境下缓慢衰减。4 种处理温度下,紫外载氢光栅均能发生再生现象,且热处理温度越高,光栅完成再生的时间越短。紫外载氢光栅再生后有衰退现象,图 7(c)和(d)所示情况,反射率分别减小了 4.8%和 12.7%,波长变化量分别为 0.05nm 和 0.10 nm。

4 光纤布拉格光栅再生模型研究

4.1 光纤布拉格光栅再生过程模型研究

      光栅高温衰退是折射率调制深度Δn 衰退的表现,Δn 符合幂定律单指数衰减模型[22-23] :

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

式中Δn0为初始折射率调制深度,τ0 为衰减系数,a0为模型参数。光栅到达再生转换点 t0时刻后迅速再生,在 t1时光栅完成再生。光栅再生前后的反射峰值功率-时间曲线类型趋势相似,因此,可以认为再生过程光栅的Δn 也符合指数模型,得到

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

式中Δn1为光栅完成再生后的折射率调制深度,τ1 为再生系数,a1为模型参数。光栅反射率 R 的理论公式为[24] :

可计算得到光栅反射峰值功率 PR,单位为 dBm:

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

式中 P0为光栅的输入功率,单位为 mW。联立(1)~(4)式,可得到高温恒温过程中光栅再生过程的反射峰值功率 PR(t)随时间变化的模型:

 

式中 L 为光栅栅区长度,λ B 为光栅中心波长。基于 Matlab 平台编写程序分别对 3 种光栅的再生过程数据进行拟合,可获得再生过程模型的参数,如表 2 所列,曲线拟合结果如图 8 所示。图中实线为光栅反射峰值功率随时间变化的实测曲线,虚线为根据再生过程模型拟合的曲线。拟合结果表明,(5)式模型能很好地描述不同类型光栅的再生过程。

4.2 光纤布拉格光栅再生时间与处理温度关系模型研究

      为了进行光栅再生模型建立分析研究,对 3 种类型光栅的实验结果进行统计,如表 3 所列,表中包含不同类型光栅的处理温度、再生时间。表中数据表明,光栅的热处理温度越高,光栅再生所需要的时间越短。

 

      设温度 Tp(单位: ℃)为光栅处理温度,光栅再生转换时间以及光栅完成再生的时间 ti(i=0,1;分别表示光栅再生转换时间以及光栅完成再生的时间,单位:min),ti与 Tp之间的关系可以用指数衰减模型来表示,同时也符合光栅寿命规律,处理温度-光栅再生时间模型表达式为:

      显然 Tp越小,ti越大,再生所需的时间呈指数增大;B 为再生系数,代表了光栅再生的快慢程度;A、C 为模型系数。

      以(6)式为目标函数对 3 种光栅的再生过程进行拟合,拟合结果如表 4 所列。图 9 描述了 Tp与 t0的关系。为定量描述再生特性和工程应用需要,定义了 Tp-t0曲线上,t0=12 h 时所需的 Tp为光栅再生处理阈值温度 Tc。从图 9 模型曲线可以判断,飞秒非载氢光栅的再生温度阈值大于红外飞秒载氢光栅的,飞秒载氢光栅的再生温度阈值大于紫外载氢光栅的。从图 9 中可以得到,飞秒非载氢光栅、飞秒载氢光栅及紫外载氢光栅的再生阈值温度 Tc分别为 888 ℃、780 ℃和 770 ℃。在实际制备再生光栅时,可根据光栅的处理温度-再生时间模型公式计算热处理温度及其对应的热处理时间。

  

      为了进一步验证光栅再生模型的可重复性,分别在 900 ℃、950 ℃和 1000 ℃各取 2 个飞秒非载氢光栅样品进行热处理实验,光栅基本参数如表 5 所列,实验过程与 3.2 节相同。实验结果如表 5 所列,飞秒非载氢光栅的再生温度及光栅再生转换时间与表 4 及图 9 所列模型吻合,光栅擦除时间误差在 5 min 以内,光栅再生模型适应性很好。

5 结 论

      对飞秒载氢光栅、飞秒非载氢光栅及紫外载氢光栅进了不同处理温度下的光栅再生实验。根据光栅高温衰退及再生生长现象建立了光栅再生过程的模型,该模型与 3 种光栅的光栅再生过程的反射峰值功率-时间曲线吻合。统计了不同类型光栅的再生温度、再生时间参数,并建立了 3 种类型光栅的处理温度-再生时间模型,验证了模型的适应性,为实际制备再生光栅提供理论依据。给出了再生处理温度阈值定义,飞秒非载氢光栅、飞秒载氢光栅及紫外载氢光栅的再生温度阈值分别是 888 ℃、780 ℃和 770 ℃。研究结果表明:载氢能加速光栅再生过程,再生温度阈值低。但载氢再生光栅的热稳定较差,而飞秒非载氢再生光栅的热稳定性好。

 


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