隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展光纖在通信及傳感領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛已經(jīng)滲透到一些特殊的環(huán)境中。例如油井下的高溫高壓、高腐蝕性環(huán)境,核電站、宇宙空間等射線環(huán)境中,這些環(huán)境中,傳統(tǒng)的光纖會(huì)在外界環(huán)境影響下,造成光纖的永久性損傷,傳輸損耗增加,限制了光纖的使用。
光纖在上述環(huán)境中使用,造成光纖損傷的原因主要包括氫元素對光纖纖芯的損傷,以及射線對光纖結(jié)構(gòu)的破壞帶來的損傷。為了避免上述情況的發(fā)生,需要對光纖的結(jié)構(gòu)及成分進(jìn)行特別處理。研究表明,氫元素通過與光纖纖芯中的離子發(fā)生反應(yīng),破壞纖芯的結(jié)構(gòu),導(dǎo)致傳輸損耗增加;而射線則是通過傳遞能量,使纖芯中原子的外層電子發(fā)生躍遷,引起光纖性能惡化。為了避免以上情況的出現(xiàn),降低其帶來的損害,需要采用特殊結(jié)構(gòu)或材料的光纖。研究證明,采用包層摻氟,纖芯為純二氧化硅的光纖,能夠大大降低氫損和射線的影響。
但是,這必將帶來新的問題,即在上述光纖纖芯中制備光纖光柵,用于油井下的高溫高壓、高腐蝕環(huán)境,核電站、宇宙空間等射線環(huán)境下的光纖光柵傳感監(jiān)測中。由于傳統(tǒng)的光纖光柵制備方法是基于準(zhǔn)分子激光曝光的方法制備光纖光柵,要求使用的光纖纖芯具有高的光敏性,需要在光纖纖芯中摻雜鍺元素和硼元素。而純二氧化硅纖芯,不具有光敏性,無法采用傳統(tǒng)方法制備光纖光柵。
而一種基于飛秒激光的新型的光纖光柵制備技術(shù)很好的解決了上述問題。使用飛秒激光技術(shù),是利用了飛秒激光瞬時(shí)能量高、非熱加工、加工精度高等優(yōu)點(diǎn),系統(tǒng)結(jié)構(gòu)請見上圖。采用800nm的飛秒激光器,經(jīng)光束整形后,通過顯微物鏡聚焦后,會(huì)聚于光纖纖芯之上。由于無法直接觀測焦點(diǎn)位置是否位于光纖纖芯,需要通過背向CCD,通過觀察背向光斑形狀,判斷焦點(diǎn)位置。同時(shí),接上寬帶光源和光譜儀,能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測光柵制備過程中,光譜變化,判斷光柵制備情況。
通過飛秒激光技術(shù)制備光纖光柵,相對于傳統(tǒng)方法,不僅能夠在非光敏光纖上制備光柵,如:純二氧化硅光纖、氟化物光纖等,還具有其他優(yōu)點(diǎn)。首先,飛秒激光制備,不需要使用相位模板,因此可以擺脫相位模板的限制,理論上可以制備任何反射波長的光纖光柵,例如在氟化物光纖制備2um、3um光纖光柵;其次,800nm的飛秒激光能夠透過光纖的涂覆層(丙烯酸酯、聚酰亞胺等),因此,制柵過程中不需要?jiǎng)兂饫w涂覆層,使制備的光纖光柵強(qiáng)度大大提高。更主要的,準(zhǔn)分子制備的光纖光柵,無法承受高溫度,當(dāng)溫度高于150度,光纖性能開始退化,而飛秒激光制備的光柵,耐溫能夠達(dá)到1000度,能夠使用在高溫環(huán)境中。
因此,飛秒激光制備光纖光柵技術(shù)的出現(xiàn),大大解決了光纖光柵傳感技術(shù)在多種惡劣環(huán)境中的應(yīng)用問題。應(yīng)用于油氣工程領(lǐng)域,光纖光柵必須具備抗氫損的性能,很多情況下還需要耐受300度的高溫;而在光纖激光領(lǐng)域,2um、3um光纖激光系統(tǒng)需要采用氟化物光纖光柵;在核電站、宇宙空間等射線環(huán)境中,光纖光柵需要承受很高的射線能量。在這些特殊的惡劣環(huán)境中,飛秒激光制備的光纖光柵能夠滿足所有的特殊要求,使得光纖光柵傳感技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域大大擴(kuò)展。
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