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飞秒激光制备FBG布拉格光栅的技术和应用优势,engionic Femto Gratings GmbH

作者:维尔克斯  时间:2024-2-23 11:09:52

光纤布拉格光栅传感器缩写为FBG传感器,它是一种使用范围最为广泛的光纤传感器。因为这种传感器可以抵抗应用环境的变化,可以自动过滤出所需要的波长,同时改变需要反射的光的波长,然后再通过测量光束波长就可以获得需要的信息。FBG光纤光栅的制作工艺分别有秒激光写入FBGFSG)、拉丝塔光栅(DTG)、剥离和重涂技术,其中FSG飞秒激光写入的制作工艺优势最大,在这种制作工艺下,它有着耐高温、拉伸强度高、分辨率高、散射率低的特点。除了FSG本身的技术优势,engionic Femto Gratings GmbH公司还具有相当的生产优势,自动化程度高、能大规模生产,可以满足客户的大批量定制要求,效率和生产质量高,成本较低。

通过全息干涉法或者相位掩膜法将一小段光敏感的光纤暴露在一个特定光强周期分布的光波下面,这样光纤的光折射率就会根据其被照射的光波强度而永久改变。这种方法造成的光折射率的周期性变化就叫做光纤布拉格光栅。光纤布拉格光栅是一种微观结构,通常长度为几毫米,可以刻在光纤纤芯中。纤芯内的折射率沿其长度变化,从高折射率到低折射率。折射率的调制使光纤布拉格光栅的行为类似于反射某些波长并透射其他波长的镜子。

光纤布拉格光栅反射的波长取决于光纤内低折射率区域和高折射率区域之间的间距。两个高折射率区域之间的距离称为“光纤布拉格光栅周期”。折射率的调制可以是稳定的周期性变化,也可以是可变的“准周期性”变化。如果光纤布拉格光栅包含具有不同周期的区域,则单根光纤可以包含多个“镜子”,从而导致不同波长的光从光纤的不同位置反射。光纤布拉格光栅的周期沿光纤长度平滑变化,称为“啁啾”光纤布拉格光栅,可以具有精心设计的周期轮廓。

当一束广谱的光束被传播到光纤布拉格光栅的时候,光折射率被改变以后的每一小段光纤就只会反射一种特定波长的光波,这个波长称为布拉格波长。这种特性就使光纤布拉格光栅只反射一种特定波长的光波,而其它波长的光波都会被传播。


因为布拉格波长是光栅之间的间隔长度的函数,所以光纤布拉格光栅可以被生产为具有不同的布拉格波长,这样就能够使用不同的光纤布拉格光栅来反射特定波长的光波。应变和温度变化导致波长变化,该变化在相对线性的大区间内由此可以测量各种衍生变量,如压力、曲率或加速度。

目前有三种光纤光栅工艺:飞秒激光写入(Fs-Laser-Written FBGFSG)、拉丝塔光栅(Draw Tower FBGDTG)、剥离和重涂技术(Strip and Recoat FBG)。


三种光纤光栅工艺相比,飞秒激光写入光栅技术在各方面都具有明显的优势。与传统光纤布拉格光栅相比,engionic Femto Gratings GmbH采用飞秒激光写入制造的II型光栅可承受高达1,000°C的温度,而紫外光刻光栅在250°C时光栅就会淡化;与拉丝塔光栅相比,低偏振 (0-5pm) 可实现高分辨率测量,散射损耗非常低 (< 0.2dB),II型光栅反射率明显更高,光纤成本更低;与剥离和重涂技术相比,飞秒激光写入光纤光栅的拉伸强度显著提高;由于传感器间距紧凑,在三种工艺生产的光纤光栅中II型光栅的空间分辨率最高(最小光纤光栅距离 2mm),此外,II型光栅还有高性价比的多点/传感器阵列生产、可直接写入客户特定的光纤等优势。

技术

飞秒激光写入光纤光栅FSG

拉丝塔光纤光栅DTG

剥离和重涂光纤光束

光纤

标准/特种纤维(聚酰亚胺,丙烯酸酯)

有机改性陶瓷涂层

丙烯酸酯涂层为主,聚酰亚胺较难

无需掺杂(纯磁芯)

6μm芯需要非常高的掺杂量

标准掺锗纤维

阵列

波分/时分复用,WDM/TDM阵列组合

波长和准分布式阵列

线缆长度可达数公里,>2.000FBG

定位精度有限,反射率偏差大

阵列>5FBG废弃率高,不经济

耐久

工作温度高达1,000°C

250°C时涂层破坏

120°C丙烯酸酯涂层破坏

抗拉强度高,无涂层损伤,辐射环境耐久

高抗拉强度

剥离和重涂导致抗拉强度较弱

效率

高效的卷对卷生产

生产流程快速

生产流程依赖人工,效率低下

提供冗余制造系统

无生产冗余


engionic Femto Gratings GmbH公司是首家采用飞秒激光写入FBG技术制造光纤光栅的厂家,飞秒激光写入FBG技术采用了透过涂层直接刻写光栅的工艺,该工艺使用飞秒激光脉冲直接照射纤芯,从而避免破坏涂层。聚焦的高功率激光脉冲诱导改变光纤纤芯中玻璃材料的折射率是非线性的,该变化不受玻璃材料种类及掺杂度影响,所以飞秒激光写入技术可以在几乎任何类型的光学透明材料中以及通过各种纤维涂层(如丙烯酸酯、聚酰亚胺或碳)书写光纤布拉格光栅。在加工过程中,激光脉冲通过特殊光学元件引导,形成独特的干涉图案。此图案沿着标准光纤传输方向分布。此干涉图案改变了光纤线芯的指定位置的折射率,并呈栅格分布。此外,若将光纤沿其光信号传输方向平移,还可制作出所需FBG阵列。engionic Femto Gratings GmbH采用飞秒激光写入FBG技术制造的光纤光栅是II型光栅,可承受高达1000°C的温度,由于该工艺是透过纤维涂层加工,因此不需要剥离和重新涂层,从而令光纤具有出色的抗拉强度。

拉丝塔光纤光栅FBG的生产整合了光纤拉丝和光栅刻写的工艺。下图展示了拉丝塔工艺生产光纤光栅的流程。输入的材料是玻璃预制棒。在加热玻璃预制棒后,开始拉伸和形成光纤。在接下来的生产过程中,光纤穿过激光器和干涉仪的光轴。此干涉仪用于产生周期性的紫外光,从而对光纤进行光栅刻写。通过使用脉冲选择器来控制拉丝速度,光纤中可以精确定位FBG。完成光栅写入后,光纤进入涂层容器进行涂覆,之后进行涂覆固化过程。

最后,自动标记器会自动标记光纤布拉格光栅(FBG)的位置信息,并将光纤绕到卷筒上,完成整个生产过程。这种拉丝、刻写和涂覆同步进行的光栅生产工艺确保了能够生产出高强度的光栅链。该工艺不必按照传统方法对光栅涂层进行剥离并重新涂覆,故可在拉丝塔光栅生产过程中可以保持光纤的原始强度。

拉丝塔光栅是通过使用将光纤的拉丝与光栅的写入相结合的工艺生产的。在生产过程中,光纤穿过激光器和干涉仪或相位掩模的光轴,产生周期性的紫外光干涉图案,以写入光栅。使用脉冲选择器并考虑拉伸速度,光纤布拉格光栅可以在光纤中以一定的最小间距定位。涂层在写入光栅之后覆盖。

最后一种方法是剥离和重涂技术,在制造光栅时,必须去除光纤的涂层,以便使用紫外激光和相位掩模刻入光纤布拉格光栅。在刻写完成后,重新覆盖涂层。

engionic Femto Gratings GmbH(原FemtoFiberTec GmbH公司)成立于2013年,是全球第一家飞秒激光写入布拉格光纤光栅(FBG)的商业供应商。engionic Femto Gratings GmbH为用户提供全新维度的 FBG 传感器技术,适用于各种工业和医疗应用。由于是首家采用飞秒光栅工艺的厂家,因此engionic Femto Gratings GmbH在飞秒光纤光栅制造方面积累了许多优势。与其他传感技术相比,飞秒光纤光栅对电磁、静电或射频源有完全的抗干扰性,适用于具有极端温度稳定性的恶劣环境,多路复用技术允许在一根光纤中使用一个询问系统将数千个传感器,体积小,重量轻,易于集成到结构和材料中,以监测内部应变和温度。

除了飞秒光纤光栅的技术优势外,engionic Femto Gratings GmbH还具有全球领先的制造工艺的优势。engionic Femto Gratings GmbH具有全面的产品规格组合,可实现客户的定制要求,并将过程直接写入客户特定的纤维中,从而实现最高规格的多样性。由于定制生产设置具有高度自动化和大规模生产,并且与带状和重涂格栅相比,成本效益显着提高,因此效率最高;通过在线质量控制、报告和文档、在线应变测试和行业领先的交付周期实现最高质量。

对于经常出现的大批量光纤光栅需求,Femto开发了客户特定的生产工艺,以实现最大的生产效率。还可以制定具有明确效率目标的投资和开发计划,并在12个月内以行业领先的成本开始生产具有专用产能的大批量生产线。这种方法非常适合已成功完成开发和概念验证阶段并准备好占领大批量市场的应用。即使是技术要求苛刻的光纤光栅或光纤光栅阵列规格,Femto也可以实现工业化生产,Femto有能力为客户提供强大而持久的竞争优势和有保障的供应。


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