Após a gravação da grade, por que o hidrogênio é removido em alta temperatura?
Na fabricação de FBG (Fiber Bragg Grating) e na área de sensoriamento, o tratamento de “Desidrogenação por Hidrogênio” (Hydrogen Degassing), geralmente combinado com o processo de “Recozimento em Alta Temperatura”, é um processo central de vital importância após a gravação do grating.
Para entender por que o hidrogênio precisa ser removido em alta temperatura, primeiro precisamos entender o processo de “Carregamento de Hidrogênio” e depois analisar os danos físicos e ópticos que o hidrogênio residual causa ao desempenho do FBG.
1. O que é “Carregamento de Hidrogênio”?
O núcleo (geralmente dopado com germânio) da fibra óptica de sílica padrão ( \text{SiO}_2 ) possui baixa foto sensibilidade inerente. Para facilitar a gravação rápida de gratings de alta refletividade no núcleo usando lasers UV convencionais (como lasers de excímeros de 248\ \text{nm} ), a fibra é tipicamente colocada em um ambiente de hidrogênio ( \text{H}_2 ) sob alta pressão (por exemplo, 10\ \text{MPa} a 20\ \text{MPa} ) e temperatura apropriada (por exemplo, 60^\circ\text{C} a 80^\circ\text{C} ). Isso permite que as moléculas de hidrogênio se dissolvam e se difundam no núcleo. Esse processo é conhecido como Carregamento de Hidrogênio (Hydrogen Loading).
O carregamento de hidrogênio aumenta significativamente a foto sensibilidade do núcleo, resultando em uma maior variação do índice de refração (profundidade de modulação do índice de refração) no núcleo da fibra quando exposto à luz UV.
2. Por que o tratamento de “Desidrogenação por Hidrogênio” em Alta Temperatura é Necessário?
Após a gravação do grating, uma quantidade significativa de moléculas de hidrogênio livres que não participaram de reações químicas permanece dentro da fibra. Se o tratamento de “desidrogenação” em alta temperatura não for realizado para remover esse hidrogênio livre, isso trará os seguintes problemas fatais para os sensores de FBG:
A. Prevenção da Deriva do Comprimento de Onda ao Longo do Tempo (Aumento da Estabilidade do Comprimento de Onda)
De acordo com o princípio de reflexão de Bragg dos FBGs, seu comprimento de onda central de reflexão é determinado pela seguinte fórmula física:
\lambda_B = 2 n_{\text{eff}} \Lambda
Onde \lambda_B é o comprimento de onda de Bragg, n_{\text{eff}} é o índice de refração efetivo do núcleo, e \Lambda é o período do grating.
As moléculas de hidrogênio livres ( \text{H}_2 ) dissolvidas no núcleo aumentam o índice de refração efetivo n_{\text{eff}} . Se a fibra for usada em temperatura ambiente logo após a gravação, essas moléculas de hidrogênio livres não reagidas se difundirão lentamente para fora e escaparão da fibra ao longo de semanas ou meses. À medida que a concentração de hidrogênio diminui, n_{\text{eff}} diminui gradualmente, levando a uma lenta deriva do comprimento de onda central \lambda_B do grating em direção a comprimentos de onda mais curtos. Para sensores FBG de alta precisão com modulação de comprimento de onda, essa deriva de comprimento de onda incerta destruirá diretamente sua precisão de medição.
B. Estabilização da Estrutura de Modulação do Índice de Refração (Eliminação de Defeitos Instáveis)
Durante o processo de exposição UV, a modulação do índice de refração formada no núcleo inclui duas partes: uma é a modificação estrutural estável com alta energia de ativação; a outra é composta por centros de defeito instáveis com baixa energia de ativação.
Essas estruturas instáveis são suscetíveis à decomposição espontânea em flutuações subsequentes da temperatura ambiente, levando a uma diminuição gradual da refletividade do grating.
Através de recozimento em alta temperatura e desidrogenação em um ambiente de temperatura constante acima da temperatura máxima de operação futura do grating (geralmente entre 100^\circ\text{C} e 150^\circ\text{C} , por 12 a 24 horas ou mais), não só a liberação completa das moléculas de hidrogênio livres é acelerada, mas também os modos de modulação de índice de refração instáveis e propensos à decomposição são eliminados antecipadamente, retendo apenas as mudanças permanentes de índice de refração com alta energia de ativação. Isso garante que o FBG sensor mantenha um perfil espectral e refletividade constantes a longo prazo durante toda a sua vida útil.
C. Redução da Perda e Absorção Óptica
Catalisadas por luz e calor, as moléculas de hidrogênio livres remanescentes podem reagir com defeitos de sílica na rede de fibra, formando grupos hidroxila ( \text{-OH} ) ou gerando defeitos de centros de cor. Isso resulta em picos de absorção infravermelha severos em 1.24\ \mu\text{m} , 1.38\ \mu\text{m} , e perto da banda C de comunicação ( 1.55\ \mu\text{m} ). A remoção completa do hidrogênio através do processo de desidrogenação evita a formação subsequente de grupos hidroxila, garantindo a perda óptica ultrabaixa da fibra.
3. Processo de Laser de Femtossegundo que Não Requer Desidrogenação
É importante notar que nem todos os FBGs requerem carregamento e desidrogenação de hidrogênio. Por exemplo, gratings gravados usando Laser de Femtossegundo (Femtosecond Laser) utilizam a absorção multifotônica não linear gerada por pulsos ultraconcentrados e ultrarrápidos para modificar diretamente o índice de refração em microáreas do material de quartzo.
Esses processos não requerem carregamento de hidrogênio antes da gravação e, portanto, não necessitam de desidrogenação posterior. Sua estabilidade térmica e limite de alta temperatura (geralmente até 800^\circ\text{C} ) são tipicamente superiores.
4. Produtos Oficiais da OFSCN® Relacionados a Este Processo
Na linha de produtos da Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®), os FBGs de fibra nua gravados por exposição UV tradicional passam por um rigoroso processo de desidrogenação por hidrogênio e recozimento de envelhecimento antes da repavimentação, para eliminar a instabilidade do comprimento de onda induzida pelo hidrogênio:
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OFSCN® Polyacrylate Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare) | Gratings de Fibra Bragg com Revestimento de Poliacrilato (Nua)
Este é um produto gravado usando o método clássico de irradiação por máscara UV. Antes da gravação, a fibra passa por carregamento de hidrogênio de alta pressão e remoção da camada de revestimento. Após a gravação, é essencial um recozimento rigoroso de desidrogenação por alta temperatura, seguido pela repavimentação com poliacrilato. Adequado para aplicações de sensoriamento em temperatura ambiente ( -40^\circ\text{C} a 100^\circ\text{C} ).
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OFSCN® Polyimide Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare) | Gratings de Fibra Bragg Revestidos com Poliimida (Nua) para Alta Temperatura
Grating nu projetado especificamente para ambientes de média a alta temperatura (faixa de temperatura de -200^\circ\text{C} a 300^\circ\text{C} ), utilizando material de repavimentação de poliimida resistente a altas temperaturas. Seu processo de desidrogenação e recozimento não só remove o hidrogênio livre, mas também garante que sua camada de repavimentação de poliimida atinja o estado de reticulação química ideal.
Através desses precisos tratamentos científicos de recozimento e desidrogenação, os sensores FBG de fábrica possuem excelente resistência à fadiga, condução ininterrupta de temperatura/deformação e um comprimento de onda central que não sofre deriva por décadas.