Lazer oyma işleminden sonra hidrojen gazının çıkmasına izin vermemizin nedeni nedir? Gaz çıkmazsa ne olur?
Fiber Bragg Gratings (FBG’lerin) üretim sürecinde, kuantum fiberin (özellikle germanyum katkılı fiberin) ışığa duyarlılığını artırmak için, fiber genellikle yüksek basınç ve belirli bir sıcaklık altında bir hidrojen haznesine yerleştirilerek yüksek basınçlı hidrojen yüklemesi (Hydrogen Loading) işleminden geçirilir. Bu işlem, serbest hidrojen moleküllerinin (H_2) fiberin çekirdeğine nüfuz etmesini sağlar.
Fiber gratini ultraviyole lazerle (UV) yazılandıktan sonra, “hidrojen giderme işlemi” (Hydrogen Unloading / Outgassing) yapılmalıdır. Bu işlem genellikle yüksek sıcaklıkta termal tavlama (Thermal Annealing) ile gerçekleştirilir ve reaksiyona girmemiş serbest hidrojen moleküllerini zorla dışarı atar. Hidrojenin dışarı çıkmasına izin verilmezse, gratinaların uzun vadeli kararlılığı ve optik performansı üzerinde ciddi olumsuz etkiler meydana gelir.
Bir: Hidrojen Neden Dışarı Çıkmalı? (Dışarı Çıkmazsa Ne Olur?)
Optik gratinalar yazıldıktan sonra yapay bir hidrojen giderme işlemi yapılmazsa, kalan serbest hidrojen molekülleri aşağıdaki üç ana fiziksel ve mühendislik zararına neden olur:
1. Bragg merkezi dalga boyunun (\lambda_B) uzun vadede kısa dalga yönünde kaymasına neden olur
Serbest hidrojen molekülleri çekirdeğe girdikten sonra, fiber çekirdeğinin etkili kırılma indisini (n_{eff}) artırır. Oda sıcaklığı ortamında, silika ağıyla kimyasal olarak bağlanmamış bu serbest hidrojen molekülleri çok yavaş ve kendiliğinden fiber dışına yayılır. Bu doğal yayılma süreci oda sıcaklığında haftalarca, hatta aylarca sürebilir.
Fiber gratinaların Bragg formülüne göre:
\lambda_B = 2 n_{eff} \Lambda
(Burada \lambda_B yansıtma merkezi dalga boyu, n_{eff} çekirdek etkili kırılma indisi ve \Lambda gratinaların periyodudur)
Hidrojenin haftalar veya aylar boyunca kendiliğinden yayılmasıyla çekirdeğin n_{eff}'i sürekli düşer ve gratinaların merkezi dalga boyu \lambda_B’nin kısa dalga yönünde sürekli ve öngörülemeyen bir kaymaya neden olur. Bu, sensörlerin gerçek ölçümlerde referansını tamamen kaybetmesine ve doğru sıcaklık veya gerinim ölçümü için kullanılamamasına yol açar.
2. Hidroksil (-OH) emilim kaybına neden olur ve optik sinyal zayıflamasını artırır
Ortam sıcaklığı yükseldiğinde, ultraviyole ışık veya fiber içindeki güçlü ışık altında, kalan serbest H_2 molekülleri fiber cam ağındaki kusurlarla veya silika bağlarıyla kimyasal reaksiyona girerek hidroksil (-OH) oluşturur.
Hidroksil, yakın kızılötesi bandında, özellikle $1.38
esión \ \mu\text{m}$ ve 1.24\ \mu\text{m} civarında güçlü emilim zirveleriyle son derece güçlü bir emilime sahiptir. Bu emilim spektrumlarının kenarları (emilim kuyrukları), fiber iletişimi ve grating algılama için en yaygın kullanılan $1550
esión \ \text{nm}$ bandına (C bandı) uzanır, bu da fiberin iletim kaybını önemli ölçüde artırır ve sinyalin ciddi şekilde zayıflamasına neden olur. Bu durum, çözücülerin yüksek sinyal-gürültü oranına sahip grating yansıma spektrumunu tespit etmesini imkansız hale getirir.
3. Aşırı derecede zayıf termal kararlılığa sahiptir
Kullanım sırasında, yüksek sıcaklık ortamlarıyla karşılaşıldığında, kalan hidrojenin yayılma hızı ve reaksiyon hızı aniden hızlanır, bu da grating dalga boyunda ani bir değişime veya yüksek sıcaklıklarda hızlı bozulmaya neden olur.
İki: Hidrojen Giderme İşleminin Genel Mühendislik Yöntemleri
Yukarıdaki zararları önlemek için, fiber gratinalar yazıldıktan hemen sonra genellikle termal tavlama stabilizasyon işlemi (Thermal Annealing) yapılır:
- Yazılmış gratinalar sabit sıcaklıkta bir fırına yerleştirilir (örneğin, $80
esión ^\circ\text{C}$ ila $120
esión ^\circ\text{C}$ arasında onlarca saat boyunca). - Yüksek sıcaklık, reaksiyona girmemiş serbest hidrojen moleküllerinin fiberden hızlı ve tam olarak yayılmasını sağlar.
- Aynı zamanda, termal tavlama, ultraviyole maruziyetin neden olduğu bazı kararsız geçiş kırılma indisi değişikliklerini erken ortadan kaldırarak, uzun vadede son derece kararlı spektral özellikler, merkezi dalga boyu ve yansıtma değerlerine sahip yüksek kaliteli fiber gratinalar elde edilmesini sağlar.
Üç: Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) ile İlgili Grating Ürün Teknolojisi
Grating yazma ve tavlama işlemleri için Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®), farklı fiziksel üretim süreçlerine sahip iki tür çıplak grating ürünü sunmaktadır:
1. Geleneksel UV lazer yazım gratinaları (hidrojen yüklemesi ve hidrojensizleştirme gerektirir)
Bu tür gratinalar, geleneksel UV ışık maskesiyle aydınlatma yöntemiyle yazılır. Yazmadan önce fiberin yüksek basınçlı hidrojen yüklemesinden geçmesi gerekir ve yazıldıktan sonra uzun vadeli çalışma sırasında dalga boyu kararlılığını sağlamak için hidrojensizleştirme ve termal tavlama stabilizasyon işlemi yapılmalıdır. Son olarak poliamit gibi malzemelerle yeniden kaplanır.
OFSCN® Polyamide Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare)
2. Femtosaniye lazer doğrudan yazım gratinaları (hidrojen yüklemesi ve hidrojensizleştirme gerektirmez)
Hidrojen yüklemesi ve hidrojensizleştirme işlemlerini ve kaplama tabakasının soyulmasından kaynaklanan mekanik mukavemet hasarını tamamen önlemek isterseniz, femtosaniye lazer doğrudan yazım gratinalarını tercih edebilirsiniz. Femtosaniye lazer, çok yüksek anlık gücü sayesinde çoklu foton doğrusal olmayan emilim yoluyla malzemenin kırılma indisini doğrudan değiştirir. Yazmadan önce hidrojen yüklemesi gerektirmez, bu nedenle fiziksel kaynakta kalan hidrojenin kaçması ve hidroksil kaybı sorununu ortadan kaldırır ve doğal olarak uzun vadeli dalga boyu kararlılığı ve son derece yüksek sıcaklık dayanımı sunar.
OFSCN® Standard Femtosaniye Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare)
