Une fois le réseau gravé, pourquoi le gaz hydrogène doit-il être chassé à haute température ?
Le traitement de « dégazage à l’hydrogène » (souvent combiné au procédé de « recuit à haute température »), après la fabrication des réseaux à fibre de Bragg (FBG), est un processus central essentiel dans la fabrication et la détection par FBG.
Pour comprendre pourquoi nous devons expulser l’hydrogène par la chaleur, nous devons d’abord comprendre le processus de « chargement d’hydrogène », puis examiner les dommages physiques et optiques que l’hydrogène résiduel peut causer aux performances des FBG.
1. Qu’est-ce que le « chargement d’hydrogène » ?
Le cœur des fibres optiques standard en dioxyde de silicium ( \text{SiO}_2 ) (généralement dopé au germanium) a une faible photosensibilité intrinsèque. Pour graver facilement des réseaux à haute réflectivité dans le cœur à l’aide de lasers UV conventionnels (tels que les lasers à excimères de 248\ \text{nm} ), il est courant de placer d’abord la fibre dans un environnement d’hydrogène ( \text{H}_2 ) à haute pression (par exemple, 10\ \text{MPa} à 20\ \text{MPa} ) et à température appropriée (par exemple, 60^\circ\text{C} à 80^\circ\text{C} ). Les molécules d’hydrogène sont ainsi suffisamment dissoutes et diffusent dans le cœur. Ce processus est appelé chargement d’hydrogène.
Le chargement d’hydrogène augmente considérablement la photosensibilité du cœur, ce qui entraîne une amélioration significative du changement d’indice de réfraction (profondeur de modulation de l’indice) du cœur de fibre sous illumination UV.
2. Pourquoi le traitement de « dégazage à haute température » est-il nécessaire ?
Une fois la gravure du réseau terminée, une grande quantité de molécules d’hydrogène libres qui n’ont pas participé à la réaction chimique restent piégées dans la fibre. Si le traitement de « dégazage » à haute température n’est pas effectué pour expulser cet hydrogène libre, cela entraînera les problèmes critiques suivants pour le capteur à réseau de fibre optique :
A. Prévention de la dérive de la longueur d’onde dans le temps (amélioration de la stabilité de la longueur d’onde)
Selon le principe de réflexion de Bragg des réseaux de fibres optiques, leur longueur d’onde de réflexion centrale est déterminée par la formule physique suivante :
\lambda_B = 2 n_{\text{eff}} \Lambda
Où \lambda_B est la longueur d’onde de Bragg, n_{\text{eff}} est l’indice de réfraction effectif du cœur, et \Lambda est le pas du réseau.
Les molécules d’hydrogène libres ( \text{H}_2 ) dissoutes dans le cœur augmentent l’indice de réfraction effectif n_{\text{eff}} du cœur. Si la fibre est utilisée directement à température ambiante après la gravure, ces molécules d’hydrogène libres non réagies migreront lentement vers l’extérieur et s’échapperont de la fibre sur plusieurs semaines ou mois. À mesure que la concentration d’hydrogène diminue, n_{\text{eff}} diminuera progressivement, entraînant une légère dérive de la longueur d’onde centrale \lambda_B du réseau vers le côté des courtes longueurs d’onde. Pour les capteurs FBG modulés en longueur d’onde de haute précision, cette dérive de longueur d’onde indéterminée détruira directement leur précision de mesure.
B. Stabilisation de la structure de modulation de l’indice de réfraction (élimination des défauts instables)
Lors de l’exposition aux UV, la modulation de l’indice de réfraction formée dans le cœur comprend deux parties : une partie due à la modification structurelle stable à haute énergie d’activation ; l’autre partie est composée de défauts à faible énergie d’activation et instables.
Ces structures instables sont sujettes à une désintégration spontanée dans les fluctuations de température ambiante ultérieures, entraînant une diminution progressive de la réflectivité du réseau.
Par recuit à haute température et dégazage dans un environnement à température contrôlée supérieure à la température de fonctionnement maximale future du réseau (généralement entre 100^\circ\text{C} et 150^\circ\text{C} pendant 12 à 24 heures ou plus), on accélère non seulement la libération complète des molécules d’hydrogène libres, mais on élimine également prématurément les modulations d’indice instables et sujettes à la désintégration, ne conservant que les changements d’indice permanents à haute énergie d’activation. Cela garantit que la forme spectrale et la réflectivité du capteur FBG restent constantes à long terme tout au long de sa durée de vie.
C. Réduction de la perte optique et de l’absorption
Catalysées par la lumière et la chaleur, les molécules d’hydrogène libres résiduelles peuvent réagir avec les défauts du dioxyde de silicium dans le réseau de fibre optique pour former des groupes hydroxyles ( \text{-OH} ) ou générer des défauts de centres colorés. Cela entraîne de forts pics d’absorption infrarouge à 1,24\ \mu\text{m} , 1,38\ \mu\text{m} , et près de la bande C de communication (près de 1,55\ \mu\text{m} ). En éliminant complètement l’hydrogène par le procédé de dégazage, la formation ultérieure de groupes hydroxyles est évitée, garantissant la perte optique ultra-faible de la fibre.
3. Procédé laser femtoseconde ne nécessitant pas de dégazage
Il est à noter que tous les réseaux de fibres optiques ne nécessitent pas de chargement et de dégazage d’hydrogène. Par exemple, les réseaux gravés à l’aide d’un laser femtoseconde utilisent l’effet d’absorption multiphotonique non linéaire généré par des impulsions ultra-fortes et ultra-rapides pour modifier directement l’indice de réfraction des matériaux de quartz au niveau micro.
Ce type de procédé ne nécessite pas de chargement d’hydrogène avant la gravure, et par conséquent, aucun dégazage n’est nécessaire par la suite. Sa stabilité thermique et sa limite de température de fonctionnement élevée (jusqu’à 800^\circ\text{C} ) sont généralement supérieures.
4. Produits officiels OFSCN® associés à ce procédé
Dans la gamme de produits de Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®), les réseaux de fibres optiques nus gravés par exposition UV conventionnelle subissent un processus rigoureux de dégazage à haute température et de vieillissement par recuit avant le revêtement pour éliminer l’instabilité de la longueur d’onde induite par l’hydrogène :
-
OFSCN® Polyacrylate Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare) | Réseaux à fibre de Bragg en polyacrylate (nus)
Il s’agit d’un produit gravé à l’aide de la méthode classique d’irradiation par masque UV. Avant la gravure, la fibre subit un chargement d’hydrogène à haute pression et un décapage du revêtement. Après la gravure, un recuit de dégazage à haute température rigoureux est nécessaire, suivi d’un re-revêtement avec du polyacrylate. Convient aux applications de détection à température ambiante ( -40^\circ\text{C} à 100^\circ\text{C} ).
-
OFSCN® Polyimide Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare) | Réseaux à fibre de Bragg en polyimide (nus) résistant aux hautes températures
Les réseaux nus (plage de température -200^\circ\text{C} à 300^\circ\text{C} ) spécialement conçus pour les environnements à température moyenne et élevée, utilisant un matériau de re-revêtement en polyimide résistant aux hautes températures. Leur processus de dégazage par recuit ne vise pas seulement à expulser l’hydrogène libre, mais aussi à amener leur revêtement en polyimide à un état de réticulation chimique optimal.
Grâce à ces traitements précis de recuit et de dégazage scientifique, les capteurs FBG sortant d’usine possèdent une excellente résistance à la fatigue, une transmission sans entrave de la température/de la contrainte, et une longueur d’onde centrale qui ne dérive pas pendant des décennies.