《Optics & Laser Technology》：Long-term thermal stability and calibration of Type-II fiber Bragg grating array inscribed in radiation-hardened fibers
编辑推荐：
本文研究了采用飞秒激光在辐射硬化光纤上 inscription的Type-II光纤布拉格光栅（FBG）阵列在高温环境中的长期热稳定性。通过16次温度循环（室温至750℃）测试100个FBG传感器，发现经800℃热退火54小时后，温度漂移小于0.4 pm/天。采用优化温度点的三次多项式校准方法，将FBG波长偏移转换为绝对温度测量的平均R2达0.9997，RMSE为3.58℃。该方案显著优于经验斜率校准和四点分段拟合，验证了FBG传感器在高温能源系统监测中的可行性及优异性能。
张光胤|赵克豪|钟树达|马光群|埃尔维斯·多明格斯-昂蒂维罗斯|马克·鲁本斯坦|叶夫根尼·韦内迪克托夫|王奇瑞|吴泽坤|陈凯文
美国宾夕法尼亚州匹兹堡大学电气与计算机工程系，邮编15261
摘要
本文研究了用飞秒激光在耐辐射光纤上刻写的II型光纤布拉格光栅（FBG）阵列的长期热稳定性，这些光栅可能被用作高温能源系统中的多路复用传感器。通过对100个FBG传感器进行16次从室温（RT）到750℃的热循环测试，评估了FBG传感器的热稳定性。结果显示，在800℃的恒定温度下经过54小时的热退火处理后，FBG传感器的绝对温度漂移可以降低到每天小于0.4皮米。
作为温度传感器，FBG在退火后表现出稳定的性能，标准偏差（STD）为1.8皮米（相当于0.118℃的温度分辨率）。反复的热循环显示FBG波长在室温下有2.3皮米的随机漂移。通过多项式拟合作为校准方法，将FBG波长变化转换为绝对温度测量值。通过优化校准温度点（室温、200℃、400℃和750℃），研究表明使用四个点的三次多项式校准在整个温度范围（室温到750℃）内的平均R2值为0.9997，RMSE为3.58℃。这种方法比经验斜率校准提高了11.53倍，比四点分段拟合提高了1.34倍。
研究结果表明，刻写在耐辐射光纤上的II型FBG可以作为精确的温度传感器，其性能与热电偶相当或更优。凭借其多路复用能力、长距离电缆中的稳健信号传输以及对电磁干扰的免疫力，FBG传感器为能源系统监测提供了一种有前景的替代方案。
引言
光纤传感器（OFS）是一种多功能传感技术，广泛应用于包括能源基础设施监测、结构健康评估、石油和天然气勘探与开采以及航空航天和国防应用在内的多个关键领域[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]。这些系统利用了光纤的固有优势，如对电磁干扰的免疫力、耐腐蚀性、与高辐射环境的兼容性、多路复用和分布式传感能力以及内在的安全性[12]。在各种OFS类型中，光纤布拉格光栅（FBG）阵列传感器因其准分布式传感能力和成本效益高的制造工艺而特别突出[13]。
FBG传感器的性能和适用性取决于制造方法[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、解调技术[13]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]以及设备的热稳定性。已经提出了许多FBG传感器的解调方法。牛等人提出了一种使用可调Fabry-Perot滤波器（TFP）来解调光栅波长的反馈控制方法，并成功应用于应变实验[22]。具有可调激光器（TL）的干涉解调方法具有高灵敏度和快速采样率，但TFP方法受到扫描速度的限制，并且对温度漂移敏感。朱等人开发了一种基于光学频率域反射率测量（OFDR）框架的激活加权滑动窗口快速傅里叶变换（AW-FFT）解调方案，其中使用了TL和两个干涉仪进行测量。该方法实现了11.2皮米的波长分辨率和0.3毫米的空间分辨率，表明其适用于高精度分布式传感[23]。乔等人开发了一种改进的相位生成载波（PGC）解调技术，可以有效抑制60 Hz的干扰，噪声水平为4×10^-5弧度[24]。我们之前的工作提出了一种新的对数高斯Levenberg-Marquardt（LG-LM）算法来解调FBG传感器，结果显示FBG系统用于温度测量时具有稳定的性能，标准偏差为1.56皮米[25]。在高温下，TFP和PGC解调方法会受到热敏感性和干涉相位移动的影响[26]、[27]、[28]。同时，在OFDR系统中，由于瑞利后向散射参考的变化，FBG无法完全退火，导致测量漂移和长期稳定性降低[29]。相比之下，基于光谱仪的波长解调可以直接测量FBG阵列，不会引入额外的噪声，因此在高温环境下具有更好的稳定性。
在高温环境中部署光纤布拉格光栅（FBG）传感器的另一个重要挑战是它们的热稳定性有限。许多研究表明，热退火和退火后的传感器校准对于确保在高温下的可靠和可重复性能至关重要[30]、[31]、[32]。Faisal等人展示了一个在700℃下稳定运行的I型FBG传感器系统，预计寿命约为六年[33]。郭等人提出并实现了一个由六个光栅组成的并行集成超短II型FBG（PI-US-FBG）阵列，该阵列在高达1000℃的温度下表现出稳定的性能，反射率约为10%[34]。同样，黄等人开发了一种使用无芯光纤刻写的II型FBG的快速退火方法，实现了从500℃到1120℃长达60小时的稳定运行[35]。
然而，大多数关于FBG传感器热稳定性的现有研究都是基于有限的样本量（通常少于十个传感点）和较短的测试时间（数十小时）。在本文中，我们进行了为期两个月的全面热稳定性研究，涉及100个FBG的大样本集——这些参数代表了实际部署条件下的传感器数量和运行时间。通过从室温（RT）到750℃的扩展热循环，我们系统地检查了FBG的热漂移行为作为热循环特性和持续时间的函数。基于详细的热特性分析，我们通过选择最有效的温度点改进了四点多项式校准方法。该方法实现了高精度，从室温到750℃的R2值为0.9997，RMSE为3.58℃，与高性能热电偶标准进行了对比。
部分摘录
原理和传感设计
使用五个FBG阵列传感器来评估多通道询问器。根据布拉格定律，FBG波长λ_B可以表示为[36]：其中n_eff是光纤芯的折射率，Λ是光栅周期。当温度变化时，在相同的张力下FBG波长会逐渐移动。这种现象主要是由于热膨胀效应和热光效应造成的。作为恒定应变的消耗，相对FBG波长移动可以
实验设置
高温实验使用了定制的64通道FBG询问器来支持大规模数据收集，如图3（a）所示。如图5所示，实验中使用了宽带放大自发辐射（ASE）。光源在1520–1610纳米的宽频谱范围内提供最大20毫瓦的输出功率。光从端口A进入循环器后，通过端口B耦合到MEMS光学开关。
结果与讨论
热循环测试在五个FBG串上进行，每个FBG串包含20个光栅，总共100个FBG放置在炉中，如图6所示。使用10毫瓦ASE光源测量的FBG光谱范围为1520纳米到1610纳米。由于制造过程中的偏差，光栅之间的强度差异是不可避免的。图7（a）-（d）分别显示了在100℃、400℃、600℃和800℃下记录的FBG光谱。
结论
光纤布拉格光栅（FBG）阵列传感器及其相应的解调系统是先进光学传感平台中的关键组件。在本研究中，我们对100个用飞秒激光刻写的II型FBG传感器在高达800℃的高温下进行了长期热评估。
结果表明，经过适当的热退火处理后，传感系统在高温应用中仍然稳定可靠。
CRediT作者贡献声明
张光胤：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，软件，资源，方法论，调查，正式分析，概念化。赵克豪：撰写 – 审稿与编辑，调查。钟树达：撰写 – 审稿与编辑。马光群：撰写 – 审稿与编辑。埃尔维斯·多明格斯-昂蒂维罗斯：撰写 – 审稿与编辑。马克·鲁本斯坦：撰写 – 审稿与编辑。叶夫根尼·韦内迪克托夫：撰写 – 审稿与编辑。王奇瑞：撰写 – 审稿与编辑。吴泽坤：
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本工作由海军核实验室根据协议编号140449资助，合同对象为匹兹堡大学。
美国政府或其任何机构、其任何员工，以及Leidos研究支持团队（LRST）及其任何员工，都不对所披露的任何信息、设备、产品或过程的准确性、完整性或实用性作出任何明示或暗示的保证，也不承担任何法律责任或责任，也不表示任何保证
张光胤于2023年在大连工业大学获得光学工程硕士学位，专注于用于痕量气体检测的光声光谱和光纤传感。他于2023年在匹兹堡大学开始攻读博士学位，继续研究光声光谱（PAS）和光纤布拉格光栅（FBG）的询问技术。他的研究兴趣包括PAS、光纤传感器解调及相关仪器。
