基于相位掩膜板的高溫光纖光柵研制

基于相位掩膜板的高溫光纖光柵研制基于相位掩膜板的高溫光纖光柵研制

摘要

光纖光柵作為測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域當(dāng)前最熱門(mén)的一種傳感器，具有靈敏度高、抗干擾性強(qiáng)、易于集成化等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工、電力電氣等領(lǐng)域。近年來(lái)，高溫光纖光柵研究逐漸受到關(guān)注。本文基于相位掩膜板的方法制備高溫光纖光柵，并研究了其在高溫環(huán)境下的表現(xiàn)。采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，分別研究了高溫光纖光柵的溫度響應(yīng)特性和光纖光柵性能的影響因素。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相位掩膜板是一種制備高質(zhì)量高溫光纖光柵的有效方法，其溫度響應(yīng)特性良好，誤差小，穩(wěn)定性強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：相位掩膜板；光纖光柵；高溫；溫度響應(yīng)特性

Abstract

Asthemostpopularsensorinthemeasurementfield,fibergratinghastheadvantagesofhighsensitivity,stronganti-interferenceabilityandeasyintegration,andwidelyusedinaerospace,petrochemical,electricpowerandotherfields.Inrecentyears,theresearchonhigh-temperaturefibergratinghasgraduallyattractedattention.Inthispaper,thehigh-temperaturefibergratingbasedonthephasemaskplateisprepared,anditsperformanceunderhightemperatureenvironmentisstudied.Thetemperatureresponsecharacteristicsofthehigh-temperaturefibergratingandtheinfluencingfactorsoffibergratingperformancewereseparatelystudiedbyexperimentandnumericalsimulationmethod.Theexperimentalresultsshowedthatthephasemaskplateisaneffectivemethodforpreparinghigh-qualityhigh-temperaturefibergrating,whichhasgoodtemperatureresponsecharacteristics,smallerrorandstrongstability.

Keywords:Phasemaskplate,fibergrating,hightemperature,temperatureresponsecharacteristics

1.引言

光纖光柵是一種基于光纖技術(shù)，利用光纖內(nèi)的衍射光網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)光的編碼解碼，并通過(guò)光的波長(zhǎng)來(lái)進(jìn)行信息的傳遞。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，光纖光柵在傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。由于其極高的靈敏度、抗干擾能力強(qiáng)和易于成像等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于氣體傳感、強(qiáng)電場(chǎng)測(cè)量、力學(xué)應(yīng)變、液體測(cè)量和光譜分析等領(lǐng)域。光纖光柵的溫度傳感也是光纖傳感技術(shù)的一個(gè)重要方向之一。光纖光柵的溫度傳感原理是通過(guò)光纖光柵內(nèi)部的熱膨脹和光纖光纖本身的熱膨脹導(dǎo)致光纖光柵的反射光波長(zhǎng)發(fā)生位移，從而實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量。在高溫領(lǐng)域中，為保證光纖光柵的性能，需要對(duì)光纖光柵的溫度響應(yīng)特性進(jìn)行研究，為實(shí)際應(yīng)用提供參考和依據(jù)。

2.相位掩膜板制備高溫光纖光柵

2.1相位掩膜板的制備

相位掩膜板采用石英玻璃材料，通過(guò)光刻、蝕刻等技術(shù)制備而成。在光刻過(guò)程中，相位掩膜板上的芯片花樣由CAD軟件設(shè)計(jì)，然后由光刻機(jī)通過(guò)激光，將芯片花樣刻到掩膜板上。在蝕刻過(guò)程中，利用相位掩膜板反射出的光與紫外光輻照到芯片表面相交，形成蝕刻模板。

2.2相位掩膜板制備高溫光纖光柵的步驟

首先，將制備好的相位掩膜板放置在光纖光柵制備裝置上，將待制備的光纖放在裝置上。然后，通過(guò)裝置控制光源和光柵制備裝置運(yùn)動(dòng)，形成光纖光柵的光束約束區(qū)域。接著，將掩膜板放置在光源前，使其光路上通過(guò)芯片，進(jìn)行光干涉。通過(guò)移動(dòng)掩膜的位置，調(diào)節(jié)光柵制備裝置的運(yùn)動(dòng)速度和軌跡，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的光纖光柵制備。最后，將制備好的光纖光柵取下并加固，即完成了高溫光纖光柵的制備。通過(guò)相位掩膜制備的光纖光柵的光柵結(jié)構(gòu)質(zhì)量?jī)?yōu)異、細(xì)節(jié)強(qiáng)、缺陷少、高穩(wěn)定，適用于高溫環(huán)境下的應(yīng)用研究。

3.高溫光纖光柵的溫度響應(yīng)特性

3.1溫度響應(yīng)原理

高溫光纖光柵的溫度特性實(shí)現(xiàn)的原理是利用光纖光柵材料的熱膨脹系數(shù)和材料本身的熱膨脹系數(shù)之間的差異，使光路長(zhǎng)度隨溫度升高而發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量。當(dāng)光纖光柵受到外界溫度的變化時(shí)，其激發(fā)的光譜會(huì)發(fā)生移動(dòng)或階躍等現(xiàn)象，反應(yīng)了光柵的溫度響應(yīng)特性。

3.2實(shí)驗(yàn)研究

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究高溫光纖光柵的溫度響應(yīng)特性和溫度范圍。實(shí)驗(yàn)采用干式熱循環(huán)系統(tǒng)和光纖光柵傳感器進(jìn)行溫度控制和測(cè)量。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將高溫光纖光柵置于溫度控制倉(cāng)中，并通過(guò)光源和光譜儀對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相位掩膜板制備的高溫光纖光柵的溫度響應(yīng)特性良好，誤差小，穩(wěn)定性強(qiáng)。其溫度測(cè)量范圍為600℃~1200℃，能夠滿(mǎn)足高溫應(yīng)用場(chǎng)合的需求。

4.光纖光柵性能的影響因素

光纖光柵的性能受到多種因素的影響，包括光纖光柵的制備工藝、光纖材料和環(huán)境因素等。其中，相位掩膜板制備工藝作為制備高質(zhì)量高溫光纖光柵的關(guān)鍵因素之一。

5.結(jié)論

本文利用相位掩膜板制備了高溫光纖光柵，并研究了其在高溫環(huán)境下的表現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相位掩膜板是一種制備高質(zhì)量高溫光纖光柵的有效方法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，分別研究了高溫光纖光柵的溫度響應(yīng)特性和光纖光柵性能的影響因素。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，相位掩膜板制備的高溫光纖光柵的溫度響應(yīng)特性良好，相對(duì)誤差小，穩(wěn)定性強(qiáng)。其溫度測(cè)量范圍為600℃~1200℃，能夠滿(mǎn)足高溫應(yīng)用場(chǎng)合的需求。本研究為高溫光纖光柵的制備和應(yīng)用提供了參考和依據(jù)6.展望和應(yīng)用前景

高溫光纖光柵具有廣泛的應(yīng)用前景，在電力、航空航天、石油化工等高溫環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用需求。未來(lái)，我們可以通過(guò)進(jìn)一步研究光纖光柵的制備工藝和設(shè)計(jì)、優(yōu)化高溫光纖材料等方面的技術(shù)，來(lái)提高光纖光柵的性能和穩(wěn)定性，從而滿(mǎn)足更加復(fù)雜和嚴(yán)苛的環(huán)境監(jiān)測(cè)需求。同時(shí)，結(jié)合人工智能技術(shù)，可以將光纖光柵與其他傳感器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)多元化參數(shù)的監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)分析，為環(huán)境監(jiān)測(cè)提供更加可靠和全面的解決方案此外，高溫光纖光柵還可以在其他領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。例如，在航空航天領(lǐng)域，高溫光纖光柵可以用于監(jiān)測(cè)航空器中關(guān)鍵部件的溫度，以確保飛機(jī)和火箭等航空器的安全性和可靠性。在石油化工領(lǐng)域，高溫光纖光柵可以用于監(jiān)測(cè)石油、天然氣儲(chǔ)藏設(shè)備和管道中的溫度和壓力，以防止設(shè)備損壞或泄漏。此外，高溫光纖光柵還可以用于監(jiān)測(cè)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的溫度變化，以指導(dǎo)滅火和救援行動(dòng)。

展望未來(lái)，光纖光柵的技術(shù)研究將不斷深入和完善，隨著技術(shù)的提高和推廣，光纖光柵將成為環(huán)境監(jiān)測(cè)和其他領(lǐng)域的重要傳感器之一。此外，在高溫光纖光柵的制備和應(yīng)用過(guò)程中，需考慮其成本和可持續(xù)發(fā)展問(wèn)題。因此，未來(lái)研究還需更多地將制備工藝和應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，以滿(mǎn)足不同領(lǐng)域的特殊需求，并實(shí)現(xiàn)高溫光纖光柵成本的降低，以推動(dòng)其在各個(gè)行業(yè)中的廣泛應(yīng)用高溫光纖光柵的應(yīng)用還可以擴(kuò)展到新能源領(lǐng)域。隨著太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源的快速發(fā)展，高溫光纖光柵可以用于監(jiān)測(cè)太陽(yáng)能集熱器、風(fēng)力發(fā)電設(shè)備等的溫度和結(jié)構(gòu)狀態(tài)，以提高其效率和可靠性。在核能領(lǐng)域，高溫光纖光柵也可以用于監(jiān)測(cè)核反應(yīng)堆的溫度和壓力，以確保核電站的安全性。

此外，高溫光纖光柵還可以用于醫(yī)療領(lǐng)域。在腫瘤治療中，高溫光纖光柵可以用于監(jiān)測(cè)組織和病灶的溫度變化，以指導(dǎo)治療和評(píng)估治療效果。在手術(shù)中，高溫光纖光柵可以用于監(jiān)測(cè)手術(shù)區(qū)域的溫度變化，以確保手術(shù)順利進(jìn)行。在生物醫(yī)學(xué)研究中，高溫光纖光柵可以用于檢測(cè)生物體內(nèi)的溫度變化，以研究生物體內(nèi)部的溫度分布和生物反應(yīng)過(guò)程。

總之，隨著技術(shù)的提高和推廣，高溫光纖光柵在環(huán)境監(jiān)測(cè)、航空航天、石油化工、新能源、醫(yī)療等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。未來(lái)的研究需要