Исследование изменения чувствительности волоконной брэгговской решетки к температуре и растяжению с помощью нанесения покрытий из легкоплавких металлов

Введение. Разработаны и исследованы методы изменения чувствительности волоконных брэгговских решеток к температуре и деформации путем нанесения различных легкоплавких металлов. Метод. Выполнено исследование чувствительных элементов на основе одномодовых оптических волокон SMF-28 со сформированными волоконными брэгговскими решетками и нанесенными на волокно различными металлическими покрытиями. Основные результаты. Исследовано влияние покрытия волоконной брэгговской решетки легкоплавкими металлами на ее чувствительность к температуре и деформации. Разработаны различные волоконно-оптические чувствительные элементы, представляющие собой волокна со сформированными в них волоконными брэгговскими решетками, при этом на область с такими дифракционными структурами были нанесены покрытия различной толщины из олова или припоя в виде сплава олова и свинца (Sn63Pb37). Представленные экспериментальные данные хорошо согласуются с расчетными. Температурная чувствительность брэгговского резонанса волоконной решетки с покрытием из припоя или олова примерно в 4 раза превышает чувствительность решетки без покрытия. Анализ чувствительности к растяжению позволил сделать вывод о том, что по сравнению со стандартной волоконной брэговской решеткой, чувствительность такой решетки с покрытием уменьшается и составляет порядка 0,017 пм/(мкм/м) по сравнению с 1,2 пм/(мкм/м) (для длины волны брэгговского резонанса 1530 нм) для стандартной волоконной решетки без покрытия. Обсуждение. Полученные результаты могут быть использованы для контроля и изменения чувствительности волоконной брэгговской решетки к температуре и/или деформации в зависимости от условий решаемой задачи в области создания волоконно-оптических измерительных устройств.

1. Ahmad H., Noor S.F.S.M., Arusin A.F., Samsudin S.A., Thambiratnam K., Chong W.Y., Lim K.S., Zulkifli M.Z. Enhancing temperature sensitivity using cyclic polybutylene terephthalate- (c-PBT-) coated fiber Bragg grating // Journal of Sensors. 2018. P. 1–6. https://doi.org/10.1155/2018/3790326

2. Liu T., Fernando G., Zhang Z., Grattan K. Simultaneous strain and temperature measurements in composites using extrinsic Fabry-Perot interferometric and intrinsic rare-earth doped fiber sensors // Sensors and Actuators A: Physical. 2000. V. 80. N 3. P. 208–215. https://doi.org/10.1016/s0924-4247(99)00309-x

3. Wang Y., Geng L. Rare earth doped optical fibers for temperature sensing utilizing ratio-based technology // Journal of Rare Earths. 2006. V. 24. N 1. P. 171–174. https://doi.org/10.1016/s1002-0721(07)60352-4

4. Lu P., Men L., Chen Q. Resolving cross sensitivity of fiber Bragg gratings with different polymeric coatings // Applied Physics Letters. 2008. V. 92. N 17. P. 171112. https://doi.org/10.1063/1.2919796

5. Park C., Joo K., Kang S., Kim H. A PDMS-coated optical fiber Bragg grating sensor for enhancing temperature sensitivity // Journal of the Optical Society of Korea. 2011. V. 15. N 4. P. 329–334. https://doi.org/10.3807/josk.2011.15.4.329

6. Farahi F., Webb D.J., Jones J.D.C., Jackson D.A. Simultaneous measurement of temperature and strain: cross-sensitivity considerations // Journal of Lightwave Technology. 1990. V. 8. N 2. P. 138–142. https://doi.org/10.1109/50.47862

7. Vengsarkar A.M., Michie W.C., Jankovic L., Culshaw B., Claus R.O. Fiber-optic dual-technique sensor for simultaneous measurement of strain and temperature // Journal of Lightwave Technology. 1994. V. 12. N 1. P. 170–177. https://doi.org/10.1109/50.265750

8. Xu M.G., Archambault J.-L., Reekie L., Dakin J.P. Discrimination between strain and temperature effects using dual-wavelength fibre grating sensors // Electronics Letters. 1994. V. 30. N 13. P. 1085– 1087. https://doi.org/10.1049/el:19940746

9. Brady G.P., Kalli K., Webb D.J., Jackson D.A., Zhang L., Bennion I. Recent developments in optical fiber sensing using fiber Bragg gratings // Proceedings of SPIE. 1996. V. 2839. P. 8–19. https://doi.org/10.1117/12.255350

10. Li C., Zhang Y.-M., Zhao Y.-G., Li L.-J. Fiber Grating: Principles, Techniques, and Sensing Applications. Beijing, China: Science Press, 2005. P. 108–116.

11. Othonos A. Fiber Bragg gratings // Review of Scientific Instruments. 1997. V. 68. N 12. P. 4309–4341. https://doi.org/10.1063/1.1148392

12. Васильев С.А., Медведков О.И., Королев И.Г., Божков А.С., Курков А.С., Дианов Е.М. Волоконные решетки показателя преломления и их применения // Квантовая электроника. 2005. Т. 35. № 12. С. 1085–1103.

13. Gribaev A.I., Pavlishin I.V., Stam A.M., Idrisov R.F., Varzhel S.V., Konnov K.A. Laboratory setup for fiber Bragg gratings inscription based on Talbot interferometer // Optical and Quantum Electronics. 2016. V. 48. N 12. P. 540. https://doi.org/10.1007/s11082-016-0816-3

14. Стам А.М., Идрисов Р.Ф., Грибаев А.И., Варжель С.В., Коннов К.А., Сложеникина Ю.И. Запись волоконных решеток Брэгга с использованием интерферометра Тальбота и эксимерной KrF-лазерной системы // Известия вузов. Приборостроение. 2017. Т. 60. № 5. С. 466–473. https://doi.org/10.17586/0021-3454-2017-60-5-466-473

15. Klishina V., Varzhel S.V., Loseva E. Method for simultaneous measurement of velocity and direction of fluid flow using fiber Bragg gratings // Optical Fiber Technology. 2023. V. 75. P. 103215. https://doi.org/10.1016/j.yofte.2022.103215