Оптическое волокно обычно представляют как тонкую стеклянную нить круглого сечения, по которой передаются световые импульсы. Такая конструкция прекрасно подходит для интернета и телекоммуникаций, но для некоторых датчиков у нее есть существенный недостаток: круглая форма не слишком хорошо реагирует на силы, действующие сбоку.
Исследователи из Королевского технологического института KTH в Швеции и Университета Саутгемптона в Великобритании предложили неожиданное решение — отказаться от привычной круглой формы. Созданное ими плоское ленточное оптическое волокно High Aspect Ratio Flat Fiber (HARFF) способно значительно сильнее реагировать на внешние воздействия. В одном из экспериментов чувствительность к давлению оказалась до 1000 раз выше, чем у сопоставимого традиционного волокна.
Причем ученым удалось вытянуть из одной экспериментальной заготовки более 120 м такого необычного волокна. Это показывает, что технология потенциально пригодна не только для лабораторных экспериментов.
Как работает оптический датчик
Оптоволокно может быть не только каналом связи, но и весьма чувствительным сенсором. Когда стеклянная нить растягивается, сжимается, нагревается или подвергается давлению, ее физические и оптические свойства немного изменяются. Если пропустить через волокно свет и внимательно измерить эти изменения, можно определить, какое воздействие на него было оказано.
Один из распространенных методов использует волоконные брэгговские решетки — крошечные периодические структуры внутри волокна, которые отражают свет определенной длины волны. При деформации волокна эта длина волны смещается, фактически превращая свет в своеобразную оптическую линейку.
Проблема заключается в геометрии обычного волокна. Цилиндрическая стеклянная нить особенно хорошо воспринимает растяжение вдоль своей оси, но гораздо слабее реагирует на поперечное давление и гидростатические нагрузки.
Именно здесь плоская конструкция получает преимущество.
Почему плоская форма лучше круглой
Исследователи не пытались взять готовое круглое волокно и просто сплющить его. Вместо этого они изначально сформировали заготовку нужной формы, а затем вытянули ее в длинную тонкую нить.
Получившаяся конструкция напоминает стеклянную ленту. Соотношение ширины и толщины может приближаться к 20:1.
Представить принцип можно на простом примере: попробуйте согнуть круглую металлическую палочку и тонкую плоскую линейку. Линейка заметно легче реагирует на воздействие с определенного направления. Примерно такой же эффект возникает и в новом оптическом волокне.
Более того, инженеры получают дополнительные параметры для настройки сенсора. Можно независимо изменять ширину и толщину волокна, толщину отдельных стенок, положение световода и размеры внутренних каналов. Это позволяет заранее определить, где конструкция должна деформироваться сильнее и где будут концентрироваться механические напряжения.
Как измеряется давление
Для создания датчика давления ученые разместили внутри HARFF два вытянутых воздушных канала. Получившаяся асимметричная структура деформируется под давлением неодинаково в разных направлениях.
Это приводит к изменению двулучепреломления — оптического эффекта, при котором две перпендикулярные поляризации света распространяются в одном материале с немного разными показателями преломления.
Внутри световода исследователи также сформировали две одинаковые брэгговские решетки. Между ними возникает крошечная оптическая полость, в которой свет формирует характерную интерференционную картину.
Когда внешнее давление деформирует стеклянную ленту, меняется ее двулучепреломление, а вместе с ним — и интерференционная картина. По этому изменению можно определить величину приложенного давления.
Если упростить до одной цепочки, принцип выглядит так:
давление → деформация волокна → изменение оптических свойств → изменение светового сигнала → измерение давления.
Чувствительность выросла в тысячу раз
Экспериментальный датчик поместили в специальную камеру и испытывали при давлении до 0,40 МПа. Максимальная измеренная характеристика отклика составила 7,24 дБ/МПа, а при использовании другого метода анализа чувствительность достигала 31,6 рад/МПа.
При этом влияние температуры оказалось сравнительно небольшим: температурная перекрестная чувствительность составила менее 1% от чувствительности к давлению. Это важно на практике, поскольку реальный датчик должен уметь отличать изменение давления от изменения температуры окружающей среды.
По данным авторов, новая конструкция обеспечивает чувствительность до трех порядков величины выше, чем у сопоставимого оптического волокна круглого сечения с эллиптической сердцевиной. По сравнению с другими специально оптимизированными кремниевыми волокнами для измерения гидростатического давления преимущество достигает двух порядков.
Одно волокно — разные датчики
Интересно, что изменение геометрии позволяет использовать HARFF не только для измерения давления.
В другом эксперименте один из внутренних каналов волокна заполнили сплавом на основе олова. Коэффициент теплового расширения кремнезема составляет примерно 0,5 × 10⁻⁶/К, тогда как у металлического сплава он достигает около 23 × 10⁻⁶/К.
При нагреве металл стремится расшириться гораздо сильнее окружающего стекла. Однако стеклянная оболочка ограничивает это расширение, из-за чего внутри волокна возникают дополнительные механические напряжения. Они изменяют двулучепреломление, а значит, снова приводят к измеримому изменению оптического сигнала.
Получается своеобразный конструктор: меняя внутреннюю структуру и материалы, можно настроить одно и то же базовое волокно на регистрацию разных физических величин.
Где пригодится новая технология
«Это не просто волокно другой формы, это новое пространство для проектирования оптического волокна», — говорит исследователь KTH Павел Маневский (Pawel Maniewski). По его словам, изменение геометрии позволяет сделать само стекло значительно более чувствительным к окружающим физическим воздействиям.
Потенциальных применений у такой технологии немало.
Например, чувствительное волокно можно встроить непосредственно в композитное крыло самолета. Вместо множества отдельных электронных датчиков такая конструкция сможет непрерывно отслеживать нагрузки и деформации материала.
Похожий подход может найти применение в:
- беспилотных летательных аппаратах;
- мостах и других крупных сооружениях;
- композитных конструкциях;
- промышленных установках;
- аккумуляторных батареях.
Последний вариант особенно интересен. Изменения температуры и давления внутри батареи могут свидетельствовать о развитии опасных процессов. Если чувствительное оптическое волокно способно обнаруживать такие изменения непосредственно внутри конструкции, оно потенциально может стать частью систем раннего предупреждения.
Кроме того, оптические датчики обладают важными практическими преимуществами: они легкие, компактные и не подвержены электромагнитным помехам.
От лабораторного образца до реальной техники
До практического внедрения, однако, еще далеко. HARFF пока остается доказательством концепции, а не готовым промышленным сенсором.
Одно из главных препятствий — потери света. В экспериментальном волокне они составляли около 0,16 дБ/м. Исследователи считают, что основная причина связана с экспериментальной геометрией сердцевины и использованным кремнеземом, а не с принципиальным недостатком плоской конструкции.
Есть и другая проблема: соединение нового волокна с обычным оптическим волокном пока приводит к потерям, обычно не превышающим 3 дБ. Впрочем, это также оставляет пространство для дальнейшей оптимизации.
Следующий этап работы — улучшить контроль формы, уменьшить оптические потери и превратить лабораторные сенсоры в полноценные измерительные системы.
Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.
Почему это важно
Главная ценность HARFF заключается даже не в самой впечатляющей цифре «в тысячу раз». Исследователи фактически показали, что форма оптического волокна сама по себе может стать инструментом проектирования датчика.
Обычное оптоволокно десятилетиями совершенствовали прежде всего как средство передачи информации. Теперь тот же принцип можно рассматривать совершенно иначе: как длинный, гибкий и чрезвычайно чувствительный измерительный элемент, который способен буквально встроиться в конструкцию.
Самолет, мост, беспилотник или аккумулятор в таком случае получают не набор отдельных датчиков, а своего рода распределенную нервную систему из стекла. До подобных систем еще предстоит пройти путь от лаборатории до реальной техники, однако новое плоское волокно показывает, что этот путь вполне может оказаться перспективным.
