Почему показатель преломления материала изменяется с температурой? Является ли это основной причиной температурного измерения с помощью решетки?
Здравствуйте! Я рад ответить на ваши вопросы об основных физических принципах технологии волоконно-оптических решеток (FBG).
Что такое «термооптический эффект»?
Термооптический эффект — это явление, при котором показатель преломления (n) материала изменяется с изменением температуры (T). С точки зрения микрофизики, показатель преломления материала зависит от поляризуемости и плотности его внутренних диполей. При повышении температуры усиливается тепловое движение атомов, что приводит к смещению зонной структуры материала (изменению ширины запрещенной зоны) и, как следствие, к изменению способности материала взаимодействовать со светом, проявляясь как изменение показателя преломления.
В области волоконно-оптической сенсорики для количественной оценки этого изменения обычно используется термооптический коэффициент:
\xi = \frac{1}{n} \frac{dn}{dT}
Почему показатель преломления меняется с температурой?
Для кварцевого волокна (диоксида кремния) основные причины изменения показателя преломления с температурой включают:
- Изменение электронной поляризуемости: С повышением температуры изменяется внутренняя зонная структура материала, что приводит к усилению поляризационной реакции на свет определенной длины волны.
- Изменение плотности (эффект теплового расширения): Повышение температуры вызывает незначительное расширение объема, уменьшая количество частиц в единице объема, что обычно приводит к снижению показателя преломления.
Однако в кварцевом волокне изменение электронной поляризуемости является доминирующим фактором, поэтому его показатель преломления обычно увеличивается с повышением температуры.
Является ли это основной причиной температурных измерений с помощью решеток?
Да, но точнее было бы сказать, что термооптический эффект является основной причиной температурных измерений с помощью волоконно-оптических решеток (FBG), но не единственной.
Формула центральной длины волны отражения (длины волны Брэгга) волоконно-оптической решетки:
\lambda_B = 2 \cdot n_{eff} \cdot \Lambda
Где n_{eff} — эффективный показатель преломления, а \Lambda — период решетки.
При изменении температуры смещение длины волны состоит из двух частей:
- Термооптический эффект: приводит к изменению показателя преломления n_{eff} (обеспечивает около 95% смещения длины волны).
- Эффект теплового расширения: приводит к удлинению физической длины волокна, изменяя период решетки \Lambda (обеспечивает около 5% смещения длины волны).
Поскольку вклад термооптического эффекта значительно больше вклада эффекта теплового расширения, можно сказать, что температурный дрейф показателя преломления является ключевой физической основой для высокочувствительного измерения температуры с помощью волоконно-оптических решеток.
Связанные продукты DCYS (OFSCN):
На основе вышеупомянутых принципов Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. разработала несколько высокоточных датчиков температуры. Например:
- Волоконно-оптический решеточный датчик температуры OFSCN® 300°C - полностью металлический корпус
Этот продукт использует технологию полностью металлического корпуса, полностью используя термооптическую чувствительность кварцевого волокна, сохраняя при этом долгосрочную стабильность в среде 300°C.
Фото продукта «Волоконно-оптический решеточный датчик температуры OFSCN® 300°C»
Если вы хотите узнать, как эти физические характеристики преобразуются в реальную точность промышленного измерения, добро пожаловать для дальнейшего обсуждения.