一种测量ArF准分子激光器腔内温度的光纤光栅传感器

摘要

本发明公开了一种精确测量ArF准分子激光器腔内温度的光纤光栅传感器，包括：由再涂覆后的光纤光栅传感头(1)、连接在光纤光栅传感头(1)一端的传输光纤(2)，以及充满不锈钢管(5)内部的导热胶(3)组成的光纤光栅传感元；可插入待测腔体的、封装光纤光栅传感元的表面镀镍的不锈钢管(5)；设置在不锈钢管(5)周圈的固定环臂(6)、固定环臂(6)上的固定螺孔(7)，和固定环臂(6)内侧的密封圈(10)；设置在不锈钢管(5)开口顶端的光缆衔接管(4)、开口顶端凸出的出线管(9)，和出线管输出的光缆(8)。本发明可用于高压、强腐蚀性环境下温度的测量，可靠性高，寿命长。

说明书

技术领域

本发明涉及一种ArF准分子激光器，尤其涉及一种实时监测ArF准分 子激光器腔内温度的光纤光栅传感器，属于光纤传感领域。

背景技术

在ArF准分子激光器中，作为激光工作增益介质的气体存在最佳温度 范围，在该温度范围内，激光器具有较高的能量转换效率和输出能量稳定 性，所以输出激光的性能在一定程度上取决于放电腔的工作温度。而在准 分子激光器工作时，高压气体放电及风机运转等会引入大量废热，导致腔 内温度升高，若不能采取有效的散热措施，会导致激光输出质量下降，激 光器能量转换效率和稳定性也会受到很大影响。因此需要对腔内温度进行 实时监测以便采取相应措施进行温控(如：确定散热器的安放位置和散热 量)。但是，由于工作气体F²具有强腐蚀性，常规的测温方法都不再适用。

目前测量准分子激光器腔内温度大多依靠表面镀镍的铂热电阻实现， 测量灵敏度较低，受外界因素影响较大，且多点测温时，各点都要安放感 应装置、控制装置等，设备复杂，系统庞大。光纤光栅作为一种波长选择 反射器，反射光波长会受环境变化的影响从而产生移动，利用这一特性可 以精确的探测温度、应力、位移等物理量，且本质安全、重量轻、体积小、 抗电磁干扰、抗高温、抗高压、灵敏度高，已被成功应用于建筑、隧道、 梯坝、电网、油罐等生产生活的诸多领域。

利用光纤光栅进行ArF准分子激光腔内温度测量时，由于腔内具有强 腐蚀性物质，且腔内压强较高，光纤光栅不能直接裸露接触，所以测试前 需要对光纤光栅进行一定的封装处理。

申请号为200410018765.4的中国发明专利中提到了一种光纤光栅温 度传感器及其制造方法，但是这种传感器金属腔的两端均直接用环氧树脂 等固化剂密封，无法用于高压、高腐蚀性环境。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明所要解决的技术问题是现有技术中的光纤光栅温度传感器无 法用于密封高压、强腐蚀性环境的问题。

(二)技术方案

本发明提供一种封装简单，无机械运动的长寿命的用于精确测量ArF准分 子激光器腔内温度的光纤光栅传感器。

本发明提供的光纤光栅传感器，用于精确测量激光腔内温度并实施相 应的热管理。本发明所述的热管理即对激光器腔内温度进行实时监控，从 而采取相应的温控冷却方案，以尽量避免各种热致激光输出质量、能量转 换效率和稳定性等的下降。

本发明提供的光纤光栅温度传感器能屏蔽压力等其他物理量，只单独 监测温度这一个物理量，以达到精确测量ArF准分子激光器腔内温度的目 的。

本发明提供的光纤光栅温度传感器体积小巧轻便，基本不会对所测环 境的气流场等产生影响。

本发明提供一种精确测量ArF准分子激光器腔内温度的光纤光栅传 感器，包括：表面镀镍的不锈钢管、再涂覆后的光纤光栅传感头、充满所 述不锈钢管内部的导热胶，所述光纤光栅传感头的一端连接传输光纤；由 所述光纤光栅传感头、与所述光纤光栅传感头一端连接的传输光纤以及充 满不锈钢管内部的导热胶组成的光纤光栅传感元；所述不锈钢管封装所述 光纤光栅传感元；

所述的不锈钢管一端不开口，另外一端开口供光纤信号导出，其中要 插入待测激光腔壳体的不锈钢管一端是不开口的，以抵抗激光腔内高压， 并隔离强腐蚀气体。

所述不锈钢管的开口端设置光缆衔接管以及顶端凸出的出线管。 在所述不锈钢管的周圈设置有固定环臂、固定环臂上设置有固定螺孔， 固定环臂内侧设置有密封圈。

所述构成光纤光栅传感头的光敏光纤是再涂覆结构，其制作过程为： 首先在去除涂覆层的裸光敏光纤上刻写光纤光栅，然后利用涂覆液对其进 行再涂覆，以增强其机械性能并保护光栅不与外界直接接触。

所述光纤光栅传感头的一端与传输光纤是通过熔接而连接。

所述不锈钢管为表面镀镍的耐氟材料，厚度为2mm以上，管外径略 小于激光腔壳体所预留的测量孔直径，管内径尺寸足够放置光纤光栅及导 热硅胶。

所述不锈钢管不开口一端插入待测激光腔壳内后，所述固定环臂、固 定螺孔用于将传感器与激光腔壳体固定，其中激光腔壳体上有与固定螺孔 对应的固定螺纹。

所述密封圈为耐氟橡胶材料，缠绕于固定环臂内侧并置于固定环臂和 激光腔壳体之间，以便密封激光腔壳体，防止腔内高压有毒气体泄露。

本发明设计的传感器中，不锈钢管隔离了强腐蚀性物质，并屏蔽了外 界压力等的影响，所测结果仅为温度量，增加了测量的精准性；体积小巧 轻便，基本不会对所测环境的气流场等产生影响；并且光纤光栅处于自由 状态，这样使得光纤光栅传感头不含有复杂的机械传动机构，使得本发明 的传感器可靠性高，寿命长。

根据需要，可在腔体多处放置多个本发明提供的光纤光栅传感器，以 监测多点温度；

本发明也可用于监测其余各种具有腐蚀性的气体的气体激光器的腔 内温度。

(三)有益效果

1.本发明针对当前激光器放电腔测温的不足，将传统的铂热电阻测 温改进为利用光纤光栅波长漂移精确监测腔内温度，并利用特殊封装抵抗 F₂腐蚀、屏蔽应力等其他变化量以提高腔内测温精度，多点测温时可以利 用同一套监测设备测试所有波长变化。

2.本发明由于光纤光栅监测温度基于其传感信号的波长变化，可以 避免光源起伏、探测器老化等因素的影响，保证测量稳定性和可靠性。

3.本发明可以借助光波分复用(WDM)技术，利用具有不同中心波长 的光纤光栅传感头、相应波长的光纤波分复用器(将不同波长的光信号组 合起来)和光纤解复用器(将组合波长的光信号分开)对激光腔内温度进 行分布式多点测温。

4.本发明还适用于利用光纤光栅传感头对其他具有腐蚀性气体的激 光腔内温度测量。

附图说明

图1为本发明的光纤光栅传感器的整体结构立体图；

图2为本发明的光纤光栅传感器的整体结构侧视图；

图3为本发明的光纤光栅传感器的光纤传感头的示意图；

图4为光纤光栅传感器的温度变化曲线图。

其中：

1：光纤光栅传感头        2：传输光纤

3：导热胶                4：光缆衔接管

5：不锈钢管              6：固定环臂

7：固定螺孔              8：光缆

9：出线管                10：密封圈

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实 施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明的主要目的在于提供一种能精确测量ArF准分子激光器腔内 温度的传感器。其实现方式主要在于将特殊封装后的光纤光栅置于待测激 光腔内，并根据中心波长的变化得出腔内的精确温度。

如图1、图2所示，本发明提供一种精确测量ArF准分子激光器腔内 温度的光纤光栅传感器，包括：表面镀镍的不锈钢管5、再涂覆后的光纤 光栅传感头1、充满所述不锈钢管5内部的导热胶3，所述光纤光栅传感 头1的一端连接传输光纤2；由所述光纤光栅传感头1、与所述光纤光栅 传感头1一端连接的传输光纤2以及充满不锈钢管5内部的导热胶3组成 光纤光栅传感元；所述不锈钢管5封装所述光纤光栅传感元；所述的不锈 钢管5一端不开口，另外一端开口供光纤信号导出，其中要插入待测激光 腔壳体的不锈钢管一端是不开口的，以抵抗激光腔内高压，并隔离强腐蚀 气体。

所述不锈钢管5的开口端设置光缆衔接管4以及顶端凸出的出线管9。 在所述不锈钢管5的周圈设置有固定环臂6，固定环臂6上设置有固定螺 孔7，固定环臂6内侧设置有密封圈10。

不锈钢管5为表面镀镍的耐氟材料，厚度为2mm以上，以便能够承 受激光腔内高压而不变形；不锈钢管5的外径取5mm，略小于激光腔壳体 所预留的测量孔直径5.5mm，管内径尺寸取1mm，管内沿轴向放置光纤 光栅传感头1及导热胶3；不锈钢管5要插入待测激光腔壳体内的一端(光 纤光栅传感头1一侧)不开口，以抵抗激光腔内高压，并隔离强腐蚀气体， 另外一端开口供光纤信号导出。

待测激光腔壳体上有与固定螺孔7对应的固定螺纹，所述光纤光栅传 感器与待测激光腔壳体即通过固定螺孔7与激光腔壳体上对应的固定螺纹 固定。密封圈10为耐氟橡胶材料，置于固定环臂7和待测激光腔壳体之 间，以便密封激光腔壳体，防止腔内高压有毒气体泄露。

光缆衔接管4恰好卡紧在不锈钢管5内，用于固定传输光纤2一端， 并衔接出线管9，出线管9质地柔软，用于保护不锈钢管5端口处的光纤， 使其免受拉扯损伤。

上述光纤光栅传感器在安装时，需将不锈钢管5的放置有光纤光栅传 感头1的一侧全部没入待测激光腔内，并利用固定环臂6、固定螺孔7、 固定环臂6内侧的密封圈10将整个所述光纤光栅传感器与激光腔壳体固 定密封。其中所述光纤光栅传感器与激光腔壳体通过固定螺孔7与激光腔 壳体上对应的固定螺纹固定；密封圈10为耐氟橡胶材料，缠绕于固定环 臂6内侧，并置于固定环臂6和待测激光腔壳体之间，以便密封激光腔壳 体，防止腔内气体泄露。

图3为光纤光栅传感头1的示意图。如图3所示，光纤光栅传感头1 的一端连接传输光纤2。所述光纤光栅传感头1用于测量待测激光腔内气 体温度。

光纤光栅作为温度传感器的基本原理如下：

$\frac{\Delta {\lambda }_B}{{\lambda }_B}=(\frac{1}{L}·\frac{\mathrm{dL}}{\mathrm{dT}}+\frac{1}{n}·\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dT}})\mathrm{\Delta T},$

其中，L为布拉格光栅FBG长度，n为折射率，λ_B为布拉格中心波 长，ΔT为温度改变量，Δλ_B为布拉格中心波长改变量。可见，FBG在受 温度变化影响时，布拉格光栅中心波长发生变化。利用这个公式即可通过 FBG反射中心波长随温度漂移的特性，测试准分子激光腔内温度。

本发明的光纤光栅传感头1使用的是光敏光纤。所述光纤光栅传感头 1的光敏光纤是经过再涂覆的，其制作过程为：首先在去除涂覆层的裸光 敏光纤上刻写光纤光栅，然后利用涂覆液对其进行再涂覆，以保护光栅不 与外界直接接触且增强其机械性能。

所述光纤光栅传感头1对激光腔内气体温度进行测量，得到代表气体 温度的光纤信号，所述光纤信号为波长信号。所述波长信号通过所述传输 光纤2进行传输，所述传输光纤2贯穿光缆衔接管4，并由出线管9伸出， 之后所述传输光纤2被保护在光缆8内继续传输所述波长信号。

图4为光纤光栅传感器温度变化曲线图。如图4所示，光纤光栅传感 元的反射波长改变值是温度的函数，由此可以根据反射波长的具体数值获 得被测环境的温度。光纤光栅传感头1测量得到的波长信号通过传输光纤 2传输之后，本领域普通技术人员可以利用现有技术中惯用的多种技术手 段得到该波长信号的数据，并将该波长信号的数据与图4进行比对，即可 获知待测激光腔内气体的温度。所述得到传输光纤2所传输的波长信号的 数据的方式为本领域的现有技术，本领域普通技术人员可以根据需要或基 于方便性的考虑，采取多种现有的技术手段，得到所述波长信号的数据， 在此不做赘述。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行 了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已， 并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、 等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。