Alto compatto

Jul 03, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 8805 (2023) Citare questo articolo

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Dimostriamo un interrogatore di deformazione con reticolo di Bragg in fibra (FBG) basato su un mezzo di dispersione per generare modelli di macchioline stabili e deterministici, calibrati con la deformazione applicata, che dipendono fortemente dai componenti spettrali di retroriflessione dell'FBG. La forte dipendenza dalla lunghezza d'onda dei modelli speckle era precedentemente utilizzata per i misuratori d'onda ad alta risoluzione in cui la diffusione piega effettivamente il percorso ottico, ma l'instabilità rende difficile la realizzazione pratica di tali dispositivi. In questo caso, viene dimostrato un nuovo approccio utilizzando diffusori scritti al laser a femtosecondi all'interno della fibra ottica piatta, per migliorare la stabilità meccanica. Iscrivendo 15 piani di nanovuoti pseudo-randomizzati (714 \(\times\) 500 vuoti per piano) come una matrice 3D in un volume di 1 \(\times\) 0,7 \(\times\) 0,16 mm, la stabilità intrinseca e la compattezza del dispositivo è stata migliorata. Funzionando come un ondemetro, è rimasto stabile per almeno 60 ore con una risoluzione di 45 µm nell'intervallo di lunghezze d'onda di 1040–1056 nm. Come interrogatore FBG in modalità riflessione, dopo aver calibrato i modelli speckle applicando la deformazione a trazione all'FBG, il dispositivo è in grado di rilevare cambiamenti di microdeformazione nell'intervallo 0–200 \(\mu \epsilon\) con un errore standard di 4 \( \mu \epsilon\), limitato dalla dimensione del passo della fase di traduzione. Tutte queste caratteristiche ne fanno una tecnologia interessante per riempire la nicchia dei misuratori d'onda e degli interrogatori a basso costo e ad alta risoluzione che offrono il miglior compromesso disponibile tra risoluzione, compattezza, prezzo e stabilità.

Sono stati condotti approfonditi lavori di ricerca e sviluppo sui reticoli in fibra di Bragg (FBG) come sensori in molti settori, tra cui l'ingegneria civile, l'aeronautica e le telecomunicazioni, grazie alla loro fabbricazione matura, all'elevata sensibilità, alla facilità di multiplexing e all'immunità alle interferenze elettromagnetiche1,2,3 . Qui, dimostriamo un interrogatore FBG per misurazioni di deformazione a trazione, basato sull'analisi dei modelli maculati generati dalla luce retroriflessa dell'FBG. Questo paradigma di mappatura spettrale-spaziale è stato precedentemente sfruttato da misuratori d'onda ricostruttivi utilizzando vari mezzi di dispersione o interferenza4,5,6,7,8 per generare modelli di macchioline deterministici e spettralmente unici. Abbiamo sviluppato una serie 3D di nanovuoti di diffusione, inscritti all'interno di una fibra piatta che agisce come un mezzo di diffusione altamente stabile adatto per un misuratore d'onda e un interrogatore a risoluzione fine, come mostrato in Fig. 1. I modelli speckle, che sono le proiezioni planari dell'interferenza reciproca di la luce proveniente da diversi punti di diffusione, sono unici per ogni data lunghezza d'onda con una mappatura uno a uno. Pertanto, per funzionare come un misuratore di onde, è possibile creare il set di calibrazione delle macchie per determinate lunghezze d'onda sintonizzando la lunghezza d'onda di una sorgente laser, quindi è possibile ricostruire un segnale di lunghezza d'onda sconosciuta nell'intervallo di calibrazione risolvendo equazioni di correlazione dell'algebra lineare5,9,10 ,11,12.

(a) Schema della struttura di dispersione / interferenza multimodale inscritta in fibra piatta. La luce entra attraverso la fibra monomodale nella fibra piatta, quindi si diffrange e si accoppia in varie modalità della fibra piatta. Una volta raggiunta la matrice di diffusione (struttura tratteggiata), la luce viene diffusa e sul rilevatore vengono visualizzati dei puntini. La luce balistica esce dal lato destro e non viene tracciata dal rilevatore. Elementi non in scala. (b) Immagine al microscopio di una matrice di nanovoidi scritti al laser all'interno della struttura di dispersione di fibre piatte.

Il confinamento del percorso ottico nel mezzo di diffusione compatto riduce i costi, la complessità e l'ingombro del dispositivo grazie a una fabbricazione più semplice ed economica del sistema di diffusione in cui sono necessari solo un rilevatore e un mezzo di diffusione. Ciò è in contrasto con i misuratori d'onda/spettrometri convenzionali, che richiedono un mezzo dispersivo per separare spazialmente i componenti della lunghezza d'onda su un rilevatore; tali sistemi utilizzano prismi o reticoli sfusi con componenti aggiuntivi (come monocromatori) e rilevatori lineari, con conseguente maggiore complessità, costi di fabbricazione più elevati e anche dimensioni del dispositivo più grandi poiché è necessaria una lunghezza del percorso maggiore per una risoluzione più precisa. Sebbene esista una chiara tendenza verso la miniaturizzazione dei dispositivi dispersivi basati su mezzi13,14,15,16, permangono chiari compromessi tra risoluzione, dimensioni del dispositivo e costo.