什么是“脱氢”处理？ | What is hydrogen degassing treatment?

OFSCN 全球技术中心 OFSCN 技术知识库
1

刻完光栅后，为什么要通过高温把氢气赶出来？

2

在光纤光栅（ FBG ）制造与传感领域，光栅刻写完成后的“脱氢（ Hydrogen Degassing ）”处理（通常与“高温退火”工艺结合进行）是一项至关重要的核心工艺。

要理解为什么要通过高温把氢气驱赶出来，我们需要首先了解“载氢”工艺，然后再看残留氢气对光纤光栅性能造成的物理与光学危害。

1. 什么是“载氢”？

标准的二氧化硅（ \text{SiO}_2 ）光纤纤芯（通常掺锗）本身的紫外光敏性（ Photosensitivity ）较低。为了便于使用常规紫外激光器（如 248\ \text{nm} 准分子激光器）在纤芯中快速刻写出高反射率的光栅，通常需要将光纤先放入高压（例如 10\ \text{MPa} 至 20\ \text{MPa} ）和适当温度（例如 60^\circ\text{C} 至 80^\circ\text{C} ）的氢气（ \text{H}_2 ）环境中，使氢分子充分溶解扩散进入纤芯。这个过程被称为载氢（ Hydrogen Loading ）。

载氢能够极大地增加纤芯的紫外光敏性，使紫外光照射时光纤纤芯的折射率改变量（折射率调制深度）大幅提升。

2. 为什么要进行高温“脱氢”处理？

光栅刻写完成后，光纤内部仍残留有大量未参与化学反应的游离氢分子。如果不通过高温进行“脱氢”处理驱逐这些游离氢，会对光纤光栅传感器带来以下致命问题：

A. 防止波长随时间漂移（提高波长稳定性）

根据光纤光栅的布拉格反射原理，其中心反射波长由以下物理公式决定：

\lambda_B = 2 n_{\text{eff}} \Lambda

其中 \lambda_B 为布拉格波长， n_{\text{eff}} 为纤芯的有效折射率， \Lambda 为光栅周期。

溶解在纤芯中的游离氢分子（ \text{H}_2 ）会使纤芯的有效折射率 n_{\text{eff}} 升高。如果刻写完成后直接在室温下使用，这些未反应的游离氢分子在数周或数月内会缓慢向外扩散并逃逸出光纤。随着氢浓度的降低， n_{\text{eff}} 会逐渐减小，导致光栅的中心波长 \lambda_B 出现向短波方向的缓慢漂移（ Drift ）。对于高精度波长调制的 FBG 传感器而言，这种不确定的波长漂移将直接摧毁其测量精度。

B. 稳定折射率调制结构（消除不稳定缺陷）

在紫外曝光过程中，纤芯中形成的折射率调制包含两部分：一部分是稳定的高活化能结构改性；另一部分是由低活化能、不稳定的缺陷中心组成的结构。
这些不稳定的结构在后续的环境温度波动中极易发生自发衰退，从而导致光栅反射率逐渐降低。

通过在高于光栅未来最高工作温度的恒温环境中进行高温退火与脱氢（通常在 100^\circ\text{C} 至 150^\circ\text{C} ，持续 12 至 24 小时或更长），既加速了游离氢分子的完全释放，也提前淘汰了那些不稳定的、易衰退的折射率调制，只保留高活化能的永久折射率变化。这能够确保 FBG 传感器在其整个生命周期内的光谱形貌和反射率长期保持恒定。

C. 降低光损耗与吸收

在光和热的催化下，残留的游离氢分子可能会与光纤网络中的二氧化硅缺陷发生化学反应，生成羟基（ \text{-OH} ），或者产生色心缺陷。这会导致在 1.24\ \mu\text{m} 、 1.38\ \mu\text{m} 以及邻近通信的 C 波段（ 1.55\ \mu\text{m} 附近）产生严重的红外吸收峰。通过脱氢工艺彻底驱除氢气，可以避免后续羟基的产生，保证光纤的超低光学损耗。

3. 无需脱氢的飞秒激光工艺

值得注意的是，并非所有的光纤光栅都需要载氢和脱氢。例如，采用**飞秒激光（ Femtosecond Laser ）**刻写的光栅，利用的是超强超快脉冲产生的非线性多光子吸收效应直接对石英材料进行微区折射率改性。

这类工艺在刻写前不需要进行载氢处理，因而后期也无需进行脱氢，其热稳定性和耐高温上限（可高达 800^\circ\text{C} ）通常更胜一筹。

4. 涉及该工艺的相关 OFSCN® 官方产品

在大成永盛（ OFSCN® ）的产品线中，传统紫外曝光刻写的裸光纤光栅在重涂覆之前，均需经过极其严格的高温脱氢与老练退火工艺，以消除氢致波长不稳定性：

通过这些精密的科学退火脱氢处理，出厂的 FBG 传感器才拥有极佳的抗疲劳特性、无阻碍的温度/应变传导，以及长达数十年不发生漂移的中心波长。