Kigger uden for fiberen:Forskere demonstrerer nyt koncept for optiske fibersensorer

Optiske fibre muliggør vores æra med internettet, da de transporterer enorme mængder data over hele verden. Fibre er også en fremragende sensorplatform. De kan nå over hundreder af kilometer, simpelthen indlejret i strukturer, og kan installeres i farlige omgivelser, hvor brugen af ​​elektricitet er forbudt. Imidlertid, optiske fibersensorer står også over for en iboende, grundlæggende udfordring.

"Alt, hvad lyset rører ved, er vores rige, " siger ph.d.-studerende Hagai Diamandi fra Det Tekniske Fakultet ved Bar-Ilan University i Israel. "I det, vi mener at sige, at enhver optisk måling kræver, at lys skal røre mediet under test." Standard optiske fibre, imidlertid, er designet til at gøre det stik modsatte. "Standardfibre er lavet af en glasbeklædning, med en meget tyndere, indre kerne, " fortsætter Diamandi. "Lys ledes i den indre kerne, og der gøres alt for at forhindre, at lyset lækker udenfor. Et stof under test, i de fleste tilfælde, ligger uden for den meget større beklædning. Desværre, styret lys berører ikke meget af omverdenen."

En mulig løsning er tilgængelig baseret på andre former for formering i samme fiber. Doktorand Yosef London forklarer:"Ud over kernetilstanden, lys kan forplante sig i fiberen ved at udfylde hele beklædningen. I det tilfælde, det kan måske 'føle', hvad der er udenfor." Men hvordan får du lys til at skifte fra den 'normale' kernetilstand til de beklædningstilstande? London fortsætter:"Her er der en hake. Kobling til beklædningstilstande kræver inskription af permanent, periodiske forstyrrelser i fibermediet, kaldet 'riste'. Gitter er skrevet ved specifikke, diskrete steder. Du kan ikke slette dem eller flytte dem rundt." Af den grund, beklædningstilstandssensorer er begrænset til kun punktmålinger.

Hovedstyrken ved optiske fibersensorer er rumligt fordelt analyse, hvor hvert fibersegment fungerer som et uafhængigt måleknudepunkt. Beklædningstilstande kunne ikke understøtte distribuerede målinger, indtil nu. Gennembrudsideen kom fra en tredje ph.d.-studerende i gruppen, Gil Bashan:"Der er et alternativ til brugen af ​​gitre. Vi kan i stedet sende to stærke optiske bølger ind i fiberen. Når deres frekvenser er valgt korrekt, de to bølger kan drive akustiske svingninger inde i fiberens kerne, ved meget høje hypersoniske frekvenser. Disse akustiske bølger bliver vores riste." Princippet er kendt som Brillouin dynamiske riste. I modsætning til permanent inskription, Brillouin dynamiske riste kan tændes og slukkes efter ønske. De kan også være begrænset til korte segmenter af vilkårlige steder, og scannet langs fiberen. "Princippet er blevet brugt mellem kernetyper af fibre i over et årti, " siger Bashan. "Vi overfører det til beklædningstilstandene."

I et papir udgivet for nylig i Optica tidsskrift, gruppen rapporterer en distribueret beklædningstilstand fibersensor, en første af sin slags. Derved, de måtte overvinde betydelige forhindringer. Rådgiver Prof. Avi Zadok forklarer:"Der er stor forskel i størrelse mellem kerne- og beklædningstilstande. Kernetilstande er begrænset til et meget snævert område. Beklædningstilstande spredt over et område, der er 200 gange større. Af den grund, vi var bekymrede for, at koblingen mellem de to tilstande ville være svag og ineffektiv." Ikke desto mindre, holdet kunne vise den præcise måling af brydningsindeks uden for beklædningsgrænsen for standard, umodificeret optisk fiber. Den rumlige opløsning af målingerne var otte centimeter. Analysen identificerede korrekt korte fibersektioner nedsænket i vand og ethanol, og tydeligt skelnet mellem de to. Usikkerheden i indeksmålinger var i fjerde decimal.

Prof. Zadok konkluderer:"Vi har demonstreret et nyt koncept for optiske fibersensorer. Det løser en årtier lang udfordring:den distribuerede kortlægning af brydningsindeks uden for beklædningen af ​​standardfiber, hvor lyset ikke når." Sensoren kan bruges til lækagedetektion i kritisk infrastruktur, og procesovervågning i den petrokemiske industri, afsaltningsanlæg, mad- og drikkevareproduktion med mere.