Волоконно-оптические датчики температуры на основе решеток показателя преломления (стр. 2 из 3)

Рис. 5. Схемы записи брэгговских решеток в интерферометрах с амплитудным (а) и пространственным (б) разделением пучка УФ-излучения.

Указанные типы интерферометров обладают гибкостью в выборе параметров (период, длина) записываемых решеток, однако требуют высокую пространственную и временную когерентность записывающего излучения.

Запись ВБР через фазовую маску (рис 6.) значительно снижает требования к когерентности УФ излучения, поэтому часто применяется с использованием недорогих эксимерных лазеров. В этом методе реализуется интерференция между первым и минус первым дифракционными порядками излучения, прошедшего через фазовую маску. Маска изготавливается из прозрачного в ультрафиолетовой части спектра кварцевого стекла и имеет определенный рельеф обращенной к световоду поверхности. Рельеф выполнен таким образом, чтобы подавить нулевой и другие порядки дифракции, кроме первого и минус первого, и обеспечить тем самым высокий контраст интерференционной картины (рис.6а). Изготавливаемые в настоящее время фазовые маски позволяют записывать структуры ВБР, имеющие переменные по длине период и амплитуду модуляции ПП. Вместе с тем жесткая фиксация возможных параметров ВБР на стадии изготовления маски является одним из основных недостатков указанной схемы.

Рис. 6. Схемы записи брэгговских решеток с помощью фазовой маски: прямая запись (а), запись в интерферометре Тальбота (б).

Механизмы фотоиндуцированного изменения ПП в кварцевом стекле до сих пор недостаточно прояснены даже для наиболее изученных стекол, легированных диоксидом германия (GeO2). Однако известно, что для германосиликатного стекла фотовозбуждение германиевых кислородно-дефицитных центров (ГКДЦ) играет инициирующую роль для последующей трансформации сетки стекла, которая сопровождается изменением его ПП. В спектре поглощения германосиликатного стекла доминируют две полосы с максимумами 242 и 330 нм, приписываемые синглет-синглетному и синглет-триплетному поглощению ГКДЦ соответственно [2].

Фотовозбуждение синглетной полосы осуществляется излучением KrF эксимерного лазера (248 нм), второй гармоники аргонового лазера (244, 257 нм), четвертой гармоники Nd3+:YAG лазера (266 нм) или второй гармоники лазеров на красителях [5]. Эти источники излучения, как правило, и используются для записи решеток ПП.

4.1 Фоточувствительные составы стекол

Величина наведенного ПП в сердцевине волоконного световода зависит от многих факторов, таких как метод и условия изготовления самого световода, тип и концентрация легирующих элементов, длина волны, интенсивность и тип (импульсный или непрерывный) облучения.

К сожалению, фоточувствительность стандартных телекоммуникационных световодов с концентрацией германия 3 - 5 мол. % недостаточно высока для эффективной записи в них решеток ПП. Даже при длительном облучении наведенный ПП в таких световодах не превышает 5·10-5. В связи с этим значительные усилия были предприняты в поисках способов повышения этой величины. В частности, было показано, что фоточувствительность германосиликатных световодов увеличивается с ростом концентрации диоксида германия в сердцевине, что главным образом связано с ростом концентрации ГКДЦ при увеличении степени легирования стекла германием. Обычно величина поглощения на 242 нм пропорциональна концентрации германия с коэффициентом пропорциональности 10¸40 дБ/(мм·мол.% GeO2). Заметное повышение концентрации ГКДЦ может быть также достигнуто при синтезе заготовки волоконного световода в условиях дефицита кислорода, например, при замене его азотом или инертными газами. Такой подход позволяет повысить фоточувствительность, сохранив при этом волноводные свойства световода.

К числу химических элементов, увеличивающих фоточувствительность световодов при совместном легировании с германием, относятся бор, олово, азот, фосфор, сурьма. В ряде работ исследовались световоды, не содержащие германия, профиль ПП в них формировался легированием другими элементами [2]. Так, было обнаружено, что при облучении на длине волны 193 нм высокую фоточувствительность имеют световоды, легированные азотом, фосфором, серой, сурьмой.

4.2. Методы увеличения фоточувствительности волокна

Несмотря на то, что был предложен целый ряд составов, обладающих повышенной фоточувствительностью, как правило, волоконные световоды на их основе сложны в изготовлении и, кроме того, имеют материальные и волноводные характеристики, отличные от стандартных. Последнее обстоятельство часто приводит к дополнительным потерям на стыковку таких световодов со стандартными и некоторым другим сложностям при их использовании.

В этой связи значительный интерес представляло увеличение фоточувствительности уже изготовленных, в том числе стандартных световодов без значительного изменения их собственных характеристик. Оказалось, что насыщение сетки стекла водородом при высокой температуре, например в пламени горелки с высоким содержанием водорода, способно на порядок увеличить наведенный показатель преломления стандартных световодов. Такая обработка может быть выполнена на небольшом участке световода и обеспечивает повышенную фоточувствительность этого участка в течение длительного времени. Вместе с тем это приводит к значительному росту концентрации ОН групп в сетке стекла, которые имеют полосы поглощения в области 1.4 мкм. Кроме того, значительно уменьшается механическая прочность световода.

Существует принципиально другой способ водородной обработки, которая также существенно увеличивает фоточувствительность германосиликатных световодов. Этот способ заключается в насыщении сетки стекла молекулярным водородом при относительно низких температурах (~100 ºC). При таких температурах еще не происходит взаимодействие молекулярного водорода с сеткой стекла, и водород находится в стекле в физически растворенном состоянии. Для такого насыщения световод погружают в камеру с водородом при давлении ~100 атм. Коэффициент диффузии молекулярного водорода в кварцевом стекле достаточно высок и экспоненциально зависит от температуры. Практически полное насыщение световода (98% от максимального значения) при комнатной температуре достигается через две недели, а при температуре 100ºC - уже через 12 часов. Концентрация молекулярного водорода в сетке стекла при такой обработке достигает 2 - 3 мол. %. Световод, подвергнутый низкотемпературной водородной обработке, имеет повышенную фоточувствительность до тех пор, пока водород находится в сетке стекла. По мере обратной диффузии водорода в окружающую среду фоточувствительность уменьшается, возвращаясь к своему исходному значению, поэтому световод после водородной обработки следует хранить при пониженной температуре. Так, при Т = -20 ºC уменьшение концентрации водорода на оси световода в два раза происходит примерно через 2 месяца.

Описанный способ водородной обработки наиболее удобен для практического использования и позволяет индуцировать наведенный ПП в стандартных световодах, достаточный для большинства приложений (~10-2).

Полезное развитие описанной техники низкотемпературной водородной обработки было предложено в работе [8], где было показано, что облучение световода с растворенным водородом небольшой дозой УФ-излучения позволяет "заморозить" высокую фоточувствительность световода, то есть сохранить ее в течение длительного времени даже после выхода молекулярного водорода из световода. Таким образом, можно подготовить необходимые участки световода для последующей записи решеток, предварительно облучив их небольшой дозой. Оказалось, что такую предварительную обработку можно проводить не только на длине волны, на которой будет проводиться запись решеток, но и на других длинах волн в УФ-диапазоне, в том числе излучением ультрафиолетовой лампы.

Интересным методом является увеличение фоточувствительности с помощью механического растяжения световода при записи в нем решеток [1]. При этом наведенный ПП увеличивается в 3 - 4 раза при фиксированных параметрах облучения в сравнении с ненатянутым световодом, что позволяет сократить время записи решеток примерно на порядок. Недостаток - приложенные деформации имеют довольно большую величину (3% и более), что требует высокого качества поверхности световода и механической стабильности системы растяжения при записи. Кроме того, такие деформации значительно изменяют резонансную длину волны решетки, поэтому они должны быть учтены и заданы с высокой точностью, чтобы решетка после освобождения от механической нагрузки имела нужную длину волны.

Глава 4. Волоконно-оптический датчик точки росы

В качестве детектора образования конденсата в конденсационных датчиках точки росы обычно используют охлаждаемое зеркало, имеющее размеры порядка 1 см2. Для уменьшения размеров датчика, поверхности конденсации и упрощения конструкции можно использовать одномодовое оптическое волокно. Кроме того, это позволит вынести источник излучения и фотоприёмник за пределы зоны измерения. Наиболее простой вариант - гигрометр на эффекте изменения коэффициента отражения от границы раздела волокно - газ при образовании на сколе волокна конденсата.

4.1. Состав и принцип работы.

Анализируемый газ подаётся в камеру, в которой на охлаждаемом пьедестале находится чувствительный элемент, содержащий волоконный световод, который сколот под углом 90°, чтобы обеспечить максимальное обратное отражение вводимого в него оптического излучения ИК-диапозона. Программа регулятора снижает температуру в камере до тех пор пока чувствительный элемент не зафиксирует выпадение конденсата на поверхности скола волокна. После этого производится нагрев чувствительного элемента для удаления плёнки конденсата. Далее цикл измерений повторяется, причём в области, где выпадение росы было зафиксировано, скорость охлаждения сильно снижается. Это позволяет фиксировать температуру точки росы с большой точностью. Измерения температуры производятся закреплённым на охлаждаемом пьедестале калиброванным платиновым преобразователем сопротивления.