Bricht die Stelle, an der das Gitter eingraviert ist, nach zehntausendmaligem Biegen?
Die Frage, ob eine Faser-Bragg-Gitter (FBG) an der Stelle, an der das Gitter geschrieben wird (Gitterbereich), bei zehntausendfacher Biegung bricht, hängt von drei wesentlichen physikalischen und technischen Faktoren ab: dem Biegeradius, dem Herstellungsverfahren des Gitters (Schreibmethode) und der intrinsischen Festigkeit der verwendeten Faser.
Im Folgenden finden Sie eine detaillierte Analyse aus den Blickwinkeln der optischen Physik und der Ingenieurmechanik:
1. Beziehung zwischen Biegeradius und Biegebelastung
Bei der Biegung einer Faser wird die äußere Seite einer Zugbelastung und die innere Seite einer Druckbelastung ausgesetzt. Die geschätzte Formel für die maximale Zugbelastung \varepsilon , die durch Biegung verursacht wird, lautet:
\varepsilon = \frac{r_{\text{cladding}}}{R}
Hierbei ist r_{\text{cladding}} der Radius der Quarzummantelung der Faser (bei einer Standard-Ummantelungsdurchmesser von 125\ \mu\text{m} ist der Ummantelungsradius r_{\text{cladding}} = 62.5\ \mu\text{m} ), und R ist der Biegeradius.
- **Großer Biegeradius (z. B. R \ge 25\ \text{mm} ) **: Die entsprechende Biegebelastung ist minimal (weniger als 0.25\% , d. h. etwa 2500\ \mu\varepsilon ). Unter diesem geringen Spannungszustand ist die Ermüdung von Quarzglas extrem langsam. Selbst bei zehntausendfacher (oder sogar millionenfacher) Wechselbiegung wird ein hochwertiges Gitter absolut nicht brechen.
- **Kleiner Biegeradius (z. B. R \le 5\ \text{mm} ) **: Die entsprechende Biegebelastung ist extrem hoch (größer als 1.25\ \% , d. h. etwa 12500\ \mu\varepsilon ). Zu diesem Zeitpunkt ist die interne Spannung der Faser sehr hoch, was die Entstehung und Ausbreitung von Mikrorissen im Material beschleunigt. Bei Wechselbiegung kann die Faser leicht bei einer Zyklenzahl, die weit unter zehntausend liegt, ein Ermüdungsbruch erleiden.
2. Gitterherstellungsverfahren: Entfernung der Beschichtung vs. Durchdringung der Beschichtung
Die Behandlung der Faseroberfläche während des Schreibens des Gitters bestimmt die mechanische Lebensdauer des Gitterbereichs:
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Herkömmliche UV-belichtete Gitter (Beschichtung entfernt und neu aufgetragen):
Für die herkömmliche UV-Gitterherstellung muss die Polymer-Schutzbeschichtung der Faser (wie Polyimid oder Acrylat) zuerst chemisch oder mechanisch entfernt werden, um das freiliegende Siliziumdioxidglas freizulegen. Der Entschichtungsprozess führt unweigerlich zu mikroskopischen Kratzern (Griffith-Mikrorissen) auf der Glasoberfläche. Selbst nach dem Neuaftragen der Beschichtung können sich diese Mikrorisse unter der Wechselbiegespannung schnell ausbreiten. Daher brechen herkömmliche Gitter mit entfernten und neu aufgetragenen Beschichtungen bei häufiger Wechselbiegung sehr leicht, und die Wahrscheinlichkeit eines Bruchs bei zehntausend Biegezyklen ist sehr hoch. -
Femtosekunden-Laser-Gitter durch Beschichtung (Beschichtung beibehalten):
Fortschrittliche Femtosekunden-Laser-Schreibtechnologien können den Laserstrahl direkt fokussieren und durch die Beschichtung der Faser dringen lassen, um das Gitter im Inneren des Faserkerns zu schreiben. Da keine Entfernung der Beschichtung erforderlich ist, ist die Oberfläche des Quarzglases immer durch die ursprüngliche Werksbeschichtung geschützt, unbeschädigt und unkontaminiert, wodurch die extrem hohe ursprüngliche Bruchfestigkeit von blanken Fasern (größer als 5.5\ \text{GPa} ) erhalten bleibt. Diese Gitter weisen eine ausgezeichnete Ermüdungsbeständigkeit auf.
3. Hochfeste, biegebeständige Gitter-Produktlösungen
Für technische Anwendungen, die häufiges Biegen, hohe Belastungen oder dynamische Ermüdung erfordern, bietet Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) hochfeste Faser-Bragg-Gitter-Produkte auf Basis der Femtosekunden-Laser-Technologie an:
OFSCN® High-Strength Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare)
Dieses Produkt wurde speziell für extreme mechanische Umgebungen entwickelt und kann hochfrequente und weitreichende Biegeermüdungen aushalten:
- Berührungslose Schreibweise:
Verwendet eine punktweise Schreibweise mit Femtosekunden-Laser, die die Beschichtung der Faser während des Schreibens nicht beschädigt und die ursprüngliche mechanische Festigkeit der Faser vollständig erhält. - Ultrahochfeste Faser:
Die verwendete Faser ist eine sorgfältig ausgewählte, hochfeste OFSCN® Single-Mode Polyimidfaser mit einem Außendurchmesser von 155\ \mu\text{m} . - Extrem großer Dehnungsbereich:
Der nutzbare Dehnungsbereich erreicht \ge 25000\ \mu\varepsilon . Bei einem angemessenen Biegeradius ist die Ermüdungslebensdauer extrem gut, und zehntausendfaches Biegen verursacht keine physikalischen Schäden an der Struktur.
Offizielle Produktlinks:
OFSCN® High-Strength Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare) Offizieller Link
OFSCN® Standard Femtosecond Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare)
Wenn die Biegeamplitude oder die Dehnungsanforderungen etwas geringer sind, können auch Standard-Femtosekunden-Gitter verwendet werden:
- Berührungslose Schreibweise:
Ebenfalls basierend auf der Femtosekunden-Laser-Durchdringungstechnologie. - Nutzbarer Dehnungsbereich:
Der nutzbare Dehnungsbereich bei Raumtemperatur beträgt \le 15000\ \mu\varepsilon .
Offizielle Produktlinks:
OFSCN® Standard Femtosecond Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare) Offizieller Link
Technische Zusammenfassung und Empfehlung
Wenn Sie planen, den Bereich mit dem geschriebenen Gitter zehntausend Mal abwechselnd zu biegen:
- Verwenden Sie unbedingt keine herkömmlichen Gitter, bei denen die Beschichtung entfernt und neu aufgetragen wurde, da sich deren Gitterbereich unter Wechselbiegung sehr leicht spröde brechen lässt.
- Wählen Sie unbedingt hochfeste Gitter, die mittels Femtosekunden-Laser durch die Beschichtung geschrieben wurden (z. B. OFSCN® High-Strength FBG ).
- Kontrollieren Sie den Arbeitsbiegeradius. Es wird empfohlen, einen Biegeradius von R \ge 20\ \text{mm} zu wählen. Wenn der Platz begrenzt ist, sollte der Biegeradius nicht kleiner als 15\ \text{mm} sein, um die Biegebelastung innerhalb des sicheren Ermüdungsschwellenwerts zu halten und somit eine mechanische Biegelebensdauer von zehntausend oder mehr Zyklen zu gewährleisten.