CN106062598A - 对用于抗辐射温度传感器的经处理光纤进行制造的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种对用于温度传感器的经处理光纤(5)进行制造的方法(110)。所述方法包括以下步骤：a)制作(120)光纤(125)，所述光纤(125)由纯二氧化硅制成或由掺杂有从氟和氮中选择的一个或更多个元素的二氧化硅制成；b)使用飞秒激光器在所述光纤(125)中刻印(130)至少一个布拉格光栅以制作刻印光纤(135)，所述布拉格光栅在所述刻印光纤的一部分中纵向地延伸并适于反射沿所述刻印光纤传播的光波，所述激光器的功率大于或等于450mW；以及c)使至少所述刻印光纤部分退火(140)以生成所述经处理光纤。本发明还涉及将一个这样经处理的光纤用在温度传感器中的使用方法。

Description

对用于抗辐射温度传感器的经处理光纤进行制造的方法

技术领域

本发明涉及一种对用于温度传感器的经处理光纤(treated optical fiber)进行制造的方法，其中，使用激光器在该光线中刻印至少一个布拉格光栅(Bragg grating)，该布拉格光栅在该光纤的一部分上纵向地延伸并适用于反射沿所刻印的光纤传播的光波。

本发明还涉及将这样的经处理光纤用在温度传感器中的使用方法。

背景技术

使用包括光纤布拉格光栅(FPG，Fiber Bragg Grating)的光纤来测量温度是已知的。布拉格光栅由光纤的纤芯沿光纤轴向的折射率的周期性中断构成。沿光纤的纤芯传播的、具有宽带频谱的光在被称为“布拉格波长”的一定波长附近被该光栅反射，该波长依赖于该光栅的间距。布拉格波长根据布拉格光栅的温度进行变化，并具有例如约10pm/℃(皮米每摄氏度)的灵敏度。

布拉格光栅光纤传感器不需要本地电源，并且对电磁干扰不敏感。这些传感器允许测量的测量点与处理点之间大距离上的偏移，以及在同一光纤上复用大量的测量点。这些传感器并不是侵入式的，并具有零固有漂移。

然而，尽管具有这些引起关注的特性，但现有技术中的光纤传感器在恶劣环境中仍在温度和辐射方面存在限制。对于例如300℃以上的高温以及对于数十千戈瑞(kGy，kilogray)以上的辐射，通过擦除该布拉格光栅、和/或引起测量漂移的布拉格波长的偏移、和/或光纤的传输损耗会产生测量的逐渐失效。

发明内容

因此，本发明的一个目的在于提供一种对用于温度传感器的经处理光纤进行制造的方法，该光纤能够经受更高的温度和更大的辐射剂量。

为此，本发明涉及一种对用于温度传感器的经处理光纤进行制造的方法，该方法至少包括以下步骤：

a)获得光纤，

b)使用飞秒激光器在所述光纤中刻印至少一个布拉格光栅来获得刻印光纤，所述布拉格光栅在所述刻印光纤的一部分中纵向地延伸并适于反射沿所述刻印光纤传播的光波，所述激光器的功率大于或等于450mW，以及

c)使至少所述刻印光纤部分退火来获得所述经处理光纤。

根据特定实施例，该方法包括单独地或根据任意技术上可能的组合的一个或更多个以下特征：

-使用激光器进行刻印的步骤b)的持续时间大于或等于30秒；

-在步骤a)中，所获得的光纤是单模光纤；

-在步骤a)中，所获得的光纤是纯二氧化硅光纤或以选自氟和氮的一种或更多种元素掺杂的二氧化硅光纤；

-在步骤b)中，所述激光器发射脉冲，每个脉冲的宽度小于或等于150飞秒；

-在步骤a)中，所述光纤包括直径介于2微米至20微米之间的纤芯；

-在步骤b)中，在刻印期间，所述光纤由固定在所述光纤上的重量为4克至300克的重物拉伸。

-在退火步骤c)中，所述刻印光纤被置于大于或等于500℃的退火温度下维持至少15分钟；

-所述方法还包括确定作为温度传感器的部件的所述经处理光纤的最高使用温度的步骤，以及在退火步骤c)期间，所述刻印光纤被置于一退火温度下，该退火温度与所述最高使用温度之差介于100℃与200℃之间。

本发明还涉及一种将至少一个经处理光纤用在温度传感器中的使用方法，所述经处理光纤是使用上述方法获得的。

附图说明

阅读以下仅作为示例提供并参照附图进行的描述将更好地理解本发明，附图中：

-图1为根据本发明的温度传感器的示意图，该温度传感器包括使用根据本发明的方法所获得的经处理光纤，

-图2为一曲线图，该曲线图示出了图1所示的经处理光纤的布拉格光栅的布拉格波长随该布拉格光栅经受的温度的演变，

-图3为一框图，该框图显示了根据本发明用于对图1所示的经处理光纤进行制造的方法的主要步骤，

-图4为一曲线图，该曲线图示出了不同的退火温度对与图1所示的光纤类似的光纤的布拉格光栅的布拉格峰值的影响，

-图5为一曲线图，该曲线图示出了在两个连续的辐射阶段中与图1所示的光纤类似的光纤的布拉格光栅的布拉格波长的偏移，

-图6为一曲线图，该曲线图示出了图3所示的处理方法中的退火步骤对使用不同于本发明的方法所获得的参照光纤中的光栅的布拉格峰的幅度的影响，以及

-图7为一曲线图，该曲线图示出了两次连续辐射对使用类似于本发明的方法、但使用不同于本发明的退火温度所获得的光纤的影响。

具体实施方式

参照图1描述了根据本发明的温度传感器1。温度传感器1包括经处理光纤5。

温度传感器1例如旨在放置于核反应堆(未示出)中。例如，传感器1用于测量诸如压水反应堆的主冷却回路的水之类的热传递流体的温度，或测量快中子反应堆的液态钠的温度，或测量用于制造或存储高活性核废料的设施的温度。

为了简化，图1仅显示了经处理光纤5沿轴线D延伸的一部分10。

经处理光纤5包括纤芯15，有时称作光学护套的绕轴线D环绕纤芯15的周缘部20和位于纤芯15中的布拉格光栅25。

可替换地(未示出)，经处理光纤5包括多个类似于布拉格光栅25的布拉格光栅。

经处理光纤5例如是纯二氧化硅光纤或例如掺杂有氟和/或氮的掺杂光纤。经处理光纤5是布拉格光栅25的布拉格波长下的单模光纤。

“掺杂有元素”指的是掺杂光纤的纤芯或护套至少包括10ppm(百万分率)的该元素。

纤芯15的直径DC例如介于2μm与20μm之间。

布拉格光栅25包括沿轴线D交替的部分27和部分29，部分29的折射率例如大于部分27的折射率。为了简化，图1仅显示了两个部分27和两个部分29。

如图1所示，为了使经处理光纤5的布拉格光栅25作用，光信号30被发射到经处理光纤5中。光信号30例如包括以曲线35表示的波长范围。

光信号30沿经处理光纤5行进至布拉格光栅25，该布拉格光栅发射出经透射的光信号40并反射出经反射的光信号45。

反射的光信号45的波长范围50具有被称为“布拉格峰”的峰形。该布拉格峰以布拉格光栅25的称作“布拉格波长”的波长λ为中心。

透射的光信号40的波长范围55对应于波长范围35减去波长范围50。

图2为包括曲线C0的曲线图100，该曲线C0给出了由图1所示的经处理光纤5的布拉格光栅25观察到的布拉格波长λ(以纳米为单位)随温度T(以摄氏度为单元)的演变。

因此，根据波长范围50，可以确定布拉格波长λ(图1)，并随后利用曲线C0确定温度T(图2)。灵敏度大约为10pm/℃。

现参照图3对根据本发明的方法110进行描述。

方法110使得可以制造图1所示的、适用于温度传感器1的经处理光纤5。

方法110包括用于获得光纤125的步骤120，用于在光纤125中刻印布拉格光栅来获得包括布拉格光栅25的刻印光纤135的步骤130，以及用于对刻印光纤135的至少一部分进行退火来获得经处理光纤5的步骤140。

可替换地，在步骤130中，在光纤125中刻印多个布拉格光栅。

在步骤120中，获得的光纤125例如是单模光纤，该单模光纤是纯二氧化硅的或有利地掺杂有从氟和/或氮中选择的一个或更多个元素的二氧化硅。

可选地，方法110还包括用于确定作为温度传感器1的部件的经处理光纤5的最高使用温度的步骤150。

在步骤130中，剥离所获得的光纤125中刻印有布拉格光栅25的纵向部分。该刻印是通过使用飞秒激光器，例如使用传统相位掩膜技术来完成的。该飞秒激光器的聚焦是通过使用具有12毫米至19毫米的短焦距的柱面透镜来完成的。

“飞秒激光器”指的是产生持续时间大约为数个飞秒至数百飞秒的脉冲的激光器。

有利地，该激光器具有大于或等于450mW的平均功率。该激光器发射脉冲，每个脉冲的宽度小于或等于150飞秒。该激光器的波长例如为800nm。

在刻印步骤130期间，光纤125有利地由固定在该光纤上的、重量为6克至8克的重物(未示出)拉伸。

在步骤140中，根据第一实施例，刻印光纤135例如被置于大于或等于500℃的退火温度下持续至少15分钟。

根据另一实施例，在步骤140中，刻印光纤135被置于一退火温度，该退火温度与步骤150中确定的最高使用温度之差介于100℃与200℃之间。例如，最高使用温度为600℃，退火温度为750摄氏度(℃)。

根据使用的曝光参数(脉冲的持续时间、飞秒激光器的功率)，刻印光纤135的布拉格光栅25接下来在退火步骤140中被或多或少地擦除。该曝光参数被确定为生成在经处理光纤5的使用温度下稳定并在抗辐射方面具有引起关注的性能水平的布拉格光栅。

辐射测试已示出了布拉格光栅25对辐射的抵抗力随退火温度的增加而增长。例如，当退火温度为750℃时，处于辐射下的布拉格光栅25的布拉格波长的漂移(BWS)小于在退火温度为350℃时所获得的漂移。此外，当退火温度为750℃时，没有观察到处于辐射下的布拉格光栅25的擦除现象。

图4为示出了退火温度对布拉格峰的影响的曲线图200。曲线图200包括四条曲线C1、C2、C3和C4。

曲线C1表示在没有退火步骤140时的布拉格光栅25的布拉格峰。

曲线C2、C3和C4分别显示了在退火温度分别等于300℃、550℃和750℃时获得的布拉格光栅25的布拉格峰。该布拉格光栅由具有二氧化硅芯的掺氟光纤获得，并使用平均功率为500mW、波长为800nm的飞秒激光器进行刻印。

每条曲线C1至C4给出了反射光信号45(以分贝为单位)的强度随波长(以纳米为单位)的演变。每条曲线C1至C4与图1所示的波长范围50类似。

可以看到，退火温度的逐渐升高导致布拉格峰的衰减，以及布拉格波长朝向更短波长的偏移。

图5为曲线图300，该曲线图示出了经处理光纤5的布拉格光栅25对辐射的抵抗性，该经处理光纤5是使用与曲线图200相同的方法在退火温度为750℃下得到的。

曲线图300包括曲线C5，该曲线C5示出了布拉格波长的偏移Δλ(以纳米为单位)的部分随时间t(以秒为单位)的演变，另一方面示出了指定测得温度上的误差ET(以摄氏度为单位)随时间t(以秒为单位)的演变。

在曲线图300的左侧y轴上读取偏移Δλ，在曲线图300的右侧y轴上读取误差ET。

在持续大约30000秒的第一阶段A中，以恒定剂量率对经处理光纤5的布拉格光栅25进行辐射。在第一阶段A结束时接收到的剂量为1.5MGy(兆戈瑞，megagray)。

在持续大约60000秒的第二阶段B中，停止对布拉格光栅25的辐射。

在再次持续约30000秒的第三阶段C中，在与第一阶段A相同的条件下对布拉格光栅25进行辐射，即该布拉格光栅再次接收1.5MGy的剂量。

在第一阶段A期间，布拉格波长首先减少4pm(皮米，picometers)，随后在第一阶段A中又逐渐增加了12pm。该布拉格波长的漂移对应于传感器1测得的温度上大约0.4℃的误差ET1(图5)。

在第二阶段B期间，布拉格波长急剧下降并使波长稳定在低于初始值约12pm处。

在第三阶段C期间,布拉格波长大幅急剧上升至第一阶段A结束时所处的值并在整个第一阶段C中保持相对稳定。在第三阶段C期间的布拉格波长的漂移对应于测得温度上的约0.4℃的误差ET2。因此，可以看到，即使在对应于3MGy剂量的两次辐射后，经处理光纤5的布拉格光栅25仍具有很好的抗辐射性。

图6和图7示出了参数研究的结果，该参数研究旨在确定不遵守方法110的步骤之一的影响。

图6为包括曲线C6的曲线图400，该曲线C6示出了当使用功率为400mW，而不是图4所示的500mW的飞秒激光器来执行刻印步骤130时，(x轴上的)退火温度T(以摄氏度为单位)对(y轴上的)布拉格光栅25的布拉格峰的归一化幅度AN的影响。

曲线C6包括第一点410，该第一点410给出了没有退火步骤时的布拉格峰的幅度。那么该幅度为16dB并对应于图4中的曲线C1的最大值。在图6的曲线图400上将16dB的该幅度归一化为1.0。

当退火温度T分别为300℃、550℃和750℃时，则曲线C6显示了逐渐降低的布拉格峰的归一化幅度AN。

当退火温度T分别为300℃、550℃和750℃，并当使用功率为500mW的飞秒激光器完成刻印步骤130时，曲线C6'也显示了逐渐降低的布拉格峰的归一化幅度AN。

在曲线C6上可以看到，在750℃处，由于布拉格光栅25被擦除，因而布拉格峰的幅度几乎为零。

相反地，如图4和曲线C6'所示，令人惊讶的是，当激光器的功率为500mW时，布拉格峰的幅度从没有退火步骤时的16分贝变到存在退火步骤140时在退火温度为750℃处的8分贝。这证明了激光器存在处于450mW的功率阈值，所获得的布拉格光栅25自该阈值起在750℃下经受退火。

可以认为的是，例如，在归一化幅度AN大于0.2的阈值时，即图6所示的示例中布拉格峰的幅度的衰减小于7dB时，布拉格光栅25经受退火。

图7显示了与图5所示的曲线图300类似的曲线图500。曲线图500包括曲线C7，该曲线C7示出了在激光器功率为500mW的刻印步骤130和温度小于500℃的退火步骤140结束时获得的布拉格光栅25的抗辐射性。

曲线图500的阶段A、B1和C与曲线300的阶段A、B和C类似。

曲线图500包括附加的阶段B2，该阶段对应于在阶段C后停止辐射。

如曲线图500所示，与处于图5的曲线图300的条件相比，布拉格光栅25的布拉格波长λ对两个辐射阶段A和C更加敏感得多。特别地，在与第二辐射对应的第三阶段C结束时，由于该辐射引起的布拉格波长的漂移为-60pm。这对应于在测得温度上约4.5℃的误差ET3。

得益于所描述的特征，制造方法110使得可以获得包括布拉格光栅25的经处理光纤5，该布拉格光栅能够更好地承受大于1MGy的辐射，因而与现有的光纤相比，能够经受更高的辐射剂量。

此外，根据可选的特征，刻印光纤135被置于大于或等于500℃的退火温度下持续15分钟，该可选的特征使得可以获得布拉格光栅25，随后该布拉格光栅能够经受高达550℃的使用温度。

同样地，根据可选的特征，在退火步骤140中，刻印光纤135被置于一退火温度下，该可选的特征使得可以获得布拉格光栅25，该布拉格光栅能够经受的使用温度等于该退火温度减去介于100℃与200℃之间的值。

激光器的功率由与光束大小和布拉格光栅25的长度无关的公式表示。

用于计算功率密度的元素集可由以下公式概括：

$D=\frac{2\mathrm{\π}E\×A\×p}{4\×f\×\mathrm{\λ}\×t}$

其中：

-D为激光器施加的功率密度(以W/cm2为单位)，

-E为激光器的脉冲能量(以J为单位)，该脉冲能量由激光功率(以W为单位)除以脉冲的频率(以Hz为单位)导出，

-A为与相对于相位掩膜的光纤的位置有关的参数(A＝1)，

-p为一阶的能量分数(等于73％),

-λ为飞秒激光器的波长(以cm为单位)，

-f为物镜的焦距(以cm为单位)，以及

-t为脉冲的持续时间(以s为单位)。

因此，当A＝1,f＝19mm,λ＝800nm和f＝150fs时，激光器450mW的功率阈值对应于2.3×10¹³W/cm²的最小功率密度。

Claims (10)

1.一种对用于温度传感器(1)的经处理光纤(5)进行制造的方法(110)，其特征在于，该方法至少包括以下步骤：

a)获得(120)光纤(125)，所获得的光纤(125)是纯二氧化硅光纤或掺杂有从氟和氮中选择的一个或更多个元素的二氧化硅光纤；

b)使用飞秒激光器在所述光纤(125)中刻印(130)至少一个布拉格光栅(25)来获得刻印光纤(135)，所述布拉格光栅(25)在所述刻印光纤(135)的一部分中纵向地延伸并适于反射沿所述刻印光纤(135)传播的光波(30)，所述激光器的功率大于或等于450mW；以及

c)使至少所述刻印光纤部分(135)退火(140)来获得所述经处理光纤(5)。

2.根据权利要求1所述的方法(110)，其特征在于，使用所述激光器进行刻印(130)的步骤b)的持续时间大于或等于30秒。

3.根据权利要求1或2所述的方法(110)，其特征在于，在步骤a)中，所获得的光纤(125)是单模光纤。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法(110)，其特征在于，在步骤b)中，所述飞秒激光器由具有12毫米至19毫米的短焦距的柱面透镜聚焦。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法(110)，其特征在于，在步骤b)中，所述激光器发射脉冲，每个脉冲的宽度小于或等于150飞秒。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法(110)，其特征在于，在步骤a)中，所获得的光纤(125)包括直径(DC)介于2微米至20微米之间的纤芯(15)。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法(110)，其特征在于，在步骤b)中，在刻印(130)期间，所述光纤(125)由固定在所述光纤(125)上的重量为4克至300克的重物拉伸。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法(110)，其特征在于，在退火(140)步骤c)期间，所述刻印光纤(135)被置于大于或等于500℃的退火温度下持续至少15分钟。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的方法(110)，其特征在于：

-所述方法(110)还包括确定作为所述温度传感器(1)的部件的所述经处理光纤(5)的最高使用温度的步骤(150)，以及

-在退火(140)步骤c)期间，所述刻印光纤(135)被置于一退火温度下，该退火温度与所述最高使用温度之差介于100℃与200℃之间。

10.一种将至少一个经处理光纤(5)用在温度传感器(1)中的使用方法，所述经处理光纤(5)是使用前述权利要求中任一项所述的方法获得的。