Warum ändert sich der Brechungsindex von Materialien mit der Temperatur? Ist das der Grund für die Gittertemperaturmessung?
Hallo! Gerne erkläre ich Ihnen die grundlegenden physikalischen Prinzipien der Faser-Bragg-Gitter (FBG)-Sensortechnologie.
Was ist der „thermooptische Effekt“?
Der thermooptische Effekt (Thermo-optic Effect) ist das Phänomen, bei dem sich der Brechungsindex (n) eines Materials mit der Temperatur (T) ändert. Aus der mikrophysikalischen Perspektive hängt der Brechungsindex eines Materials von der Polarität und Dichte seiner inneren Dipole ab. Wenn die Temperatur steigt, verstärkt sich die thermische Bewegung der Atome, was zu einer Verschiebung der elektronischen Bandstruktur des Materials führt (Änderung der Bandlücke), wodurch sich die Fähigkeit des Materials zur Wechselwirkung mit Licht verändert und sich als Änderung des Brechungsindex manifestiert.
Im Bereich der Faseroptik-Sensorik wird diese Änderung üblicherweise mit dem thermischen Koeffizienten (Thermo-optic Coefficient) quantifiziert:
\xi = \frac{1}{n} \frac{dn}{dT}
Warum ändert sich der Brechungsindex mit der Temperatur?
Für Quarzfasern (Siliziumdioxid) sind die Hauptgründe für die temperaturabhängige Änderung des Brechungsindexes:
- Änderung der elektronischen Polarität: Mit steigender Temperatur ändert sich die Bandstruktur im Inneren des Materials, was zu einer verstärkten Polarisation für Licht bestimmter Wellenlängen führt.
- Dichteänderung (thermische Ausdehnung): Steigende Temperaturen führen zu einer leichten Volumenausdehnung, was die Anzahl der Teilchen pro Volumeneinheit reduziert. Dies führt normalerweise zu einer Verringerung des Brechungsindexes.
Bei Quarzfasern dominiert jedoch die Änderung der elektronischen Polarität, weshalb ihr Brechungsindex mit steigender Temperatur normalerweise zunimmt.
Ist das der Hauptgrund für die Temperaturmessung mit Gittern?
Ja, genauer gesagt ist der thermooptische Effekt der Hauptgrund für die Temperaturmessung mit Faser-Bragg-Gittern (FBG), aber nicht der einzige.
Die Formel für die zentrale Reflektionswellenlänge (Bragg-Wellenlänge) eines Faser-Bragg-Gitters lautet:
\lambda_B = 2 \cdot n_{eff} \cdot \Lambda
Dabei ist n_{eff} der effektive Brechungsindex und \Lambda die Gitterperiode.
Wenn sich die Temperatur ändert, setzt sich die Verschiebung der Wellenlänge aus zwei Teilen zusammen:
- Thermooptischer Effekt: Führt zur Änderung des Brechungsindex n_{eff} (trägt etwa 95 % zur Wellenlängenverschiebung bei).
- Thermische Ausdehnung: Führt zur Längenausdehnung der Faser, was die Änderung der Gitterperiode \Lambda verursacht (trägt etwa 5 % zur Wellenlängenverschiebung bei).
Da der Beitrag des thermooptischen Effekts weitaus größer ist als der der thermischen Ausdehnung, können wir sagen, dass die Temperaturdrift des Brechungsindexes die zentrale physikalische Grundlage für die hochsensible Temperaturmessung von Faser-Bragg-Gittern ist.
DCYS (OFSCN) verwandte Produkte:
Basierend auf den oben genannten Prinzipien hat Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. mehrere hochpräzise Temperatursensoren entwickelt. Zum Beispiel:
- OFSCN® 300°C Faser-Bragg-Gitter-Temperatursensor - Vollmetallgehäuse
Dieses Produkt nutzt die Vollmetallgehäusetechnologie, um die thermisch-optische Empfindlichkeit von Quarzfasern voll auszuschöpfen und gleichzeitig eine langfristige Stabilität in Umgebungen bis zu 300 °C zu gewährleisten.
Abbildung des OFSCN® 300°C Faser-Bragg-Gitter-Temperatursensors
Wenn Sie erfahren möchten, wie diese physikalischen Eigenschaften in tatsächliche industrielle Messgenauigkeiten umgewandelt werden, laden wir Sie ein, dies weiter zu diskutieren.