Компактный высокий

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 8805 (2023) Цитировать эту статью

732 Доступа

Подробности о метриках

Мы демонстрируем датчик деформации на волоконной брэгговской решетке (ВБР) на основе рассеивающей среды для генерации стабильных и детерминированных спекл-паттернов, откалиброванных с помощью приложенной деформации, которые сильно зависят от спектральных компонентов обратного отражения ВБР. Сильная зависимость спекл-паттернов от длины волны ранее использовалась для волномеров высокого разрешения, где рассеяние эффективно сгибает оптический путь, но нестабильность затрудняет практическую реализацию таких устройств. Здесь демонстрируется новый подход с использованием фемтосекундных рассеивателей с лазерной записью внутри плоского оптического волокна для повышения механической стабильности. Путем вписывания 15 плоскостей псевдорандомизированных нановоидов (714 \(\times\) 500 пустот на плоскость) в виде 3D-массива в объёме 1 \(\times\) 0,7 \(\times\) 0,16 мм внутренняя стабильность и улучшена компактность устройства. Работая в качестве волномера, он оставался стабильным в течение не менее 60 часов с разрешением 45 пм в диапазоне длин волн 1040–1056 нм. В качестве опросника ВБР в режиме отражения после калибровки спекл-картин путем приложения к ВБР растягивающей деформации устройство способно обнаруживать изменения микродеформации в диапазоне 0–200 \(\мю \эпсилон\) со стандартной ошибкой 4 \( \mu \epsilon\), ограниченное размером шага этапа трансляции. Все эти характеристики делают эту технологию интересной для заполнения ниши недорогих волномеров и опросников с высоким разрешением, которые предлагают наилучший доступный компромисс между разрешением, компактностью, ценой и стабильностью.

Проводились обширные исследования и разработки волоконных решеток Брэгга (ВБР) в качестве датчиков во многих отраслях, включая гражданское строительство, авиацию и телекоммуникации, благодаря их проверенному производству, высокой чувствительности, простоте мультиплексирования и невосприимчивости к электромагнитным помехам1,2,3 . Здесь мы демонстрируем запросчик ВБР для измерения деформации растяжения, основанный на анализе спекл-паттернов, генерируемых обратным отраженным светом ВБР. Эта парадигма спектрально-пространственного отображения ранее использовалась реконструктивными волномерами с использованием различных рассеивающих или интерференционных сред4,5,6,7,8 для создания детерминированных и спектрально уникальных спекл-паттернов. Мы разработали трехмерный массив рассеивающих нановоид, вписанных в плоское волокно, которое действует как высокостабильная рассеивающая среда, подходящая для волномера и опросчика с высоким разрешением, как показано на рис. 1. Спкл-паттерны, которые представляют собой плоские проекции взаимной интерференции свет от разных точек рассеяния уникален для любой заданной длины волны с взаимно однозначным отображением. Следовательно, чтобы работать в качестве волномера, калибровочный набор спеклов для заданных длин волн можно создать путем настройки длины волны лазерного источника, а затем неизвестный сигнал длины волны в калибровочном диапазоне можно восстановить путем решения корреляционных уравнений линейной алгебры5,9,10 ,11,12.

(а) Схема рассеянной/мультимодальной интерференционной структуры с вписанным в него плоским волокном. Свет проникает через одномодовое волокно в плоское волокно, затем дифрагирует и соединяется с различными модами плоского волокна. Как только он достигает матрицы рассеяния (пунктирная структура), свет рассеивается, и на детекторе появляются спеклы. Баллистический свет выходит с правой стороны и не отслеживается детектором. Элементы не масштабируются. (б) Микроскопическое изображение массива нанопор, записанных лазером, внутри структуры рассеяния плоского волокна.

Ограничение оптического пути компактной рассеивающей средой снижает стоимость, сложность и занимаемую площадь устройства благодаря более простому и дешевому изготовлению рассеивающей системы, где необходимы только детектор и рассеивающая среда. В этом отличие от обычных волномеров/спектрометров, которым требуется дисперсионная среда для пространственного разделения компонентов длины волны на детекторе; в таких системах используются объемные призмы или решетки с дополнительными компонентами (например, монохроматорами) и линейными детекторами, что приводит к большей сложности, более высокой стоимости изготовления, а также к большему размеру устройства, поскольку для более высокого разрешения требуется большая длина пути. Хотя существует явная тенденция к миниатюризации устройств на основе дисперсионной среды13,14,15,16, остается явный компромисс между разрешением, размером устройства и стоимостью.