СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА СПЕКТРАЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ДЕФОРМАЦИИ
METHOD OF MAKING SENSITIVE ELEMENT OF SPECTRAL DEFORMATION CONVERTER

Изобретение относится к области прецизионного приборостроения и может быть использовано при создании первичных чувствительных элементов оптических преобразователей деформаций спектрального типа.
При разработке и создании первичных чувствительных элементов спектральных преобразователей деформаций наиболее предпочтительным и перспективным элементом, выполняющим функцию спектрального кодирования величины деформации, является дифракционная решетка, представляющая собой периодическую структуру среды распространения излучения, обладающую определенными оптическими свойствами. Такая структура может быть сформирована известным способом внутри волновода (внутриволоконная решетка Брэгга) посредством лазерного облучения в ультрафиолетовом диапазоне длин волн. При этом используется свойство фоточувствительности материала волновода к интенсивному когерентному ультрафиолетовому излучению. Такая фоточувствительность материала волновода достигается за счет легирования кварцевой основы различными химическими элементами.
Изготовление чувствительного элемента спектрального преобразователя деформаций включает в себя операцию по закреплению внутриволоконной решетки Брэгга на упругом элементе, воспринимающем воздействующую измеряемую деформацию. При этом необходима комплексная согласованность соединяемых материалов как по коэффициенту температурного расширения, так и по технологической совместимости. Деформации упругого элемента должны вызывать соответствующие деформации оптического волокна в области расположения брэгговской решетки, поэтому должно быть обеспечено их качественное закрепление, исключающее любую неоднозначность преобразования измеряемой деформации. Такая неоднозначность может быть вызвана наличием в области расположения брэгговской решетки паразитных напряжений в оптическом волокне, вызванных технологическими нагревами места соединения материалов.
Известен волоконно-оптический преобразователь деформации, содержащий по крайней мере одну волоконную решетку Брэгга, в котором оптическое волокно закреплено на упругом элементе в виде пластинки из монокристалла сапфира, или кремния, или кварца. Патент Российской Федерации на полезную модель №135119, МПК: G01D 5/353, 2013 г., аналог.
Недостатком аналога является сложность изготовления преобразователя деформации. В местах расположения измерительных волоконных решеток Брэгга оптическое волокно с целью соответствия коэффициентов температурного расширения соединяемых элементов должно быть закреплено на упругой пластинке посредством стеклокристаллического материала (стеклоприпоя). Технология изготовления преобразователей деформаций, предполагающая закрепление волоконных решеток Брэгга на неметаллических или металлических подложках, с использованием стеклокристаллических материалов (или же металлических припоев), имеет трудности в реализации техпроцесса. Ввиду значительной усадки стеклокристаллического (или металлического) материала после его остывания из расплавленного состояния требуется осуществление предварительных технологических натяжений оптического волокна с решеткой Брэгга (перед его закреплением на упругом элементе). Величина такого натяжения ввиду малого диапазона допустимых рабочих деформаций волоконной решетки Брэгга должна тщательно контролироваться и зависеть от количества используемого стеклокристаллического (или металлического) материала, его физических свойств, структуры и площади закрепления. При таком способе изготовления преобразователей деформаций не может быть обеспечена повторяемость свойств чувствительных элементов от одного образца к другому.
Известен способ соединения материалов, один из которых обладает низким коэффициентом температурного расширения (в частности, для соединений металл-стекло и металл-керамика). В способе применяется стеклокристаллический материал (стеклоприпой или стеклоцемент). Стеклокристаллический материал помещают в места пайки соединяемых деталей для последующего нагрева всей сборки до температуры его расплавления (температура расплавления применяемого стеклокристаллического материала значительно меньше температуры размягчения любого из соединяемых элементов). Закрепление кварцевого оптического волокна на упругом элементе посредством стеклокристаллического материала позволит достичь наилучшей согласованности коэффициентов температурного расширения соединения волокно-припой (http://www.pro-vacuum.ru/sposoby-soedinenia-vakkumnykh-sistem/sposoby-izgotovleniia-germetichnykh-nerazemnykh-soedinenii.html). При этом недостатком способа является вышеупомянутая необходимость осуществления предварительных технологических натяжений оптического волокна с решеткой Брэгга, вызванная значительной усадкой стеклокристаллического материала после его остывания из расплавленного состояния. Таким образом, при изготовлении чувствительных элементов спектральных преобразователей деформаций с использованием стеклокристаллических материалов и термических процессов соединения элементов необходим сложный техпроцесс, предполагающий учет допустимого натяжения оптического волокна, количества используемого стеклокристаллического материала, его физических свойств, структуры и площади закрепления. Совокупность этих факторов не позволяет достичь единообразия результатов изготовления образцов чувствительных элементов спектральных преобразователей. Весьма затруднителен процесс автоматизации такого изготовления. Кроме того, неизбежно возникающая величина остаточных внутренних напряжений внутриволоконной решетки Брэгга после осуществления соединения оптического волокна с упругим элементом оказывает существенное влияние на точность преобразования измеряемой деформации.
Известно, что посредством фемтосекундных технологий, представляющих собой лазерные технологии с использованием ультракоротких световых импульсов длительностью от 10 фс до 10 пс, возможно осуществить воздействие на оптически-прозрачные нефоточувствительные материалы, производя изменение структуры материала внутри его объема. Лазерные фемтосекундные импульсы (ввиду очень короткой длительности, в каждом из таких импульсов содержится высокая интенсивность излучения) осуществляют микрообработку оптически-прозрачного материала внутри его объема. Такая фемтосекундная модификация структуры материала, в настоящее время используемая в маркировке драгоценных камней, может быть использована для формирования структуры требуемого показателя преломления в нефоточувствительных оптически-прозрачных средах (Сборник трудов VIII Международной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика-2013» и семинаров «Терагерцовая оптика и спектроскопия», «Оптические метаматериалы, фотонные кристаллы и наноструктуры». Санкт-Петербург 14-18 октября, 2013 / Под ред. проф. В.Г. Беспалова, проф. С.А. Козлова. - СПб: НИУИТМО, 2013).
Техническим результатом изобретения является упрощение технологии изготовления чувствительного элемента спектрального преобразователя деформации и повышение точности спектрального преобразования.
Технический результат достигается тем, что в способе изготовления чувствительного элемента спектрального преобразователя деформации, на поверхности упругого элемента располагают нефоточувствительное оптическое волокно и наносят слой оптически-прозрачного нефоточувствительного стеклокристаллического материала, сборку из упругого элемента, оптического волокна и стеклокристаллического материала помещают в печь, где производят пайку соединения металл-стекло, извлекают из печи и остужают со скоростью не более 5-8°C/мин в структуре нефоточувствительного оптического волокна, покрытого слоем затвердевшего оптически-прозрачного нефоточувствительного стеклокристаллического материала, в зоне максимальной деформации упругого элемента формируют решетку Брэгга, а материалы конструктивных составляющих чувствительного элемента спектрального преобразователя деформации выбирают с близкими значениями коэффициента температурного расширения.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фигурах 1-2, на которых схематично представлены составляющие чувствительного элемента спектрального преобразователя, изготовление которого реализуется предлагаемым способом, где 1 - поверхность упругого элемента, 2 - оптически-прозрачный нефоточувствительный стеклокристаллический материал, 3 - нефоточувствительное оптическое волокно, 4 - зона воздействия лазерного импульса, 5 - брэгговская решетка.
Способ реализуется следующим образом.
На поверхности упругого элемента 1 располагают нефоточувствительное оптическое волокно 3 (фиг. 1), затем на поверхность упругого элемента наносят слой оптически-прозрачного нефоточувствительного стеклокристаллического материала 2, которые образуют сборку. Далее всю сборку нагревают в печи, осуществляя пайку обычным, применяемым при соединениях металл-стекло способом (терморежим выбирают исходя из геометрических размеров и свойств материалов, участвующих в спайке элементов). Сборку извлекают из печи и остужают со скоростью не более 5-8°C/мин (обеспечивая тем самым уменьшение возникающих внутренних напряжений). Далее, на поверхности упругого элемента 1, в пределах зоны воздействия лазерного импульса 4, в структуре нефоточувствительного оптического волокна 3, покрытого слоем затвердевшего оптически-прозрачного нефоточувствительного стеклокристаллического материала 2, технологией точечной внутриобъемной микрообработки материала, использующей фемтосекундные световые импульсы сфокусированного лазерного излучения, формируют периодическую модифицированную структуру материала в виде брэгговской решетки 5. При этом зону воздействия лазерного импульса 4 при формировании периодической модифицированной структуры материала в виде брэгговской решетки 5 определяют любым из известных расчетных методов исходя из геометрических размеров и физических свойств материала упругого элемента 1. Брэгговскую решетку 5 формируют в зоне максимальной деформации упругого элемента 1.
В качестве оптически-прозрачного нефоточувствительного стеклокристаллического материала 2 можно использовать стеклопорошок, стеклоприпой или стеклоцемент, который выбирают с обеспечением максимального соответствия его физических свойств, физическим свойствам нефоточувствительного оптического волокна 3.
Для наилучшей температурной согласованности элементов преобразователя и, таким образом, повышения точностных показателей спектрального преобразования материалы конструктивных составляющих чувствительного элемента спектрального преобразователя деформации выбирают с близкими значениями коэффициента температурного расширения.
Предлагаемый способ позволяет изготовить чувствительные элементы для выполнения ответственных высокоточных измерений без применения сложных операций предварительного технологического натяжения оптического волокна, без необходимости учета факторов усадки стеклокристаллического материала при его затвердевании, а также значительно упростить процесс автоматизации изготовления чувствительного элемента спектрального преобразователя. Существенные преимущества заявленного способа по сравнению с известными технологиями изготовления первичных чувствительных элементов спектральных преобразователей деформаций обусловлены тем, что решетка Брэгга формируется в уже готовом чувствительном элементе (например, в оптическом волокне, закрепленном посредством стеклоприпоя на поверхности металлической мембраны) и не подвергается, таким образом, термическим (ни даже химическим) воздействиям, которые обычно сопровождают закрепление оптического волокна с внутриволоконной решеткой Брэгга. Заявленный способ позволяет изготовить чувствительный элемент спектрального преобразователя, не восприимчивый к дрейфу величины остаточных напряжений, искажающих точностные параметры спектрального преобразования и возникающих при техпроцессе закрепления (сборки) составляющих чувствительного элемента спектрального преобразователя. Таким образом, достигают повышения точности функции преобразования чувствительного элемента (уменьшения неоднозначности преобразования измеряемой деформации в чувствительном элементе).