RU2589447C1

RU2589447C1 - Method of making sensitive element of spectral deformation converter

Info

Publication number: RU2589447C1
Application number: RU2015110959/28A
Authority: RU
Inventors: Сергей Александрович Даниленко
Priority date: 2015-03-27
Filing date: 2015-03-27
Publication date: 2016-07-10

Abstract

FIELD: instrument making.

SUBSTANCE: invention relates to precision instrumentation and can be used in designing primary detecting elements of optical converters deformations spectral type. Disclosed method of making sensitive element of spectral converter of deformation on surface of elastic element is placed a non-photosensitive optical fibre and a layer of optically transparent non-photosensitive glass-ceramic material, assembly of elastic element, optical fibre and glass-ceramic material is placed in furnace, where metal-glass joint is soldered. Method then includes removing from furnace and cooling down at a rate of 5-8 °C/min in structure of non-photosensitive optical fibre coated with layer of hardened optically-transparent non-photosensitive glass ceramic material. In zone of maximum deformation of elastic element a Bragg grating is formed, and materials of structural components of sensitive element of spectral converter of deformation is selected with close values of thermal expansion factor.

EFFECT: technical result is simplification of technology of making sensitive element of spectral converter of deformation and high accuracy of spectral conversion.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области прецизионного приборостроения и может быть использовано при создании первичных чувствительных элементов оптических преобразователей деформаций спектрального типа.The invention relates to the field of precision instrumentation and can be used to create primary sensitive elements of optical strain transducers of spectral type.

При разработке и создании первичных чувствительных элементов спектральных преобразователей деформаций наиболее предпочтительным и перспективным элементом, выполняющим функцию спектрального кодирования величины деформации, является дифракционная решетка, представляющая собой периодическую структуру среды распространения излучения, обладающую определенными оптическими свойствами. Такая структура может быть сформирована известным способом внутри волновода (внутриволоконная решетка Брэгга) посредством лазерного облучения в ультрафиолетовом диапазоне длин волн. При этом используется свойство фоточувствительности материала волновода к интенсивному когерентному ультрафиолетовому излучению. Такая фоточувствительность материала волновода достигается за счет легирования кварцевой основы различными химическими элементами.When developing and creating the primary sensitive elements of strain spectral converters, the most preferable and promising element performing the function of spectral coding of the strain value is the diffraction grating, which is a periodic structure of the radiation propagation medium with certain optical properties. Such a structure can be formed in a known manner inside a waveguide (Bragg's intra-fiber lattice) by means of laser irradiation in the ultraviolet wavelength range. The property of photosensitivity of the waveguide material to intense coherent ultraviolet radiation is used. This photosensitivity of the waveguide material is achieved by doping the quartz base with various chemical elements.

Изготовление чувствительного элемента спектрального преобразователя деформаций включает в себя операцию по закреплению внутриволоконной решетки Брэгга на упругом элементе, воспринимающем воздействующую измеряемую деформацию. При этом необходима комплексная согласованность соединяемых материалов как по коэффициенту температурного расширения, так и по технологической совместимости. Деформации упругого элемента должны вызывать соответствующие деформации оптического волокна в области расположения брэгговской решетки, поэтому должно быть обеспечено их качественное закрепление, исключающее любую неоднозначность преобразования измеряемой деформации. Такая неоднозначность может быть вызвана наличием в области расположения брэгговской решетки паразитных напряжений в оптическом волокне, вызванных технологическими нагревами места соединения материалов.The manufacture of a sensitive element of the strain spectral transducer includes the operation of attaching the Bragg intra-fiber lattice to an elastic element that receives the measured strain. At the same time, a comprehensive consistency of the materials to be joined is required both in terms of the coefficient of thermal expansion and in technological compatibility. The deformations of the elastic element should cause the corresponding deformations of the optical fiber in the region of the Bragg grating, therefore, their high-quality fastening should be ensured, eliminating any ambiguity in the transformation of the measured deformation. Such an ambiguity can be caused by the presence in the region of the Bragg grating of parasitic stresses in the optical fiber caused by technological heating of the junction of materials.

Известен волоконно-оптический преобразователь деформации, содержащий по крайней мере одну волоконную решетку Брэгга, в котором оптическое волокно закреплено на упругом элементе в виде пластинки из монокристалла сапфира, или кремния, или кварца. Патент Российской Федерации на полезную модель №135119, МПК: G01D 5/353, 2013 г., аналог.Known fiber optic strain transducer containing at least one Bragg fiber lattice, in which the optical fiber is mounted on an elastic element in the form of a plate made of a single crystal of sapphire, or silicon, or quartz. Patent of the Russian Federation for utility model No. 135119, IPC: G01D 5/353, 2013, analogue.

Недостатком аналога является сложность изготовления преобразователя деформации. В местах расположения измерительных волоконных решеток Брэгга оптическое волокно с целью соответствия коэффициентов температурного расширения соединяемых элементов должно быть закреплено на упругой пластинке посредством стеклокристаллического материала (стеклоприпоя). Технология изготовления преобразователей деформаций, предполагающая закрепление волоконных решеток Брэгга на неметаллических или металлических подложках, с использованием стеклокристаллических материалов (или же металлических припоев), имеет трудности в реализации техпроцесса. Ввиду значительной усадки стеклокристаллического (или металлического) материала после его остывания из расплавленного состояния требуется осуществление предварительных технологических натяжений оптического волокна с решеткой Брэгга (перед его закреплением на упругом элементе). Величина такого натяжения ввиду малого диапазона допустимых рабочих деформаций волоконной решетки Брэгга должна тщательно контролироваться и зависеть от количества используемого стеклокристаллического (или металлического) материала, его физических свойств, структуры и площади закрепления. При таком способе изготовления преобразователей деформаций не может быть обеспечена повторяемость свойств чувствительных элементов от одного образца к другому.The disadvantage of this analogue is the complexity of manufacturing a strain transducer. At the locations of the Bragg measuring fiber gratings, the optical fiber, in order to match the coefficients of thermal expansion of the connected elements, should be fixed to the elastic plate by means of a glass-crystalline material (glass solder). The technology for manufacturing strain transducers, which involves fixing Bragg fiber gratings on non-metallic or metal substrates using glass-crystalline materials (or metal solders), has difficulties in implementing the process. Due to the significant shrinkage of the glass-crystalline (or metal) material after it has cooled from the molten state, preliminary technological tensioning of the optical fiber with a Bragg grating is required (before it is fixed to the elastic element). The magnitude of this tension, due to the small range of permissible working deformations of the Bragg fiber lattice, should be carefully monitored and depend on the amount of glass-crystal (or metal) material used, its physical properties, structure, and fixing area. With this method of manufacturing strain transducers, the repeatability of the properties of sensitive elements from one sample to another cannot be ensured.

Известен способ соединения материалов, один из которых обладает низким коэффициентом температурного расширения (в частности, для соединений металл-стекло и металл-керамика). В способе применяется стеклокристаллический материал (стеклоприпой или стеклоцемент). Стеклокристаллический материал помещают в места пайки соединяемых деталей для последующего нагрева всей сборки до температуры его расплавления (температура расплавления применяемого стеклокристаллического материала значительно меньше температуры размягчения любого из соединяемых элементов). Закрепление кварцевого оптического волокна на упругом элементе посредством стеклокристаллического материала позволит достичь наилучшей согласованности коэффициентов температурного расширения соединения волокно-припой (http://www.pro-vacuum.ru/sposoby-soedinenia-vakkumnykh-sistem/sposoby-izgotovleniia-germetichnykh-nerazemnykh-soedinenii.html). При этом недостатком способа является вышеупомянутая необходимость осуществления предварительных технологических натяжений оптического волокна с решеткой Брэгга, вызванная значительной усадкой стеклокристаллического материала после его остывания из расплавленного состояния. Таким образом, при изготовлении чувствительных элементов спектральных преобразователей деформаций с использованием стеклокристаллических материалов и термических процессов соединения элементов необходим сложный техпроцесс, предполагающий учет допустимого натяжения оптического волокна, количества используемого стеклокристаллического материала, его физических свойств, структуры и площади закрепления. Совокупность этих факторов не позволяет достичь единообразия результатов изготовления образцов чувствительных элементов спектральных преобразователей. Весьма затруднителен процесс автоматизации такого изготовления. Кроме того, неизбежно возникающая величина остаточных внутренних напряжений внутриволоконной решетки Брэгга после осуществления соединения оптического волокна с упругим элементом оказывает существенное влияние на точность преобразования измеряемой деформации.A known method of joining materials, one of which has a low coefficient of thermal expansion (in particular, for metal-glass and metal-ceramic compounds). The method uses a glass-crystalline material (glass solder or glass cement). The glass-crystalline material is placed in the soldering places of the parts to be joined for subsequent heating of the entire assembly to its melting temperature (the melting temperature of the glass-crystal material used is much lower than the softening temperature of any of the elements to be connected). Fixing a quartz optical fiber to an elastic element by means of a glass-crystalline material will allow achieving the best coordination of the thermal expansion coefficients of the fiber-solder compound (http://www.pro-vacuum.ru/sposoby-soedinenia-vakkumnykh-sistem/sposoby-izgotovleniia-germetichnykh-nerazemnykh- soedinenii.html). However, the disadvantage of this method is the aforementioned need for preliminary technological tension of the optical fiber with a Bragg grating, caused by significant shrinkage of the glass crystal material after it has cooled from the molten state. Thus, in the manufacture of sensitive elements of deformation spectral converters using glass crystalline materials and thermal processes of connecting the elements, a complex technological process is required, which takes into account the allowable tension of the optical fiber, the amount of glass crystal material used, its physical properties, structure and fixing area. The combination of these factors does not allow to achieve uniformity of the results of manufacturing samples of sensitive elements of spectral converters. The automation process of such manufacture is very difficult. In addition, the inevitably occurring value of the residual internal stresses of the Bragg intra-fiber lattice after connecting the optical fiber with the elastic element has a significant effect on the accuracy of the transformation of the measured strain.

Известно, что посредством фемтосекундных технологий, представляющих собой лазерные технологии с использованием ультракоротких световых импульсов длительностью от 10 фс до 10 пс, возможно осуществить воздействие на оптически-прозрачные нефоточувствительные материалы, производя изменение структуры материала внутри его объема. Лазерные фемтосекундные импульсы (ввиду очень короткой длительности, в каждом из таких импульсов содержится высокая интенсивность излучения) осуществляют микрообработку оптически-прозрачного материала внутри его объема. Такая фемтосекундная модификация структуры материала, в настоящее время используемая в маркировке драгоценных камней, может быть использована для формирования структуры требуемого показателя преломления в нефоточувствительных оптически-прозрачных средах (Сборник трудов VIII Международной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика-2013» и семинаров «Терагерцовая оптика и спектроскопия», «Оптические метаматериалы, фотонные кристаллы и наноструктуры». Санкт-Петербург 14-18 октября, 2013 / Под ред. проф. В.Г. Беспалова, проф. С.А. Козлова. - СПб: НИУИТМО, 2013).It is known that by means of femtosecond technologies, which are laser technologies using ultrashort light pulses with a duration of 10 fs to 10 ps, it is possible to effect on optically transparent non-photosensitive materials, changing the structure of the material inside its volume. Laser femtosecond pulses (due to their very short duration, each of these pulses contains a high radiation intensity) microprocesses an optically transparent material inside its volume. Such a femtosecond modification of the material structure, currently used in the marking of precious stones, can be used to form the structure of the required refractive index in oil-sensitive optically transparent media (Proceedings of the VIII International Conference of Young Scientists and Specialists “Optics-2013” and seminars “Terahertz Optics and spectroscopy ”,“ Optical metamaterials, photonic crystals and nanostructures. ”St. Petersburg October 14-18, 2013 / Edited by Prof. V. G. Bespalov, Prof. S. A. Kozlova. - St. Petersburg: NIUITMO, 2013).

Техническим результатом изобретения является упрощение технологии изготовления чувствительного элемента спектрального преобразователя деформации и повышение точности спектрального преобразования.The technical result of the invention is to simplify the manufacturing technology of the sensitive element of the spectral strain transducer and increase the accuracy of the spectral conversion.

Технический результат достигается тем, что в способе изготовления чувствительного элемента спектрального преобразователя деформации, на поверхности упругого элемента располагают нефоточувствительное оптическое волокно и наносят слой оптически-прозрачного нефоточувствительного стеклокристаллического материала, сборку из упругого элемента, оптического волокна и стеклокристаллического материала помещают в печь, где производят пайку соединения металл-стекло, извлекают из печи и остужают со скоростью не более 5-8°C/мин в структуре нефоточувствительного оптического волокна, покрытого слоем затвердевшего оптически-прозрачного нефоточувствительного стеклокристаллического материала, в зоне максимальной деформации упругого элемента формируют решетку Брэгга, а материалы конструктивных составляющих чувствительного элемента спектрального преобразователя деформации выбирают с близкими значениями коэффициента температурного расширения.The technical result is achieved by the fact that in the method of manufacturing a sensitive element of the strain spectral transducer, a non-photosensitive optical fiber is placed on the surface of the elastic element and a layer of optically transparent non-photosensitive glass crystal material is applied, the assembly of the elastic element, optical fiber and glass crystal material is placed in a furnace where soldering is performed metal-glass compounds are removed from the furnace and cooled at a rate of not more than 5-8 ° C / min in the ne of a sensitive optical fiber coated with a layer of hardened optically transparent non-photosensitive glass crystal material, a Bragg grating is formed in the zone of maximum deformation of the elastic element, and the materials of the structural components of the sensitive element of the strain spectral transducer are selected with close values of the coefficient of thermal expansion.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фигурах 1-2, на которых схематично представлены составляющие чувствительного элемента спектрального преобразователя, изготовление которого реализуется предлагаемым способом, где 1 - поверхность упругого элемента, 2 - оптически-прозрачный нефоточувствительный стеклокристаллический материал, 3 - нефоточувствительное оптическое волокно, 4 - зона воздействия лазерного импульса, 5 - брэгговская решетка.The invention is illustrated by drawings, where in figures 1-2, which schematically represent the components of the sensitive element of the spectral converter, the manufacture of which is implemented by the proposed method, where 1 is the surface of the elastic element, 2 is an optically transparent non-photosensitive glass crystal material, 3 is a non-photosensitive optical fiber, 4 - zone of influence of the laser pulse, 5 - Bragg grating.

Способ реализуется следующим образом.The method is implemented as follows.

На поверхности упругого элемента 1 располагают нефоточувствительное оптическое волокно 3 (фиг. 1), затем на поверхность упругого элемента наносят слой оптически-прозрачного нефоточувствительного стеклокристаллического материала 2, которые образуют сборку. Далее всю сборку нагревают в печи, осуществляя пайку обычным, применяемым при соединениях металл-стекло способом (терморежим выбирают исходя из геометрических размеров и свойств материалов, участвующих в спайке элементов). Сборку извлекают из печи и остужают со скоростью не более 5-8°C/мин (обеспечивая тем самым уменьшение возникающих внутренних напряжений). Далее, на поверхности упругого элемента 1, в пределах зоны воздействия лазерного импульса 4, в структуре нефоточувствительного оптического волокна 3, покрытого слоем затвердевшего оптически-прозрачного нефоточувствительного стеклокристаллического материала 2, технологией точечной внутриобъемной микрообработки материала, использующей фемтосекундные световые импульсы сфокусированного лазерного излучения, формируют периодическую модифицированную структуру материала в виде брэгговской решетки 5. При этом зону воздействия лазерного импульса 4 при формировании периодической модифицированной структуры материала в виде брэгговской решетки 5 определяют любым из известных расчетных методов исходя из геометрических размеров и физических свойств материала упругого элемента 1. Брэгговскую решетку 5 формируют в зоне максимальной деформации упругого элемента 1.A non-photosensitive optical fiber 3 is placed on the surface of the elastic element 1 (Fig. 1), then a layer of optically transparent non-photosensitive glass-crystal material 2 is applied to the surface of the elastic element, which form the assembly. Further, the entire assembly is heated in the furnace, by brazing in the usual manner used in metal-glass joints (the thermal mode is selected based on the geometric dimensions and properties of the materials involved in the brazing of the elements). The assembly is removed from the furnace and cooled at a speed of not more than 5-8 ° C / min (thereby ensuring a reduction in the occurring internal stresses). Further, on the surface of the elastic element 1, within the zone of influence of the laser pulse 4, in the structure of the photosensitive optical fiber 3, covered with a layer of hardened optically transparent photosensitive glass-crystal material 2, the technology of point intracavity microprocessing of the material using femtosecond light pulses of focused laser radiation forms a periodic a modified material structure in the form of a Bragg grating 5. Moreover, the laser and pulse 4 when forming a periodic modified structure of the material in the form of a Bragg grating 5 is determined by any of the known calculation methods based on the geometric dimensions and physical properties of the material of the elastic element 1. The Bragg grating 5 is formed in the zone of maximum deformation of the elastic element 1.

В качестве оптически-прозрачного нефоточувствительного стеклокристаллического материала 2 можно использовать стеклопорошок, стеклоприпой или стеклоцемент, который выбирают с обеспечением максимального соответствия его физических свойств, физическим свойствам нефоточувствительного оптического волокна 3.As an optically transparent non-photosensitive glass crystal material 2, it is possible to use glass powder, glass solder, or glass cement, which is selected to ensure maximum correspondence of its physical properties to the physical properties of the photosensitive optical fiber 3.

Для наилучшей температурной согласованности элементов преобразователя и, таким образом, повышения точностных показателей спектрального преобразования материалы конструктивных составляющих чувствительного элемента спектрального преобразователя деформации выбирают с близкими значениями коэффициента температурного расширения.For the best temperature consistency of the transducer elements and, thus, to increase the accuracy of the spectral conversion, the materials of the structural components of the sensitive element of the strain spectral transducer are chosen with close values of the coefficient of thermal expansion.

Предлагаемый способ позволяет изготовить чувствительные элементы для выполнения ответственных высокоточных измерений без применения сложных операций предварительного технологического натяжения оптического волокна, без необходимости учета факторов усадки стеклокристаллического материала при его затвердевании, а также значительно упростить процесс автоматизации изготовления чувствительного элемента спектрального преобразователя. Существенные преимущества заявленного способа по сравнению с известными технологиями изготовления первичных чувствительных элементов спектральных преобразователей деформаций обусловлены тем, что решетка Брэгга формируется в уже готовом чувствительном элементе (например, в оптическом волокне, закрепленном посредством стеклоприпоя на поверхности металлической мембраны) и не подвергается, таким образом, термическим (ни даже химическим) воздействиям, которые обычно сопровождают закрепление оптического волокна с внутриволоконной решеткой Брэгга. Заявленный способ позволяет изготовить чувствительный элемент спектрального преобразователя, не восприимчивый к дрейфу величины остаточных напряжений, искажающих точностные параметры спектрального преобразования и возникающих при техпроцессе закрепления (сборки) составляющих чувствительного элемента спектрального преобразователя. Таким образом, достигают повышения точности функции преобразования чувствительного элемента (уменьшения неоднозначности преобразования измеряемой деформации в чувствительном элементе).The proposed method allows the manufacture of sensitive elements to perform critical high-precision measurements without the use of complex operations of preliminary technological tension of the optical fiber, without the need to take into account the shrinkage factors of the glass crystal material during its hardening, and also greatly simplify the automation process of manufacturing the sensitive element of the spectral converter. Significant advantages of the claimed method in comparison with the known technologies for manufacturing the primary sensitive elements of the deformation spectral converters are due to the fact that the Bragg grating is formed in the finished sensitive element (for example, an optical fiber fixed by means of glass solder on the surface of a metal membrane) and is thus not exposed thermal (or even chemical) influences that usually accompany the fixation of an optical fiber with an intrafiber Bragg's aunt. The claimed method allows to manufacture a sensitive element of the spectral converter, not susceptible to drift of residual stresses that distort the accuracy parameters of the spectral conversion and occur during the fixing process (assembly) of the components of the sensitive element of the spectral converter. Thus, an increase in the accuracy of the transformation function of the sensitive element (reducing the ambiguity of the conversion of the measured strain in the sensitive element) is achieved.

Claims

A method of manufacturing a sensitive element of the strain spectral transducer, which consists in the fact that a non-photosensitive optical fiber is placed on the surface of the elastic element and a layer of optically transparent non-photosensitive glass crystal material is deposited, the assembly of the elastic element, optical fiber and glass crystal material is placed in a furnace where the metal compound is soldered -glass, removed from the oven and cooled at a speed of not more than 5-8 ° C / min in the structure of the photosensitive cal fiber coated layer hardened optically-transparent non-photosensitive glass-ceramic material, in the zone of maximum deformation of the elastic member are formed the Bragg grating, and the materials constituting the structural deformation of the sensor spectral converter with close values of selected coefficient of thermal expansion.