Forskere genbruger beskadigede optiske polymerfibre til præcist at måle magnetiske felter

Opfindelsen af ​​optiske fibre har revolutioneret ikke kun telekommunikation, men også sanseteknologi. Optiske fibersensorer kan måle belastning, temperatur, tryk, og mange andre fysiske parametre langs fibrene, men de er i øjeblikket immune over for elektromagnetisk støj - interferens fra andre eksterne elektriske eller magnetiske interaktioner. Det er en ønskværdig egenskab, indtil effekten af ​​det elektromagnetiske felt på fibrene skal måles. Nu, et internationalt hold af forskere har brugt, hvad der tidligere blev betragtet som en 'beskadiget' del af en optisk fiber til at udvikle sådan en magnetfeltsensor.

De offentliggjorde detaljer om deres tilgang den 5. november i Avanceret fotonikforskning .

"Denne natur af immunitet over for elektromagnetisk støj er en stor fordel, når vi måler belastning, temperatur, etc., under stærke elektromagnetiske feltmiljøer, " sagde papirets medforfatter Yosuke Mizuno, lektor ved Det Tekniske Fakultet, Yokohama National University. "Imidlertid, det betyder samtidig, at elektromagnetisk feltføling ved hjælp af optiske fibre er en stor udfordring, som vi behandlede i dette papir."

Forskerne udnyttede en 'fibersikring'-effekt, som induceres, når højeffektlys sprøjtes ind i en optisk fiber med snævre bøjninger, dårlige stik, og andre ikke-ideelle forhold. Når højeffektlys sprøjtes ind i en så kompromitteret optisk fiber, den optiske energi er 'fanget' i kernen af ​​fiberen, generere en optisk udladning, der forplanter sig mod lyskilden, permanent beskadige fiberen i processen. Forskerholdet har fundet ud af, at når fiberen er lavet af polymer, denne effekt resulterer i en elektrisk ledende karboniseret vej, som igen kan muliggøre de interaktioner, der er nødvendige for at reagere på magnetiske felter.

"Interaktionerne mellem magnetfeltet og de karboniserede - eller 'beskadigede' - områder kan føre til variationer i optiske parametre i fiberen, " sagde hovedforfatter Arnaldo Leal-Junior, professor på kandidatuddannelsen i elektroteknik, Det føderale universitet i Espírito Santo. "Ved at klemme en sammensmeltet polymerfiber mellem to silica single-mode fibre og inducere det, vi kalder multimodal interferens, en fiberoptisk magnetfeltsensor kan implementeres."

Forskerne viste eksperimentelt, at denne sensor kan detektere en lille magnetisk feltændring på 45 mikrotesla, som er flere hundrede gange mindre - eller mere følsom - end 20 millitesla-detektionen ved en konventionel fiberoptisk metode. Til sammenligning, et magnetfelt på omkring 100 mikrotesla måles en tomme væk fra en køkkenmikroovn i drift.

"Magnetiske feltsensorer er ofte nødvendige ved håndtering af forskellige apparater i elektriske kraftsystemer, såsom generatorer og motorer, " sagde Mizuno. "Vi forventer, at fordelene ved vores sensor, inklusive elektrisk isolering og lang målerækkevidde, kan udnyttes i sådanne applikationer."

Leal-Junior bemærkede også, at den foreslåede sensor let kan fremstilles til en lav pris, og at deres tilgang baner vejen for en ny genbrugsmulighed ved at redde smeltede polymere optiske fibre til brug i magnetfeltsensorer.

Forskerne planlægger at forbedre målenøjagtigheden samt yderligere at øge følsomheden af ​​den foreslåede sensor. De vil også forsøge at bruge den samme tilgang til at demonstrere elektrisk feltføling i den nærmeste fremtid.