高温退火程式对光纤布拉格光栅热重生性能影响研究

摘要

光纤布拉格光栅(FBG)是一种广泛应用于光纤通信和传感领域的关键器件,具有灵敏度高、体积小及抗电磁干扰等诸多优点,但长时间工作在高温环境下其光栅特性会逐渐衰退甚至完全擦除,极大地限制了FBG在工业生产、石油电力、航空航天等一些特殊领域的应用。通过高温退火处理有望使FBG在高温擦除后重新生长出能在高温环境下稳定工作的热重生FBG(RFBG)。因此,研究高温退火程式对RFBG性能的影响具有重要意义。基于248 nm准分子激光器,以相位掩模法制作得到反射光谱中心波长为1548.5 nm、反射率为97.8%、3 dB带宽为0.36 nm的初始FBG,再利用高温管式炉对初始FBG进行高温退火处理,发现FBG在950℃时实现热重生,得到反射光谱中心波长为1546.7 nm、反射率为50.6%、3 dB带宽为0.19 nm的RFBG;进一步研究发现,在950℃实现高温热重生后退火程式对RFBG性能有很大影响,对RFBG采用急速冷却、缓慢冷却和自然冷却以及氩气气氛下自然冷却4种方式进行退火处理并与初始光栅进行对比,结果发现采用急速冷却方式处理的RFBG机械性能最佳,其保留了初始光栅约50%的机械强度,优于缓慢冷却、自然冷却处理仅分别保留初始光栅22.2%和29.9%机械强度的RFBG,并发现在氩气中进行退火处理有利于RFBG机械强度的提升,同样是自然冷却,在氩气气氛中退火得到的RFBG保留了初始光栅43%的机械强度。进一步对采用急速冷却方式处理的RFBG进行热循环、热稳定性等测试。结果表明,RFBG在150~1050℃内三次加热循环结果完全重叠,温度灵敏度为16.30 pm·℃^(-1),温度灵敏度相关系数R^(2)为0.99538,且在800℃温度下进行热稳定性测试7 h,波长总漂移量仅为0.08 nm,表明所制备的RFBG具备良好的测温性能和稳定性。该研究工作为RFBG高温传感器的实用化和工程化应用提供了一定的理论与实验依据。