CN115453681A - 一种碳涂覆弱光纤光栅阵列及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳涂覆弱光纤光栅阵列及其制备方法。所述碳涂覆弱光纤光栅阵列包括纤芯和所述纤芯外的包层；包层外依次包覆的碳涂层、第一聚酰亚胺涂层和第二聚酰亚胺涂层；纤芯上刻写有弱光纤光栅阵列；碳涂层的厚度为30～50nm，第一聚酰亚胺涂层的厚度为3～5um，第二聚酰亚胺涂层的厚度为5～10um。本发明通过在光纤表面涂覆一层碳膜，有效阻止水分与氢对光纤机械强度和光学性能的影响，通过将聚酰亚胺作为光纤涂覆层材料，延长了光纤在高温环境下的使用寿命，通过飞秒激光透涂层直写光栅阵列的方式，不会对光纤表面造成损伤，提升了传感器的机械强度。本发明解决了常规弱光纤光栅传感器无法在高温、高压、高湿度等恶劣环境下长期稳定工作的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种碳涂覆弱光纤光栅阵列及其制备方法，属于光纤光栅传感领域。
背景技术
弱光纤光栅传感技术有着抗电磁干扰能力强、测量精度高、可实现多参量、长距离、分布式测量等优点，已被广泛应用到石油勘探领域。
油气井井下环境恶劣，常规的光纤涂层不能够阻止水分和氢对光纤机械强度和光学性能的影响，原因是水分子会扩散到石英光纤表面发生反应引起光纤表面缺陷导致光纤强度下降，因此常规的光栅传感器无法适应井下高压、高湿度的环境。
常规的光纤涂层是聚氨酯或丙烯酸酯，光纤典型的工作温度为-40℃～85℃，这类弱光栅传感器也无法适应井下高温环境。
另外传统的光纤光栅都是离线制备的，光纤在制备完成后，去掉涂覆层，然后利用激光器刻写光栅，最后再涂覆涂层，这种“剥-写-再涂”的方法会对光纤表面形成较大的机械损伤，使传感器强度较低。
因此，为了保证弱光纤光栅传感器能在高温、高压、高湿度等恶劣环境下长期稳定工作，研究一种用于特殊环境下的弱光纤光栅阵列及制备方法很有必要。
发明内容
本发明的目的是提供一种碳涂覆弱光纤光栅阵列，以解决现有弱光栅阵列在特定环境下性能不佳、制备工艺不佳的问题。
本发明碳涂覆弱光纤光栅阵列中，光纤表面涂覆一层碳膜，碳膜对水分与氢具有堵塞效应，并且在光纤表面的收缩小，化学性能稳定，能有效减缓光纤表面微裂纹生长，延缓机械强度的疲劳进程，从而提高光纤的使用寿命。
本发明碳涂覆弱光纤光栅阵列中，碳膜外包覆有聚酰亚胺层，聚酰亚胺是一种耐热性高、机械强度良好，综合性能非常优异的高分子材料；聚酰亚胺作为光纤涂覆层材料，可长期工作在300℃～350℃，延长光纤在高温环境下的使用寿命。
具体地，本发明提供的碳涂覆弱光纤光栅阵列，包括纤芯和所述纤芯外的包层；
所述包层外依次包覆的碳涂层、第一聚酰亚胺涂层和第二聚酰亚胺涂层；
所述纤芯上刻写有弱光纤光栅阵列；
所述碳涂层的厚度为30～50nm；
所述第一聚酰亚胺涂层的厚度为3～5um，所述第二聚酰亚胺涂层的厚度为5～10um。
所述弱光纤光栅阵列的反射率小于1％。
本发明提供的碳涂覆弱光纤光栅阵列可按照下述方法制备：
S1、制备包含所述纤芯和所述包层的裸光纤；
S2、采用热CVD法在所述裸光纤表面制备所述碳涂层；
S3、采用飞秒激光透过所述碳涂层在所述裸光纤表面刻写光栅；
S4、采用热固化法在所述碳涂层外依次制备所述第一聚酰亚胺涂层和所述第二聚酰亚胺涂层；
S5、将所述裸光纤移动预设长度到下一个待刻写光栅处，然后重复步骤S2-S4，直至形成最终的弱光纤光栅阵列。
上述的制备方法中，步骤S1中，在光纤拉丝塔上对预制棒进行加热、拉丝，形成所述裸光纤。
上述的制备方法中，步骤S2中，所述热CVD法的条件如下：
待涂覆的所述裸光纤通过涂碳反应腔，所述涂碳反应腔内通入碳源，加热所述碳源至900℃～1100℃，即在所述裸光纤表面形成所述碳涂层；
所述碳源为乙炔、乙烯、甲烷等气体。
上述的制备方法中，步骤S3中，采用波长为800nm的飞秒激光进行刻写。
上述的制备方法中，步骤S4中，所述热固化法的步骤如下：
将光栅依次通过第一聚酰亚胺涂覆装置和第二聚酰亚胺涂覆装置，以将聚酰亚胺涂料浸涂在光纤表面形成所述第一聚酰亚胺涂层和所述第二聚酰亚胺涂层。
上述的制备方法中，所述第一聚酰亚胺涂覆装置内配制的聚酰亚胺涂料的粘度为5000～6500cps，杨氏模量为600～1000Mpa；
所述第二聚酰亚胺涂覆装置内配制的聚酰亚胺涂料的粘度为6000～8000cps，杨氏模量为1.5～2.5Gpa。
传统的光纤光栅大多是离线制备的，光纤在制备完成后，去掉涂覆层，然后利用激光器刻写光栅，最后再涂覆涂层，这种“剥-写-再涂”的方法会对光纤表面形成较大的机械损伤，使传感器强度较低。本发明采用飞秒激光透涂层直写光栅阵列的方式，无需剥离涂覆层，避免了剥离过程对光纤造成的机械损伤。
本发明提供的碳涂覆弱光纤光栅阵列，通过在光纤表面涂覆一层碳膜，有效阻止水分与氢对光纤机械强度和光学性能的影响，通过将聚酰亚胺作为光纤涂覆层材料，延长了光纤在高温环境下的使用寿命，通过飞秒激光透涂层直写光栅阵列的方式，不会对光纤表面造成损伤，提升了传感器的机械强度。本发明解决了常规弱光纤光栅传感器无法在高温、高压、高湿度等恶劣环境下长期稳定工作的问题。
附图说明
图1是本发明提供的碳涂覆弱光纤光栅阵列的结构示意图。
图2是本发明提供的碳涂覆弱光纤光栅阵列的制备过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明，但本发明并局限于以下实施例。
如图1所示，是本发明提供的碳涂覆弱光纤光栅阵列的结构示意图：包括纤芯1、刻写在纤芯1上的弱光纤光栅阵列2，纤芯1外的包层3，包层外的碳涂层4，碳涂覆层4外的第一聚酰亚胺涂层5，第一聚酰亚胺涂层5外的第二聚酰亚胺涂层6。
其中，碳涂层4采用热CVD法工艺制备，碳涂层4的厚度为30～50nm。
其中，弱光纤光栅阵列2采用飞秒激光透过碳涂层4在纤芯1上直写的方法制备，制备用的飞秒激光波长为800nm。弱光纤光栅阵列2的反射率应小于1％。
其中，第一聚酰亚胺涂覆层5的厚度为3um，第二聚酰亚胺涂层6的厚度为7um。
如图2所示，为本发明提供的制备碳涂覆弱光纤光栅阵列的制备方法的示意图，给出了一些关键的步骤或装置，但这些步骤或装置仅仅是示例，本发明实施例中还可能需要执行其它的步骤或用到其它的辅助装置。
1)在光纤拉丝塔8上对预制棒7进行加热，拉丝，形成包含纤芯1和包层3的裸光纤；
2)采用热CVD法在光纤表面形成碳涂覆层：待涂覆的裸光纤通过涂碳反应腔9，反应腔内通有碳氢化合物的气体，如C2H2、CH4，这些气体作为碳源被加热到900℃～1100℃，气体在光纤表面反复聚合发生脱氢反应，形成一层厚度为30～50nm的无定形碳膜—碳涂层4；
3)采用波长为800nm的飞秒激光10透过碳涂覆层在纤芯和包层直写的方法制备光栅11；
4)采用热固化法形成第一聚酰亚胺涂层5：光纤在完成光栅刻写后进入第一聚酰亚胺涂覆装置12，装置中配有粘度为5000～6500cps，杨氏模量为600Mpa左右的聚酰亚胺涂料，光纤在通过装置时表面被浸涂上一层均匀的涂料溶液，然后经过热固化装置形成厚度为3um的第一聚酰亚胺涂层。
5)采用热固化法形成第二聚酰亚胺涂层6：光纤进入第二聚酰亚胺涂覆装置13，光纤在装置中被涂覆上厚度为7um的第二聚酰亚胺涂层，此步骤中采用的聚酰亚胺涂料粘度为6000～8000cps，涂料杨氏模量为2Gpa。
6)通过控制收纤盘14，让光纤移动预设长度到下一个待刻写光栅处，然后重复以上步骤(2)到(5)，直至形成最终的弱光纤光栅阵列2。
光纤的损耗测试：
本实施例制备的碳涂覆弱光纤光栅阵列长度1KM，密闭腔温度为85℃，氢气压力为10个大气压，时间为10天，测量光纤在1240nm处的衰减，附加损耗小于0.2dB/km。
G625D常规单模光纤长度1KM，密闭腔温度为85℃，氢气压力为10个大气压，时间为5天，测量光纤在1240nm处的衰减，附加损耗达到了30dB/km。
Claims (10)
1.一种碳涂覆弱光纤光栅阵列，包括纤芯和所述纤芯外的包层；
所述包层外依次包覆的碳涂层、第一聚酰亚胺涂层和第二聚酰亚胺涂层；
所述纤芯上刻写有弱光纤光栅阵列。
2.根据权利要求1所述的碳涂覆弱光纤光栅阵列，其特征在于：所述碳涂层的厚度为30～50nm。
3.根据权利要求1或2所述的碳涂覆弱光纤光栅阵列，其特征在于：所述第一聚酰亚胺涂层的厚度为3～5um，所述第二聚酰亚胺涂层的厚度为5～10um。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的碳涂覆弱光纤光栅阵列，其特征在于：所述弱光纤光栅阵列的反射率小于1％。
5.权利要求1-4中任一项所述碳涂覆弱光纤光栅阵列的制备方法，包括如下步骤：
S1、制备包含所述纤芯和所述包层的裸光纤；
S2、采用热CVD法在所述裸光纤表面制备所述碳涂层；
S3、采用飞秒激光透过所述碳涂层在所述裸光纤表面刻写光栅；
S4、采用热固化法在所述碳涂层外依次制备所述第一聚酰亚胺涂层和所述第二聚酰亚胺涂层；
S5、将所述裸光纤移动预设长度到下一个待刻写光栅处，然后重复步骤S2-S4，直至形成最终的弱光纤光栅阵列。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：步骤S1中，在光纤拉丝塔上对预制棒进行加热、拉丝，形成所述裸光纤。
7.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于：步骤S2中，所述热CVD法的条件如下：
待涂覆的所述裸光纤通过涂碳反应腔，所述涂碳反应腔内通入碳源，加热所述碳源至900℃～1100℃，即在所述裸光纤表面形成所述碳涂层；
所述碳源为乙炔、乙烯或甲烷。
8.根据权利要求5-7中任一项所述的制备方法，其特征在于：步骤S3中，采用波长为800nm的飞秒激光进行刻写。
9.根据权利要求5-8中任一项所述的制备方法，其特征在于：步骤S4中，所述热固化法的步骤如下：
将光栅依次通过第一聚酰亚胺涂覆装置和第二聚酰亚胺涂覆装置，以将聚酰亚胺涂料浸涂在光纤表面形成所述第一聚酰亚胺涂层和所述第二聚酰亚胺涂层。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于：所述第一聚酰亚胺涂覆装置内配制的聚酰亚胺涂料的粘度为5000～6500cps，杨氏模量为600～1000Mpa；
所述第二聚酰亚胺涂覆装置内配制的聚酰亚胺涂料的粘度为6000～8000cps，杨氏模量为1.5～2.5Gpa。
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