광섬유의 “눈금자”인가요? 색상 변화로 온도를 측정하는 방법은 무엇인가요?
광학 물리학 및 엔지니어링 구현 관점에서 볼 때, 두 가지 비유 모두 매우 생생하며 물리적 본질을 정확히 포착하고 있습니다.
1. 광섬유 속의 "자"입니까?
네, 미시적 물리 구조 측면에서 광섬유 브래그 격자(Fiber Bragg Grating, FBG)는 광섬유 코어 내부에 새겨진 초정밀 "광학 미세 자"로 간주될 수 있습니다.
- 구조적 본질：단일 모드 광섬유의 코어 직경은 일반적으로 8 \sim 10\ \mu\text{m} 에 불과합니다. 자외선 레이저 마스크 또는 펨토초 레이저 직접 기록 기술을 사용하여 코어의 작은 영역(일반적으로 약 2 \sim 10\text{ mm} 길이)에 공간적으로 주기적인 굴절률 변조를 생성합니다.
- “눈금” 간격：이 주기적인 굴절률 변조의 반복 간격을 격자 주기 (기호 \Lambda)라고 합니다. 일반적인 근적외선 감지 대역(약 1550\text{ nm})에서 이 눈금 간격 \Lambda 는 약 500\text{ nm} (즉, 반마이크로미터 수준)입니다.
이 주기적으로 배열된 "미세 눈금"은 자연스러운 협대역 광학 필터를 형성합니다.
2. "색상 변화"로 온도를 측정하는 방법은?
광학 물리학에서 "색상"은 빛의 파장(Wavelength) 에 직접 해당합니다. 광섬유 감지에 사용되는 광파(파장 약 1525 \sim 1565\text{ nm})는 보이지 않는 근적외선 대역에 속하지만, 스펙트럼 분석에서는 다른 파장이 다른 "적외선 광학 색상"을 나타냅니다.
1. 브래그 공명 반사 조건
광대역 복합광이 광섬유 코어로 주입될 때, 격자 영역을 통과하면서 특정 브래그 공명 조건을 만족하는 광파만이 간섭적으로 반사되고, 나머지 파장은 직접 투과됩니다:
\lambda_B = 2 n_{\text{eff}} \Lambda
- \lambda_B ：브래그 중심 반사 파장 (반사되는 특성 “색상”);
- n_{\text{eff}} ：코어 재료의 유효 굴절률;
- \Lambda ：격자 주기 (즉, "자"의 눈금 간격).
2. 온도로 인한 파장(색상) 드리프트의 미세 메커니즘
환경 온도 T 가 변하면 주로 다음 두 가지 물리적 효과를 통해 반사 조건이 변경됩니다:
- 열광 효과(Thermo-optic effect)：온도 변화는 석영 코어의 유효 굴절률 n_{\text{eff}} 을 변경합니다 (이 항목이 파장 드리프트 기여분의 약 90% 이상을 차지합니다).
- 열팽창 효과(Thermal expansion effect)：온도 상승 또는 하락은 석영 코어의 미세한 열팽창 또는 수축을 유발하여 격자 주기 \Lambda (눈금 간격)의 약간의 신축을 일으킵니다.
두 효과가 중첩된 미분 응답 관계는 다음과 같습니다:
\frac{\Delta \lambda_B}{\lambda_B} = (\alpha + \xi) \Delta T
여기서 \alpha = \frac{1}{\Lambda} \frac{\mathrm{d}\Lambda}{\mathrm{d}T} 는 광섬유 재료의 열팽창 계수이고, \xi = \frac{1}{n_{\text{eff}}} \frac{\mathrm{d}n_{\text{eff}}}{\mathrm{d}T} 는 열광 계수입니다.
베어 광섬유 격자의 경우, 상온 근처에서의 일반적인 온도 민감도는 약 10 \sim 11\text{ pm/}^\circ\text{C} 입니다 (즉, 1^\circ\text{C} 상승 시 반사 파장이 약 0.01\text{ nm} 홍조 이동합니다).
3. 측정 과정
- 광 신호 발송：광섬유 격자 복조기는 광섬유로 광대역 적외선 광을 보냅니다.
- 협대역 반사：FBG는 현재의 미세 "눈금"과 환경 온도에 따라 중심 파장 \lambda_B 에 해당하는 협대역 광만 반사합니다.
- 스펙트럼 복조：광섬유 격자 복조기는 높은 정밀도(일반적으로 1\text{ pm} 또는 0.1\text{ pm} 까지)로 반사 파장의 미세 드리프트를 감지합니다.
- 데이터 역산：복조 소프트웨어는 공장에서 보정된 온도-파장 함수 공식을 적용하여 파장 편차를 절대 온도 값으로 직접 역산합니다.
3. 관련 기술 및 포장 제품
베어 광섬유 격자는 외부 변형의 영향을 받기 쉽습니다 (변형도 눈금 간격 \Lambda 을 늘려 파장 드리프트를 유발함). 또한 부서지기 쉽고 끊어지기 쉽습니다. 실제 엔지니어링 온도 측정에서는 격자를 응력이 없는 보호 구조 내에 배치해야 합니다 (예: 스테인리스강 모세관 무봉 강관으로 포장) . 이렇게 하면 외부 변형을 완전히 차단하고 코어를 보호할 수 있습니다.
- 베어 격자 장치: OFSCN® Polyimide Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare)
- 산업용 온도 센서: OFSCN® 100°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor 및 OFSCN® 300°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor
- 파장 수집 및 복조 장비: OFSCN® Fiber Bragg Grating Interrogator
