ساخت فیبر نوری تخت با حساسیت 1000 برابر فشار

محققان فیبر نوری تخت سلاح سنسوری ساخته اند که تا هزار برابر به فشار حساس تر است و می تواند برای نظارت بر دما، ساختار و باتری ها استفاده شود..

گزارش کردن خدمات اینترنت و شبکه تکناکمحققان موسسه سلطنتی فناوری سوئد KTH و دانشگاه ساوتهمپتون بریتانیا این مدل جدید از فیبر نوری سیلیکا مسطح و نواری شکل را توسعه داده اند که در مقایسه با الیاف استوانه ای معمولی واکنش بسیار بیشتری به فشار و نیروهای فیزیکی نشان می دهد.

این فناوری که «الیاف تخت با نسبت تصویر بالا» یا HARFF نام دارد، در یک آزمایش تا هزار برابر حساسیت به فشار را ثبت کرده است و در نسخه دیگر با استفاده از آلیاژ فلزی، توانایی تشخیص دقیق تغییرات دما را نیز نشان داده است.

فیبر نوری بیشتر به عنوان یک رشته شیشه ای برای انتقال داده ها با پالس های نور شناخته می شود، اما همین ساختار را می توان به یک سنسور بسیار دقیق برای اندازه گیری فشار، کشش و دما تبدیل کرد. تغییر شکل یا تغییر دمای شیشه، ویژگی های فیزیکی و نوری آن را تغییر می دهد و محققان می توانند با بررسی نور عبوری از فیبر، میزان نیروی وارده یا تغییر دما را محاسبه کنند.

بیشتر بخوانید: ثبت رکورد جدید انتقال اطلاعات در فیبر نوری توخالی با سرعت 51.3 ترابیت بر ثانیه.

کاهش محدودیت الیاف گرد

بر اساس گزارش نیواطلس، الیاف سیلیسی معمولی اغلب ساختاری استوانه ای دارند. این هندسه برای اندازه گیری نیروهایی که در طول فیبر اعمال می شود مناسب است، اما به نیروهای عرضی و فشار هیدرواستاتیکی که از اطراف به فیبر وارد می شود کمتر پاسخ می دهد. این ویژگی حساسیت الیاف گرد را در برخی از کاربردهای حسگر محدود می کند.

برای حل این مشکل، محققان شکل پایه الیاف را تغییر داده اند. به جای ساختن یک فیبر گرد و سپس صاف کردن آن، HARFF را از مرحله پریفرم با ساختاری صاف طراحی می کنند. این روش منجر به تولید سازه های جامد با نسبت ابعاد نزدیک به 20 به 1 شده است که تاکنون تیم تحقیقاتی تنها از یک پریفرم آزمایشی توانسته بیش از 120 متر از این الیاف را تولید کند که نشان می دهد امکان ساخت آن در طول های طولانی نیز وجود دارد.

تفاوت عملکرد فیبر نوری تخت و فیبر گرد را می توان با مقایسه یک میله گرد و یک خط کش نازک توضیح داد. یک خط کش مسطح در برابر نیروهای خمشی بسیار راحت تر تغییر شکل می دهد. در HARFF، هندسه نوار باعث می شود که فیبر نسبت به فشار و نیروهای خارجی واکنش بیشتری نشان دهد.

همچنین، این طراحی به مهندسان اجازه می دهد تا به طور مستقل عرض، ضخامت، ضخامت دیواره ها و کانال های داخلی فیبر را تنظیم کنند. به این ترتیب آنها می توانند محل خمش شیشه و نقاط تمرکز تنش را از قبل تعیین کنند و فیبر را برای کاربردهای مختلف حسگر بهینه کنند.

محققان برای ساخت نمونه اولیه حسگر فشار، دو کانال هوا را در طول فیبر ایجاد کردند. این ساختار عمداً به صورت نامتقارن طراحی شده است. هنگامی که به فیبر فشار وارد می‌شود، قسمت‌های مختلف اطراف موجبر نوری با شدت‌های متفاوت تغییر شکل می‌دهند و مقدار کرنش متفاوتی در جهات مختلف ایجاد می‌شود.

این تغییر شکل ویژگی به اصطلاح “اشعه دوگانه” را تغییر می دهد. در این پدیده، دو قطبش عمود بر نور که از یک ماده می گذرد، ضریب شکست کمی متفاوت را تجربه می کنند. تغییر فشار می تواند این اختلاف را تغییر دهد و در نتیجه نور عبوری اطلاعاتی در مورد میزان فشار اعمال شده در اختیار محققان قرار می دهد.

بیشتر بخوانید: راهنمای جامع راه اندازی مودم ADSL، VDSL، TD-LTE و فیبر نوری

توری های Bragg تغییرات فشار را به سیگنال های نوری تبدیل می کنند

برای اندازه گیری دقیق این تغییرات، محققان دو توری فیبر براگ یکسان را در داخل موجبر ایجاد کردند. توری های براگ ساختارهای میکروسکوپی و دوره ای هستند که طول موج های خاصی از نور را منعکس می کنند. هنگامی که فیبر کشیده یا فشرده می شود، طول موج منعکس شده نیز تغییر می کند و مهندسان می توانند از این تغییر برای اندازه گیری کرنش استفاده کنند.

قرار دادن دو توری براگ در موجبر باعث ایجاد یک حفره نوری کوچک بین آنها می شود. نوری که از این سوراخ می گذرد الگوی تداخل خاصی ایجاد می کند. هنگامی که فشار فیبر تخت را تغییر شکل می دهد، انکسار دوگانه شیشه نیز تغییر می کند و این تغییر باعث تغییر قابل اندازه گیری در الگوی تداخل نور می شود.

روند عملکرد سنسور را می توان به روشی ساده توضیح داد: فشار فیبر روبان را تغییر شکل می دهد، تغییر شکل خواص نوری شیشه را تغییر می دهد و تغییرات نور نشان دهنده میزان فشار اعمال شده است.

محققان نمونه اولیه حسگر را در یک محفظه فشار قرار دادند و آن را تا فشار 0.40 مگاپاسکال آزمایش کردند. در این آزمایش، آنها پاسخ قله به دره 7.24 دسی بل بر مگاپاسکال را اندازه گیری کردند. با استفاده از روش تحلیلی دیگر، حساسیت فشار تا 31.6 رادیان بر مگاپاسکال ثبت شد.

یکی از نکات مهم این سنسور حساسیت متقابل بسیار پایین آن به دما است. محققان اعلام کردند که حساسیت دمایی این نمونه کمتر از یک درصد حساسیت فشار آن است. این ویژگی کمک می کند تا تغییرات ناشی از فشار را با تغییرات ناشی از دما اشتباه نگیرید.

بر اساس نتایج گزارش شده، حساسیت این طرح در مقایسه با فیبر نوری با مقطع دایره ای و هسته بیضوی سه مرتبه بزرگتر بوده است. این مقدار در برخی شرایط به معنای افزایش حساسیت تا هزار برابر است.

محققان همچنین اظهار داشتند که HARFF می‌تواند تا دو مرتبه حساسیت بیشتری را در مقایسه با سایر طرح‌های فیبر سیلیسی که قبلا برای اندازه‌گیری فشار هیدرواستاتیک بهینه شده بودند، ارائه دهد. این نتایج نشان می دهد که تغییر شکل هندسی فیبر می تواند نقش مهمی در افزایش عملکرد آن به عنوان حسگر داشته باشد.

بیشتر بخوانید: میراث جهانی اینترنت; اولین کابل فیبر نوری اقیانوس اطلس از بستر دریا خارج می شود

تشخیص تغییرات دما با فیبر نوری تخت HARFF

این تیم تحقیقاتی علاوه بر اندازه گیری فشار، امکان استفاده از همین ساختار را برای تشخیص تغییرات دما نیز آزمایش کرده است. برای ساخت سنسور دما، محققان یکی از کانال های داخلی HARFF را با آلیاژ قلع پر کردند.

سیلیس و فلز در برابر افزایش دما رفتار یکسانی ندارند. ضریب انبساط حرارتی سیلیس حدود 0.5 برابر 10 به توان منفی 6 کلوین است در حالی که این مقدار برای آلیاژ مورد استفاده حدود 23 ضربدر 10 به توان منفی 6 کلوین است. در نتیجه، فلز در هنگام گرم شدن بیشتر از شیشه اطراف منبسط می شود.

شیشه از انبساط آزادانه فلز جلوگیری می کند و این تفاوت باعث ایجاد تنش مکانیکی در ساختار سیلیس می شود. تنش حاصل باعث تغییر دوشکستگی فیبر شده و سیگنال نوری قابل اندازه گیری تولید می کند. با بررسی این تغییر نوری، محققان می توانند افزایش یا کاهش دما را تشخیص دهند.

این قابلیت نشان می دهد که HARFF فقط یک سنسور فشار اختصاصی نیست و می توان آن را برای اندازه گیری پارامترهای مختلف با تغییر هندسه داخلی یا مواد قرار داده شده در کانال ها تنظیم کرد. به گفته محققان، اهمیت اصلی این فناوری در امکان طراحی و تنظیم ساختار فیبر نهفته است.

Pawel Maniewski محقق KTH این فناوری را چیزی بیش از یک فیبر با ظاهری متفاوت توصیف می کند. او گفت: “این فقط یک فیبر متفاوت نیست، بلکه یک فضای طراحی جدید برای فیبر نوری است.” ما می‌توانیم با تغییر هندسه، خود شیشه را نسبت به دنیای فیزیکی اطراف خود بسیار پاسخگوتر کنیم.»

مهندسان می‌توانند عرض و ضخامت فیبر، شکل و ابعاد کانال‌های هوا، موقعیت موجبرها و مواد مورد استفاده برای پر کردن کانال‌ها را تغییر دهند. هر یک از این متغیرها می توانند رفتار نوری و مکانیکی فیبر را تغییر دهند و آن را برای نوع خاصی از سنجش مناسب تر کنند.

بیشتر بخوانید: پیشرفت جدید در انتقال کوانتومی از طریق کابل فیبر نوری

کاربردهای احتمالی فیبر نوری HARFF تخت

محققان معتقدند که چنین الیافی را می توان در آینده در ساختارها و محیط های پیشرفته ای که نصب تعداد زیادی حسگر الکترونیکی دشوار یا نامناسب است، استفاده کرد. یکی از نمونه های پیشنهادی، قرار دادن الیاف در ساختار کامپوزیت بال هواپیما است. در چنین شرایطی، فیبر می تواند میزان بار و کرنش اعمال شده به بال را اندازه گیری کند و نیاز به شبکه گسترده ای از حسگرهای الکترونیکی معمولی را کاهش دهد.

کاربردهای مشابهی برای هواپیماهای بدون سرنشین، پل ها و سازه های صنعتی پیشنهاد شده است. تغییرات فشار یا دما در قسمت های داخلی این سازه ها می تواند اطلاعات هشدار دهنده را قبل از بروز مشکل جدی در اختیار کاربران قرار دهد.

باتری ها یکی دیگر از کاربردهای بالقوه این فناوری هستند. افزایش غیرعادی دما یا فشار داخل باتری می تواند نشانه ای از مشکل باشد. فیبرهای حسگر می توانند چنین تغییراتی را ثبت کرده و تشخیص زودهنگام شرایط غیرعادی را امکان پذیر کنند.

فیبرهای نوری چندین مزیت دیگر برای چنین کاربردهایی دارند. آنها سبک و فشرده هستند و بر خلاف اکثر تجهیزات الکترونیکی، تحت تأثیر تداخل الکترومغناطیسی قرار نمی گیرند. این ویژگی می تواند استفاده از آنها را در تجهیزات حساس، سازه های کامپوزیتی و محیط های صنعتی ساده کند.

با این حال، HARFF هنوز یک فناوری تجاری آماده نیست و در مرحله اثبات مفهوم است. محققان تاکید کرده اند که فاصله قابل توجهی بین عملکرد موفقیت آمیز یک فیبر در آزمایشگاه و استفاده گسترده از آن در هواپیما یا سایر سیستم های واقعی وجود دارد.

افت انتشار نوری اندازه گیری شده در نمونه فعلی حدود 0.16 دسی بل بر متر بود. تیم تحقیقاتی این تلفات را بیشتر به هندسه هسته آزمایشی و نوع سیلیس استفاده شده نسبت می دهد و معتقد است که این مقدار محدودیت ذاتی در الیاف تخت را نشان نمی دهد.

اتصال HARFF به فیبرهای معمولی نیز معمولاً کمتر از 3 دسی بل از دست می دهد. این نتیجه نشان می دهد که هنوز امکان قابل توجهی برای بهینه سازی طراحی، مواد و روش اتصال وجود دارد.

هدف محققان در مرحله بعد دستیابی به کنترل دقیق تری بر شکل فیبر، کاهش تلفات نوری و انتقال HARFF از نمونه های اولیه آزمایشگاهی به سیستم های واقعی است. KTH پهپادهای هوشمند، کامپوزیت های پیشرفته و فناوری های انرژی ایمن تر را به عنوان برخی از حوزه های هدف این تحقیق نام برده است.

این فناوری در درجه اول برای سنجش فیبر نوری توسعه یافته است و در نظر گرفته نشده است که جایگزین فیبرهای گرد در شبکه های مخابراتی شود. در انتقال داده ها، فیبرهای نوری استوانه ای معمولی هنوز استاندارد اصلی هستند، اما تحقیقات جدید نشان می دهد که وقتی هدف اندازه گیری دقیق نیروهای فیزیکی باشد، شکل تخت می تواند مزیت بزرگی را ایجاد کند.