Зачем нужна “водородная диффузия” в оптическом волокне? Чтобы сделать его более чувствительным к лазеру?
Да, ваше понимание абсолютно точное! «Поглощение водорода» оптическим волокном, которое в академических и инженерных кругах известно как «наполнение водородом» (Hydrogen Loading), имеет основную цель — значительно повысить «фоточувствительность» (Photosensitivity) сердцевины оптического волокна к лазеру (особенно к ультрафиолетовому лазеру определённой длины волны), что позволяет эффективно и качественно записывать волоконные брэгговские решётки (FBG).
Ниже представлен подробный анализ физических и химических механизмов «наполнения водородом» и его ключевой роли в производстве волоконных брэгговских решёток.
I. Почему обычные оптические волокна трудно напрямую использовать для записи решёток?
Сердцевина (Core) обычного одномодового оптического волокна (например, стандартного волокна \text{G.652D} ) обычно легирована диоксидом германия ( \text{GeO}_2 ). При облучении ультрафиолетовым лазером (например, 244\ \text{nm} или 193\ \text{nm} ) диоксид германия претерпевает небольшие необратимые изменения показателя преломления. Это физическое явление называется фоточувствительностью.
Однако в естественном состоянии фоточувствительность стандартного оптического волокна очень слаба. Величина модуляции показателя преломления ( \Delta n ), вызванная облучением светом, обычно составляет всего 10^{-5} . Такое слабое изменение показателя преломления затрудняет запись в волокне высокоотражающих (например, $
e > 70% или даже
e $> 99%) или короткопериодных качественных волоконных брэгговских решёток.
II. Как наполнение водородом усиливает фоточувствительность?
Чтобы сделать оптическое волокно более чувствительным к ультрафиолетовому лазеру, необходимо провести «наполнение водородом». Основной процесс выглядит следующим образом:
-
Диффузия под высоким давлением:
Оптическое волокно, у которого частично снято защитное покрытие (или использовано специальное покрытие), помещается в контейнер, заполненный водородом под высоким давлением ( \text{H}_2 , обычно давление от 10\ \text{MPa} до 20\ \text{MPa} или даже выше) и при определённой температуре (например, от 50^\circ\text{C} до 80^\circ\text{C} ) на несколько дней или недель. В процессе этого процесса молекулы водорода постепенно диффундируют и насыщают сердцевину оптического волокна из диоксида кремния. -
Фотохимическая реакция:
Когда это «насыщенное водородом» оптическое волокно облучается ультрафиолетовым лазером (например, через маску), молекулы \text{H}_2 , растворенные в сердцевине, в сочетании с фотонным возбуждением вступают в сильную фотохимическую реакцию с германий-кислородными связями ( \text{Ge-O} ). Реакция приводит к образованию стабильных гидроксильных групп ( \text{Si-OH} и \text{Ge-OH} ) и дефектных центров германия с сильной абсорбцией. -
Значительное увеличение показателя преломления:
Эти дефектные центры и изменения химических связей, образовавшиеся в результате фотохимической реакции, резко увеличивают величину необратимого изменения показателя преломления ( \Delta n ) в облученной области до 10^{-3} или даже 10^{-2} , что в 2 порядка выше, чем у ненаполненного водородом волокна. Это позволяет легко записывать высокоотражающие, узкополосные качественные решётки.
III. Последующая обработка после наполнения водородом: отжиг (удаление водорода)
Хотя наполнение водородом значительно повышает фоточувствительность, оно также имеет побочный эффект: несреагировавшие свободные молекулы \text{H}_2 медленно покидают оптическое волокно при комнатной температуре, что приводит к медленному смещению длины волны записанной решётки; кроме того, сами молекулы водорода вызывают абсорбционные потери вблизи 1.24\ \mu\text{m} и 1.7\ \mu\text{m} .
Поэтому после записи решётки необходимо провести отжиг (Annealing) в высокотемпературной печи. Высокотемпературный нагрев полностью удаляет несреагировавший свободный водород, а также стабилизирует микроструктуру решётки, обеспечивая долгосрочную стабильность длины волны решётки при эксплуатации.
IV. Соответствующие продукты и технологии OFSCN® (Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd.)
Компания Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) при производстве стандартных и высокотемпературных голых волоконных брэгговских решёток, а также цепочек решёток, использует очень строгий процесс наполнения водородом, точной УФ-записи, высокотемпературного отжига (удаления водорода) и профессионального повторного покрытия, чтобы обеспечить высокую механическую прочность и долгосрочную стабильность длины волны сенсорных элементов.
Основные продукты Bare FBG, изготовленные с использованием этого высококачественного процесса записи с наполнением водородом:
1. OFSCN® Polyacrylate Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare)
Этот продукт изготовлен на основе стандартных одномодовых оптических волокон \text{G.652D} или \text{G.657} . Перед записью волокно проходит строгую обработку наполнением водородом и снятием покрытия. После завершения записи и отжига используется полиакрилат ( \text{Polyacrylate} ) для высокоточного повторного покрытия.
- Диапазон рабочих температур： -40^\circ\text{C} до 100^\circ\text{C}
- Максимальный диапазон деформации： \le 10000\ \mu\varepsilon
2. OFSCN® Polyimide Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare)
Этот продукт предназначен для средне- и высокотемпературных сред, а также для широкого диапазона температур. Используется стандартное одномодовое оптическое волокно OFSCN® с полиимидным покрытием, которое наполняется водородом под высоким давлением перед записью. После записи используется термостойкий полиимидный ( \text{Polyimide} ) материал для повторного покрытия, что эффективно противостоит резким изменениям температуры окружающей среды.
- Диапазон рабочих температур： -200^\circ\text{C} до 300^\circ\text{C}
- Максимальный диапазон деформации： \le 10000\ \mu\varepsilon
