Por que liberar hidrogênio após a gravação da grade? O que acontece se ele não for liberado?
Durante o processo de fabricação de grades de fibra de vidro (FBG), para melhorar a foto-sensibilidade da fibra de quartzo (especialmente fibra dopada com germânio), a fibra é geralmente colocada em uma câmara de hidrogênio sob alta pressão e temperatura controlada para tratamento de Carregamento de Hidrogênio (Hydrogen Loading), permitindo que as moléculas de hidrogênio livres (H_2) se difundam para o núcleo da fibra.
Após a escrita da grade usando laser ultravioleta (UV), é essencial realizar o “Descarregamento de Hidrogênio (Hydrogen Unloading / Outgassing)”, normalmente através de recozimento térmico em alta temperatura (Thermal Annealing) para remover forçadamente as moléculas de hidrogênio livres residuais e não reagidas. Se o hidrogênio não for removido, isso terá um impacto negativo grave na estabilidade a longo prazo e no desempenho óptico da grade.
I. Por que remover o hidrogênio? (O que acontece se não for removido?)
Se o tratamento de descarregamento de hidrogênio não for realizado após a escrita da grade, as moléculas de hidrogênio livres residuais causarão os seguintes três principais perigos físicos e de engenharia:
1. Deslocamento a longo prazo do comprimento de onda central de Bragg (\lambda_B) para o lado do comprimento de onda curto
Após as moléculas de hidrogênio livres entrarem no núcleo, elas aumentam o índice de refração efetivo (n_{eff}) do núcleo da fibra. Em ambiente de temperatura ambiente, essas moléculas de hidrogênio, que não estão quimicamente ligadas à rede de sílica, irão gradualmente e espontaneamente se difundir para fora da fibra. Este processo de difusão natural pode levar semanas ou até meses em temperatura ambiente.
De acordo com a fórmula de Bragg para grades de fibra de vidro:
\lambda_B = 2 n_{eff} \Lambda
(Onde \lambda_B é o comprimento de onda central de reflexão, n_{eff} é o índice de refração efetivo do núcleo e \Lambda é o período da grade)
À medida que o hidrogênio escapa espontaneamente ao longo de semanas ou meses, o n_{eff} do núcleo diminui continuamente, levando a um deslocamento contínuo e imprevisível do comprimento de onda central da grade \lambda_B em direção a comprimentos de onda mais curtos. Isso faz com que o sensor perca completamente sua referência em medições reais, tornando-o inútil para medições precisas de temperatura ou tensão.
2. Perda de absorção por hidroxila (-OH), aumentando a atenuação do sinal óptico
Sob aumento da temperatura ambiente, radiação ultravioleta ou luz intensa dentro da fibra, as moléculas de H_2 livres residuais reagem com defeitos na rede de vidro da fibra ou com ligações de sílica, formando hidroxilas (-OH).
Hidroxilas possuem picos de absorção extremamente fortes na banda do infravermelho próximo, especialmente bandas de absorção fortes localizadas em torno de 1.38\ \mu\text{m} e 1.24\ \mu\text{m}. As caudas dessas bandas de absorção se estendem para a banda de 1550\ \text{nm} (banda C), a mais utilizada em comunicação de fibra e sensoriamento por grade, resultando em um aumento drástico na perda de transmissão da fibra e forte atenuação do sinal, impedindo que o demodulador detecte o espectro de reflexão da grade com alta relação sinal-ruído.
3. Estabilidade térmica extremamente pobre
Durante o uso, se exposta a um ambiente de alta temperatura, a velocidade de escape do hidrogênio residual e a velocidade de reação aumentam instantaneamente, causando uma mudança abrupta no comprimento de onda da grade ou uma rápida degradação em altas temperaturas.
II. Método de engenharia comum para descarregamento de hidrogênio
Para evitar os perigos mencionados acima, após a escrita da grade de fibra de vidro, o Tratamento de Recozimento Térmico para Estabilização (Thermal Annealing) é geralmente realizado imediatamente:
- As grades escritas são colocadas em uma estufa de temperatura constante (por exemplo, assando em temperaturas de 80^\circ\text{C} a 120^\circ\text{C} por dezenas de horas).
- A alta temperatura permite que as moléculas de hidrogênio livres não reagidas se difundam e escapem rapidamente e completamente da fibra.
- Ao mesmo tempo, o recozimento térmico também elimina antecipadamente algumas das mudanças de índice de refração de estado de transição instáveis geradas pela exposição UV, obtendo assim grades de fibra de vidro de alta qualidade com características espectrais, comprimento de onda central e refletividade extremamente estáveis a longo prazo.
III. Tecnologia de produtos de grade relacionados da Dacheng Yongsheng (OFSCN®)
Em relação aos processos de escrita e recozimento de grades, a Dacheng Yongsheng oferece duas categorias de produtos de grades nuas com diferentes processos de fabricação física:
1. Grades de fibra de vidro tradicionais escritas por UV (requerem carregamento e descarregamento de hidrogênio)
Essas grades são escritas usando o método tradicional de iluminação de máscara UV. Antes da escrita, a fibra deve passar por carregamento de hidrogênio sob alta pressão. Após a escrita, o descarregamento de hidrogênio e o tratamento de recozimento térmico para estabilização devem ser realizados para garantir a estabilidade do comprimento de onda durante a operação a longo prazo, e finalmente a revestimento com materiais como poliimida é realizado.
OFSCN® Polyimide Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare)
2. Grades de fibra de vidro escritas diretamente por laser de femtosegundo (não requerem carregamento e descarregamento de hidrogênio)
Se você deseja evitar completamente os processos de carregamento e descarregamento de hidrogênio, bem como os danos à resistência mecânica causados pela remoção do revestimento, você pode optar por grades escritas diretamente por laser de femtosegundo. O laser de femtosegundo, através de sua altíssima potência instantânea e absorção não linear de múltiplos fótons, altera diretamente o índice de refração do material. O carregamento de hidrogênio não é necessário antes da escrita, eliminando assim os problemas de escape de hidrogênio residual e perda por hidroxila na fonte física. Elas possuem estabilidade de comprimento de onda natural a longo prazo e excelente desempenho em altas temperaturas.
OFSCN® Standard Femtosecond Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare)
