文/朱曉軍，南通大學副教授

光纖光栅具有體積小、結構簡單、抗電磁幹擾、易複用等優點，在光通信領域和傳感領域得到了廣泛應用。為了保證光栅在實際使用過程中的長期穩定性，光纖光栅的實際使用壽命已成為用戶關心的指标之一。為此，我們有必要了解一下影響光纖光栅使用壽命的相關因素以及延長光栅使用壽命的一般方法。

●影響光纖光栅壽命的因素

光纖光栅在工程應用中，不可能僅僅受一種因素的影響，它長期暴露于自然環境氣候中，會受到如溫度、濕度、應力、雨水、塵埃及污染腐蝕性物質等多種因素的共同作用而産生老化，最終緻使光纖光栅失效。

水：光纖光栅傳感器大多數情況下會受到水的影響，随着季節的交替、氣候的改變，光纖光栅必定會受到濕熱、凍融、幹濕循環周期變化的影響。其中最為嚴酷的要數濕熱環境。水會随着時間的推移擴散到傳感器可吸濕非金屬材料中破壞其分子結構，或直接腐蝕易鏽蝕的金屬材料中，破壞光纖光栅。

化學介質：光纖光栅在使用過程中或是暴露于地表，或是埋入土壤或混凝土等結構，或是應用于海邊環境或沿海氣候中，都會或多或少的受到如大氣污染物、酸雨、酸堿性土壤、堿性混凝土海水等周圍環境中酸堿鹽等介質的腐蝕。因為這些環境中含有豐富的H 、OH-、CL-等離子，對傳感器材料産生或加速腐蝕，腐蝕降低金屬結構的強度。在某些更為嚴苛的環境工況中，如石油工業，還會涉及到更為複雜的介質環境，如有機混合物。當這些介質滲入光纖光栅封裝膠黏劑粘結部分時，或能引起高分子材料的膨脹變形，産生應力進而影響粘結強度，或是直接緻使膠黏劑分解，大大降低光纖光栅使用壽命。

應力：光纖光栅在使用過程中長期處于負載的應力、位移傳感器，應力的影響是不可忽視的，因為這種狀态下的傳感器在使用過程中長期處于受力狀态，所受的力可能是變化着的疲勞應力，也可能是力不改變的持久應力。無論哪種應力，都會加速金屬基體達到疲勞極限，加快非金屬材料發生應力松弛和蠕變，甚至使傳感器中關鍵部分提前失效，從而破壞傳感器結構。

輻射：在能量充足的情況下，高能量的粒子和電磁輻射包括核子、電子及射線，會導緻膠黏劑或其他聚合物的分子斷裂，導緻粘結度下降或脆化。例如，長期暴露于大氣中的光纖光栅傳感器就會受到光線的輻射作用，不同波長的光能量不同，對材料的影響也不同。其中以紫外線的影響最為明顯，它會導緻高聚物吸收光能發生自由基鍊鎖反應，從而加速膠黏劑的反應或分解。

氧：氧不單單是指空氣中的氧氣，還包括臭氧等其他強氧化氣體。這些氧化物質會破壞相關材料的分子結構，使其提前失效。氧通過與某些聚合物中的遊離基發生反應，緻使其分子鍊斷裂;而臭氧由于較氧具有更高的氧化性以及化學活性，往往破壞性更大，所以考察傳感器耐氧性能非常必要。

生物：光纖光栅傳感器應用場合往往會富含各種微生物，如細菌等。在傳感器的組成部分中，含有油脂類的高分子材料很容易被黴菌、放線菌等分解，尤其是含脂肪酸結構的高分子材料，在溫度、濕度适宜的情況下，極易被分解，甚至由于為菌類提供了生存條件而形成生物降解。除此之外，昆蟲等生物也會因咬食而影響傳感器功能。

溫度：對于所有傳感器來說，溫度的影響都是不可避免的。溫度過高、溫度過低、高低溫循環變化等等，都有加快傳感器老化的因素。過高的溫度不僅會導緻光纖光栅膠黏劑發生軟化甚至熔融，也會使其發生化學分解或較大變形，使傳感系統中的其他非金屬結構過早失效。

●延長光纖光栅使用壽命的方法

在實際操作中，如何延長光纖光栅的使用壽命，可以從兩個方面考慮，一是對其接觸外部環境進行改善；二是對光纖光栅進行高溫退火處理。

目前光纖光栅傳感器使用最廣的封裝形式是采用金屬材料為基體，膠粘劑為連接部分，封裝結構如圖1所示。

圖1 光纖光栅基礎封裝結構圖

基體一般作為受載支撐部分，環境耐久性肯定優于膠粘劑，光纖光栅自身壽命長、耐久性好。換言之，傳感器失效往往發生在封裝材料即膠粘劑失效老化時。

光纖光栅傳感器的封裝方式按封裝過程中使用材料的數量主要分為單材料封裝和多材料封裝。而封裝材料根據其自身的性質與功能，又可以分為非金屬材料和金屬材料兩種。其中非金屬材料主要指的是連接部分的膠黏劑、聚合物基體材料、橡膠、塑料等。而此處提及的金屬不僅僅指的是封裝所用基體材料，如45鋼、合金鋼等，還包括光纖表面金屬化過程中需要的金屬材料，如鎳、銅、銀等。

保護型封裝是最常見的一種封裝形式，也是其他各種封裝形式的基礎，除圖1所示的金屬管保護型封裝外，還可以片式保護型封裝(如圖2)，保護性封裝被廣泛應用于土木工程、石油工業等實際工程結構監測中。這種封裝形式主要是借助一種或多種封裝材料保護裸光纖光栅以達到提升光纖光栅傳感器耐久性及壽命的目的。其封裝需要考慮以下幾種因素：

• 封裝材料的選擇要考慮實際使用環境；
• 傳感器結構設計盡量密閉；
• 光纖光栅傳感器的封裝工藝要考慮其可替換性。

圖2 光纖光栅片式保護型封裝結構圖

另一方面，可以利用高溫退火來延長光纖光栅本身材料的使用壽命。參照電子元器件壽命預測的加速老化試驗方法，對光纖光栅采用高溫加速老化的方法來研究其使用壽命。

結果表明：溫度作用将導緻光纖光栅的光譜性能以先快後慢的速度衰退，且溫度越高，衰退速度越快(圖3(a))；對于經高溫加熱退火處理後的光纖光栅，在小于退火溫度的常規應用溫度下，僅考慮溫度因素，其使用壽命基本不受影響，可滿足長期正常工作的需求(圖3(b))。在實際應用中，通過對光纖光栅高溫加熱退火、用特殊摻雜光纖制作耐高溫光纖光栅等方法提高纖光栅的使用壽命。其中，高溫加熱退火是常用的提高商用光纖光栅使用壽命的方法。

圖3 光纖光栅峰值反射率在不同溫度下随時間的衰減圖

(a)退火前 (b)退火後

(兩個結論數據圖參考[1]許亨藝,雷小華,張偉,陳偉民,齊翊,李競飛,劉顯明.環境溫度對光纖光栅使用壽命的影響[J].光子學報,2015,44(10):105-109.)

作者簡介

朱曉軍，南通大學副教授，加拿大滑鐵盧大學訪問學者，江蘇省“六大人才高峰”高層次人才。長期從事光纖通信器件、傳感器件以及光纖激光等理論和實驗研究。包括光纖光栅、微納光纖、矽光器件等波導器件的設計、檢測和制備。先後主持江蘇省省級項目3項，南通市等廳級項目3項。作為主要負責人參與完成國家自然科學重點培育項目、國家自然科學基金面上項目、國家青年項等多項。已在Optics Express、Scientific reports、IEEE Photonics Technology Letters、IEEE Photonics Journal、光學學報等國内外刊物發表相關論文30餘篇，申請授權國家發明專利10餘項。

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