Зачем выпускать водород после завершения травления? Что произойдет, если его не выпускать?
В процессе изготовления волоконных брэгговских решеток (FBG) для повышения светочувствительности кварцевого волокна (особенно легированного германием) волокно обычно помещают в водородную камеру под высоким давлением и определенной температуре для обработки насыщением водородом под высоким давлением (Hydrogen Loading), чтобы свободные молекулы водорода (H_2) диффундировали в сердцевину волокна.
После записи решетки с помощью ультрафиолетового (УФ) лазера необходимо провести «дегазацию» (Hydrogen Unloading / Outgassing), обычно путем термического отжига при высокой температуре, чтобы принудительно удалить остаточные, непрореагировавшие свободные молекулы водорода. Если не удалить водород, это окажет серьезное негативное влияние на долгосрочную стабильность и оптические характеристики решетки.
I. Зачем удалять водород? (Что произойдет, если его не удалить?)
Если после записи решетки не провести искусственную дегазацию, остаточные свободные молекулы водорода вызовут следующие три основных физических и инженерных риска:
1. Долгосрочный сдвиг центральной длины волны Брэгга (\\lambda_B) в коротковолновую область
Попадая в сердцевину, свободные молекулы водорода повышают эффективный показатель преломления (n_{eff}) сердцевины волокна. При комнатной температуре эти молекулы водорода, не связанные химически с кремнеземной сеткой, очень медленно и спонтанно диффундируют наружу из волокна; этот процесс естественной диффузии может длиться недели или даже месяцы при комнатной температуре.
Согласно формуле Брэгга для волоконных решеток:
\lambda_B = 2 n_{eff} \Lambda
(где \\lambda_B — центральная длина волны отражения, n_{eff} — эффективный показатель преломления сердцевины, \\Lambda — период решетки)
По мере того как водород спонтанно выходит в течение недель или месяцев, n_{eff} сердцевины постоянно снижается, что приводит к постоянному, непредсказуемому сдвигу центральной длины волны решетки \\lambda_B в коротковолновую область. Это приводит к полной потере эталона для датчика при фактических измерениях, делая его непригодным для точного измерения температуры или деформации.
2. Поглощение гидроксилами (-OH) и увеличение затухания оптического сигнала
При повышении температуры окружающей среды, воздействии ультрафиолетового или интенсивного света внутри волокна остаточный свободный H_2 реагирует с дефектами в стекольной матрице волокна или с кремниевыми связями, образуя гидроксилы (-OH).
Гидроксилы имеют очень сильные пики поглощения в ближнем инфракрасном диапазоне, особенно сильные полосы поглощения около 1.38\ \mu\text{m} и 1.24\ \mu\text{m}. Края этих спектров поглощения (хвосты поглощения) распространяются на наиболее используемые в телекоммуникации и волоконной сенсорике диапазоны 1550\ \text{nm} (C-диапазон), что приводит к резкому увеличению потерь при передаче в волокне, сильному затуханию сигнала, делая невозможным для демодулятора обнаружение спектра отражения решетки с высоким соотношением сигнал/шум.
3. Крайне низкая термическая стабильность
При использовании в условиях высоких температур скорость выхода остаточного водорода и скорость реакции мгновенно возрастают, что приводит к резкому изменению длины волны решетки или ее быстрому ухудшению при высоких температурах.
II. Общие инженерные методы дегазации
Во избежание вышеупомянутых рисков после записи волоконной решетки обычно сразу проводят термический отжиг для стабилизации (Thermal Annealing):
- Записанную решетку помещают в термостат (например, при температуре от 80^\circ\text{C} до 120^\circ\text{C} в течение десятков часов).
- Высокая температура позволяет свободным, непрореагировавшим молекулам водорода быстро и полностью диффундировать из волокна.
- В то же время термический отжиг заранее устраняет некоторые нестабильные изменения показателя преломления, вызванные УФ-воздействием, тем самым получая высококачественные волоконные решетки с чрезвычайно стабильными долгосрочными спектральными характеристиками, центральной длиной волны и коэффициентом отражения.
III. Соответствующие технологии производства решеток компании «大成永盛» (OFSCN®)
В отношении процессов записи и отжига решеток «大成永盛» предлагает два типа волоконных решеток без покрытия, изготовленных по различным физическим технологиям:
1. Традиционные УФ-записанные решетки (требуют насыщения и дегазации водородом)
Эти решетки записываются традиционным методом УФ-облучения через фотошаблон. Перед записью волокно должно пройти насыщение водородом под высоким давлением, а после записи необходимо провести дегазацию и термический отжиг для стабилизации, чтобы обеспечить стабильность длины волны при долгосрочной работе. Затем наносится новое покрытие, такое как полиимид.
OFSCN® Polyimide Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare)
2. Решетки, записываемые фемтосекундным лазером (не требуют насыщения и дегазации водородом)
Если вы хотите полностью избежать процессов насыщения и дегазации водородом, а также механических повреждений, вызванных снятием покрытия, вы можете выбрать решетки, записываемые фемтосекундным лазером. Фемтосекундный лазер использует чрезвычайно высокую мгновенную мощность для прямого изменения показателя преломления материала посредством многофотонного нелинейного поглощения. Предварительное насыщение водородом не требуется, поэтому проблема выхода остаточного водорода и потери из-за гидроксилов решается на физическом уровне, обеспечивая естественную долгосрочную стабильность длины волны и очень высокую температурную устойчивость.
OFSCN® Standard Femtosecond Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare)
