[发明专利]一种碳涂覆弱光纤光栅阵列及其制备方法

说明书

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。

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。