Alto compacto

Aug 06, 2023

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 8805 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Demonstramos um interrogador de deformação de rede de Bragg (FBG) baseado em um meio de dispersão para gerar padrões de manchas estáveis ​​e determinísticos, calibrados com deformação aplicada, que são altamente dependentes dos componentes espectrais de retrorreflexão de FBG. A forte dependência do comprimento de onda dos padrões de speckle foi usada anteriormente para medidores de onda de alta resolução, onde o espalhamento efetivamente dobra o caminho óptico, mas a instabilidade dificulta a realização prática de tais dispositivos. Aqui, uma nova abordagem é demonstrada utilizando espalhadores gravados a laser de femtosegundo dentro da fibra óptica plana, para aumentar a estabilidade mecânica. Ao inscrever 15 planos de nanovóides pseudo-aleatórios (714 \(\times\) 500 vazios por plano) como uma matriz 3D em um volume de 1 \(\times\) 0,7 \(\times\) 0,16 mm, a estabilidade intrínseca e a compacidade do dispositivo foi melhorada. Operando como um medidor de onda, permaneceu estável por pelo menos 60 h com resolução de 45 pm na faixa de comprimento de onda de 1040-1056 nm. Como um interrogador FBG de modo de reflexão, depois de calibrar padrões de speckle aplicando tensão de tração ao FBG, o dispositivo é capaz de detectar mudanças de microdeformação na faixa de 0–200 \(\mu \epsilon\) com um erro padrão de 4 \( \mu \epsilon\), limitado pelo tamanho do passo do estágio de tradução. Todas essas características a tornam uma tecnologia interessante para preencher o nicho de medidores de onda e interrogadores de baixo custo e alta resolução, que oferecem a melhor compensação disponível entre resolução, compacidade, preço e estabilidade.

Houve extensa pesquisa e desenvolvimento em redes de Bragg de fibra (FBG) como sensores em muitas indústrias, incluindo engenharia civil, aeronáutica e telecomunicações, devido à sua fabricação madura, alta sensibilidade, facilidade de multiplexação e imunidade a interferência eletromagnética1,2,3 . Aqui, demonstramos um interrogador FBG para medições de tensão de tração, com base na análise dos padrões de speckle gerados pela luz retrorrefletida do FBG. Este paradigma de mapeamento espectral para espacial foi anteriormente explorado por medidores de onda reconstrutivos usando vários meios de dispersão ou interferência4,5,6,7,8 para gerar padrões de speckle determinísticos e espectralmente únicos. Desenvolvemos uma matriz 3D de nanovóides de espalhamento, inscritos dentro de uma fibra plana que atua como um meio de espalhamento altamente estável adequado para um medidor de onda de resolução fina e interrogador como mostrado na Fig. 1. Os padrões de speckle, que são as projeções planares de interferência mútua de luz de diferentes pontos de dispersão, são únicos para qualquer comprimento de onda com um mapeamento um-para-um. Portanto, para operar como um medidor de ondas, o conjunto de calibração das manchas para determinados comprimentos de onda pode ser criado ajustando um comprimento de onda de fonte de laser e, em seguida, um sinal de comprimento de onda desconhecido na faixa de calibração pode ser reconstruído resolvendo equações de correlação de álgebra linear5,9,10 ,11,12.

(a) Esquema da estrutura de dispersão/interferência multimodal inscrita em fibra plana. A luz entra via fibra monomodo na fibra plana, então difrata e se acopla em vários modos de fibra plana. Uma vez que atinge a matriz de dispersão (estrutura tracejada), a luz é espalhada e as manchas são geradas no detector. A luz balística sai do lado direito e não é rastreada pelo detector. Elementos fora de escala. (b) Imagem do microscópio da matriz de nanoóides escrita a laser dentro da estrutura de dispersão de fibra plana.

O confinamento do caminho óptico no meio de dispersão compacto reduz o custo, a complexidade e a pegada do dispositivo devido a uma fabricação mais fácil e de baixo custo do sistema de dispersão, onde apenas um detector e meio de dispersão são necessários. Isso contrasta com os medidores de onda/espectrômetros convencionais, que requerem um meio dispersivo para separar espacialmente os componentes do comprimento de onda em um detector; tais sistemas utilizam prismas volumosos ou grades com componentes adicionais (como monocromadores) e detectores lineares, resultando em mais complexidade, maior custo de fabricação e também maior tamanho do dispositivo, pois é necessário um caminho mais longo para uma resolução mais precisa. Embora haja uma tendência clara para a miniaturização de dispositivos baseados em meio dispersivo13,14,15,16, ainda há compensações claras entre resolução, tamanho do dispositivo e custo.