Alto compacto

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 8805 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Demonstramos um interrogador de deformação de rede de Bragg de fibra (FBG) baseado em um meio de espalhamento para gerar padrões de manchas estáveis ​​e determinísticos, calibrados com deformação aplicada, que são altamente dependentes dos componentes espectrais de retro-reflexão do FBG. A forte dependência do comprimento de onda dos padrões de manchas foi usada anteriormente para medidores de ondas 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 através da utilização de dispersores escritos a laser de femtossegundos dentro de fibra óptica plana, para aumentar a estabilidade mecânica. Ao inscrever 15 planos de nanovoides pseudo-randomizados (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 ondas, permaneceu estável por pelo menos 60 horas com resolução de 45 horas na faixa de comprimento de onda de 1.040 a 1.056 nm. Como um interrogador FBG de modo de reflexão, após calibrar padrões de manchas aplicando tensão de tração ao FBG, o dispositivo é capaz de detectar alterações de microdeformação na faixa de 0–200 \(\mu \epsilon\) com um erro padrão de 4 \( \mu \epsilon\), limitado pelo tamanho do passo da etapa de tradução. Todas essas características tornam-no uma tecnologia interessante para preencher o nicho de medidores de ondas e interrogadores de baixo custo e alta resolução, que oferecem o melhor compromisso disponível entre resolução, compacidade, preço e estabilidade.

Tem havido 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 interferências eletromagnéticas1,2,3 . Aqui, demonstramos um interrogador FBG para medições de tensão de tração, com base na análise dos padrões de manchas gerados pela luz retrorrefletida do FBG. Este paradigma de mapeamento espectral-espacial foi anteriormente explorado por medidores de ondas reconstrutivos usando vários meios de dispersão ou interferência para gerar padrões de manchas determinísticas e espectralmente únicos. Desenvolvemos um conjunto 3D de nanovoides de espalhamento, inscritos dentro de uma fibra plana que atua como um meio de espalhamento altamente estável, adequado para um medidor de ondas de resolução fina e interrogador, como mostrado na Fig. 1. Os padrões de manchas, 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 dos speckles para determinados comprimentos de onda pode ser criado ajustando um comprimento de onda da fonte de laser, e então 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 através da fibra monomodo na fibra plana, depois difrata e se acopla em vários modos de fibra plana. Uma vez atingida a matriz de dispersão (estrutura tracejada), a luz é espalhada e manchas são visualizadas no detector. A luz balística sai pelo lado direito e não é detectada pelo detector. Elementos fora de escala. (b) Imagem microscópica de um conjunto de nanovoides escritos a laser dentro de uma estrutura de espalhamento de fibra plana.

Confinar o caminho óptico no meio de dispersão compacto reduz o custo, a complexidade e a área ocupada pelo dispositivo devido a uma fabricação mais fácil e de baixo custo do sistema de dispersão, onde apenas um detector e um meio de dispersão são necessários. Isto contrasta com os medidores de ondas/espectrômetros convencionais, que requerem um meio dispersivo para separar espacialmente os componentes do comprimento de onda em um detector; tais sistemas utilizam prismas ou grades em massa com componentes adicionais (como monocromadores) e detectores lineares, resultando em mais complexidade, maior custo de fabricação e também maior tamanho do dispositivo, uma vez que é necessário um comprimento de caminho mais longo para uma resolução mais precisa. Embora exista uma tendência clara para a miniaturização de dispositivos dispersivos baseados em meios13,14,15,16, permanecem claros compromissos entre resolução, tamanho do dispositivo e custo.