O que é o processo de recozimento? | What is the annealing process?

Centro Técnico Global OFSCN Base de Conhecimento Técnico OFSCN
1

Por que as grades recém-produzidas precisam ir primeiro para um forno de alta temperatura para “assar”?

2

O processo de submeter um FBG recém-produzido a um forno de alta temperatura para um curto ou longo período de cozimento antes de sair da fábrica ou de ser embalado é conhecido como Processo de Recozimento (Annealing Process) no campo da engenharia ótica e da sensagem por fibra ótica.

Isto não é apenas um processo essencial de “estabilização térmica”, mas também a chave para garantir a estabilidade a longo prazo das propriedades físicas e óticas do grating. Os seus mecanismos físicos centrais e princípios de engenharia gerais incluem principalmente as seguintes dimensões:

1. Eliminação de Níveis de Energia Metaestáveis e Defeitos Estruturais Instáveis (Centros de Cor)

Durante o processo de gravação do FBG (seja por método de máscara de laser ultravioleta \text{UV} ou por processo de escrita direta com laser de femtosegundo), a irradiação de pulsos de luz coerente de alta energia altera forçosamente a estrutura microscópica da sílica no núcleo da fibra, formando assim uma modulação periódica do índice de refração local.

  • Fenômeno Físico：Esta forte radiação introduz um grande número de defeitos de nível de energia metaestável no núcleo, como defeitos de centro de cor em estado excitado ou metaestável (por exemplo, defeitos \text{Ge}(1) e \text{Ge}(2) ).
  • Risco Potencial：Estas estruturas de defeitos metaestáveis são muito instáveis. Se forem usadas diretamente, mesmo à temperatura ambiente ou sob ligeiras flutuações de temperatura, estes defeitos reorganizar-se-ão e desaparecerão gradualmente devido à ativação térmica (chamada Decaimento Térmico, Thermal Decay). Isto fará com que a profundidade de modulação do índice de refração do núcleo \Delta n diminua continuamente com o tempo, manifestando-se como uma diminuição da refletividade do grating, um estreitamento da largura de banda de 3dB e até mesmo um desvio incerto do comprimento de onda central \lambda_B .

2. Obtenção de Estabilidade a Longo Prazo Através de “Envelhecimento Acelerado” Ativo (Modelo de Decaimento Térmico)

De acordo com o modelo de lei de potência de decaimento térmico de gratings de fibra proposto por estudiosos como Erdogan (que pode ser expresso pela fórmula 1 - \eta = A t^\alpha ), a taxa de decaimento da modulação do índice de refração é mais rápida na fase inicial após a conclusão da gravação do grating, e depois a taxa de decaimento diminui exponencialmente ou por lei de potência drasticamente com o tempo, aproximando-se finalmente de um estado plano de longo prazo estável.

  • Essência do Recozimento：Utilizar energia térmica superior à temperatura limite de trabalho subsequente para eliminar ativamente e antecipadamente os centros de cor instáveis e defeitos que ocorrem em níveis de baixa energia de ativação (fáceis de decair).
  • Efeito do Processo：Após o “cozimento” a alta temperatura, a refletividade geral do grating pode diminuir ligeiramente, mas os defeitos remanescentes são estruturas de nível profundo pertencentes a níveis de alta energia de ativação. Isto significa que durante o trabalho real a longo prazo subsequente (desde que não exceda a temperatura limite de recozimento), os parâmetros óticos deste grating estarão num período extremamente estável, com decaimento muito lento, perto de zero, evitando assim o desvio a longo prazo do comprimento de onda e da refletividade.

3. Libertação de Tensão Residual Térmica Local Induzida pela Gravação

A explosão de alta energia ou a absorção do laser produzirá altas temperaturas transientes locais dentro do vidro de quartzo, e após o arrefecimento instantâneo, ocorrerão tensões mecânicas e térmicas locais. Através do recozimento a alta temperatura, a matriz de vidro pode relaxar a nível molecular local, libertando e homogeneizando eficazmente esta tensão residual local. Isto não só ajuda a estabilizar as características de polarização do grating, mas também melhora a resistência à fadiga mecânica do grating nu, prevenindo microfissuras ou até mesmo fraturas da fibra em medições de tensão ou deformação a longo prazo.

Aplicação Prática dos Gratings de Alta Temperatura e Processo de Recozimento OFSCN® (Dacheng Yongsheng)

Em aplicações industriais de alta temperatura e alta precisão, a precisão do processo de recozimento e o controlo da zona de temperatura limite determinam a qualidade geral do sensor. Vários produtos centrais da Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. executaram rigorosamente este procedimento de processamento térmico de precisão:

1. Gratings Nus / Cordas de Gratings Nus de Femtosegundo

Por exemplo, os OFSCN® Polyimide Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare), a sua versão de femtosegundo, após tratamento especial pelo processo Dacheng Yongsheng (ou seja, tratamento de recozimento de alta temperatura extremamente rigoroso), a gama de temperatura operacional limite pode atingir de -270\ ^\circ\text{C} a 800\ ^\circ\text{C} . Através deste processo especial de recozimento, o efeito de decaimento térmico a 800\ ^\circ\text{C} de alta temperatura foi eliminado com sucesso.

2. Sensores de Temperatura de Grating de Fibra de Alta Temperatura

A série de sensores de temperatura de alta temperatura encapsulados em tubos de aço inoxidável sem costura produzidos pela Dacheng Yongsheng, antes da sua calibração de fábrica, devem passar por vários ciclos de tratamento térmico a temperaturas extremas para alívio de tensões e recozimento, para garantir a sua estabilidade de medição a longo prazo e a precisão da sua fórmula de calibração de alta precisão (binomial):

Em resumo, “assar” um grating recém-produzido num forno de alta temperatura é, na verdade, utilizar um decaimento controlável, ativo e antecipado, em troca de estabilidade física e estrutural ótica absoluta e a longo prazo em aplicações de engenharia futuras.