بررسی حسگرهای فیبرنوری

حسگرهای فیبرنوری

بررسی حسگرهای فیبر نوری بر اساس گریتینگ های براگ، گریتینگ های دوره طولانی، تشدید پلاسمون سطحی، 

FBG (Fiber bragg grating) چیست؟

صنعت فیبر نوری در ۲۵ سال گذشته پیشرفت زیادى داشته است. اوایل از آنها به منزله بستری برای حمل نور و تصویر برای کاربردهای پزشکی و به ویژه در آندوسکوپی استفاده میشد. در اواسط دهه ی ۶۰ میالدی برای انتقال اطلاعات مکالمات مورداستفاده گسترده قرار گرفت. تاکنون فناورى فیبر نوری موضوعی شایان توجه برای پژوهش بوده است به طورى که امروزه سیستمهای ارتباطی با امواج نورى، روشی برای انتقال مقدار زیادی داده و اطالعات از نقطه اى به نقاط دیگر است.

میزان اتلاف کم، پهنای باند زیاد، اطمینان الکترومغناطیسى، اندازه کوچک، وزن کم، ایمنی، قیمت نسبتا ارزان، نیاز کم به بازسازى و نگهداری از دلایل جذابیت الیاف نوری است.در سـالهاى اخیـر، سنسـورهاى نـورى از جملـه FBG بـه طـور گسـترده در زمینه هـاى مختلـف بـه کار گرفتـه شـده اند. از ایـن کاربردهـا می تـوان بـه تصویرگیـرى درزمینه هاى مهندسـى عمـران، هوافضـا، علـوم دریایـى، نفـت و گاز، کامپوزیت هـا و سـاختارهاى هوشـمند اشـاره کـرد.

بـه دلیـل ابعاد کوچـک، وزن انـدک و ثابـت دى الکتریکـى معادل شیشـه، سنسـورهاى نورى ابزارهـاى مناسـبى بـرا ی کاربـرد در آزمایشهـاى مختلـف انـد.سنسـورهاى الکترونیکـى در برابرپارازیت هـاى الکتریکى و تداخل الکترومغناطیسـى دچـار خطـا می شـوند در حالی که سنسـورهاى نـورى در برابـر ایـن نقـاط ضعـف ایمن هسـتند.

در حال حاضر، سنسورهاى نورى درون مواد کامپوز یتى تعبیه می شوند که به عملکرد بهتر، کاهش تنشهای داخلی و تغییر کل، یافتن ناحیه شروع ترک و آسیب منجر می گردند. ابزارها امکان تصویرگیرى همزمان در هنگام تغییر شکل و کرنش را در نمونه هاى آزمایشى متنوع ایجاد می‌کنند. بعلاوه، انواع خاصی از سنسورهاى نورى قابلیت آزمودن چند نقطه را در مکانها ی مختلف با استفاده از یک فیبر دارند. همچنین براساس سیستمهاى Brillouin و Raman اندازه گیرى دما و کرنش را میتوان انجام داد.

مواد کامپوزیتی: ماده مرکب یا چندسازه که به صورت خلاصه کامپوزیت گفته می‌شود، یک جامد غیر یکنواخت است که از دو یا چند ماده مختلف تشکیل شده‌است که به صورت مکانیکی یا متالورژیکی بهم پیوند خورده‌اند. 

براگ گریتینگ فیبر طولانی مدت

گریتینگ فیبر طولانی مدت (LPFG)، به عنوان یک دستگاه غیرفعال نوری مهم، می تواند با معرفی مدولاسیون ضریب شکست دوره ای به الیاف از طریق فناوری پردازش میکرو/نانو، آماده شود. مانند تمام سنسورهای فیبر نوری، دارای مزایایی مانند مقاومت در برابر تداخل الکترومغناطیسی، مقاومت در برابر خوردگی، حساسیت بالا، اندازه کوچک و سازگاری با سیستم های فیبر نوری است. کاربردهای گسترده ای در زمینه های سنجش و ارتباطات فیبر نوری دارد.

روش های تحلیل نظری

به طور کلی، هر مدولاسیون دوره ای ضریب شکست در یک موجبر نوری را می توان به عنوان “گریتینگ” نامید. گریتینگ های فیبر به نوعی از دستگاه های نوری غیرفعال اطلاق می شود که در الیافی که دارای مدولاسیون ضریب شکست دوره ای هستند تشکیل شده اند، در حالی که LPFG معمولاً به گریتینگ هایی با دوره ۱۰۰ میکرومتری اشاره دارد. نمودار ساختاری LPFG در شکل ۱ نشان داده شده است. هسته فیبر دارای مدولاسیون ضریب شکست دوره ای است، که می تواند نور را از حالت اصلی هسته به حالت هسته مرتبه بالاتر یا حالت پوشش متصل کند.

LPFG به عنوان یک دستگاه حساس محیطی با ویژگی های فیلتر باند استاپ خوب، می تواند به کاربردهای سنجش حساسیت بالا دست یابد. LPFG پارامترهای فیزیکی مانند دما، کرنش، خمش، پیچش و واکنش ضریب شکست را از طریق اثرات مختلف حس می کند و می تواند تغییرات خارجی در مقادیر فیزیکی را به تغییرات در سیگنال های نوری مانند شدت، طول موج، فاز و حالت پلاریزاسیون برای اندازه گیری تبدیل کند. گزارش های ادبیات متعدد و مقالات مروری در مورد تحقیق حسگرهای LPFG برای مرجع وجود دارد.

از منحنی تطبیق فاز، می توان مشاهده کرد که حالت پوشش LPFG در نقطه عطف پراکندگی می تواند به حداکثر حساسیت حسی دست یابد. به طور کلی، دستگاه های LPFG با حساسیت بسیار بالا را می توان در نقطه عطف پراکندگی یا نزدیک به آن با انتخاب ترتیب حالت روکش کوپلینگ و دوره توری آماده کرد.

 برای LPFG با ساختار خاص، مانند LPFG فیبر مارپیچی، به دلیل ساختار مدولاسیون ضریب شکست مارپیچی، دوره توری به راحتی تحت تأثیر گشتاور خارجی قرار می گیرد. هنگامی که جهت گشتاور اعمال شده با جهت ساختار مارپیچی مطابقت داشته باشد، دوره توری مارپیچی کاهش می یابد و بالعکس، دوره توری افزایش می یابد. بنابراین، LPFG فیبر مارپیچی حساسیت پیچشی بالاتری نسبت به LPFG معمولی دارد. در سال های اخیر، پیشرفت قابل توجهی در فناوری آماده سازی LPFG بر اساس الیاف چند حالتی صورت گرفته است.

آزمایش‌ها نشان داده‌اند که پیک تشدید مربوط به کوپلینگ حالت هسته فیبر درجه بالا، حساسیت پیچشی بالاتری نسبت به پیک رزونانس کوپلینگ حالت پوششی LPFG دارد.

با توجه به اتصال نوری حالت بنیادی هسته فیبر به حالت پوشش توسط LPFG، گریتینگ نسبتاً به ضریب شکست محیطی حساس است. به منظور بهبود حساسیت LPFG به تغییرات در ضریب شکست محیطی خارجی، معمولاً سه روش اصلی وجود دارد:

استفاده از ویژگی‌های نقطه عطف پراکندگی حالت روکش فلزی. قطر روکش فیبر را کاهش دهید. از ویژگی های حالت روکش فلزی منطقه انتقال استفاده کنید.

 روش اول می تواند یک دوره توری مناسب بر اساس منحنی تطبیق فاز LPFG برای آماده سازی نقطه عطف پراکندگی LPFG برای اجرا انتخاب کند. روش دوم معمولاً با اچ کردن LPFG برای کاهش قطر روکش فیبر یا با تهیه LPFG در الیاف مخروطی به دست می‌آید. روش سوم را می توان با پوشش دادن یک لایه نانویی با ضریب شکست بالا بر روی LPFG برای ایجاد تبدیل حالت محقق کرد. تعداد زیادی از مطالعات تئوری و تجربی ثابت کرده اند که LPFG دارای حساسیت ضریب شکست بسیار بالایی در ناحیه انتقال حالت است.

با اتخاذ فرآیندهای پوشش بیشتر، عملکرد نوری فیلم بهتر و بهتر می شود و اثر حساسیت ضریب شکست آن بهتر و بهتر می شود.

در کاربردهای عملی، دو یا سه روش را می توان برای دستیابی به حساسیت ضریب شکست بالاتر ترکیب کرد. ترکیب LPFG با برخی مواد جدید می تواند کاربردهای حسی آن را در زیست شناسی، شیمی و فیزیک گسترش دهد. بر اساس ویژگی های حساس ضریب شکست LPFG، تعداد زیادی حسگر شیمیایی، بیولوژیکی و میدان مغناطیسی فیبر نوری را می توان برای کاربردهای خاص مانند نظارت بر محیط زیست، پزشکی از راه دور و شبکه های هوشمند طراحی کرد.

حسگر فیبر نوری مبتنی بر تشدید پلاسمون سطحی (SPR)

تشدید پالسمون سطحی یکی از پدیده های جالبی است که به دلیل داشتن کاربردهای متعدد اپتیکی و فوتونیکی مورد توجه محققین زیادی قرار گرفته است. اولین مورد استفاده تشدید پالسمون سطحی SPR برای آشکارسازی توسط لیدبرگ و همکارانش در سال ۳۹۹۲ گزارش شده است.

از آن به بعد تحقیقات تجربی و تئوری زیادی در این زمینه انجام گرفته است. نوسان دسته جمعی الکترونهای آزاد در سطح پالسما باعث انتشار موج الکترومغناطیسی عرضی به موازات مرز مشترک فلز-دی الکتریک می شود،که موج پالسمون سطحی مینامند.موج پالسمون سطحی توسط باریکه نور پالریزه ،بردار میدان الکتریکی موازی صفحه فرودی برانگیخته میشود.

 وقتی ثابت انتشار نور تابشی و موج پالسمون سطحی با هم برابر باشند، تشدید اتفاق می افتد.

 شرایط تشدید بستگی به زاویه تابش و طول موج نور تابشی و همچنین ضرایب شکست محیط های فلز و دی الکتریک دارد. دو روش برای بررسی تشدید پالسمون سطحی وجود دارد. اگر طول موج نور تابشی ثابت و زایه تابش تغییر داده شود به ازای زاویه ای که تشدید اتفاق می افتد با افت شدید در شدت نور بازتابی مواجه خواهیم شد، این روش بررسی زاویه ای نامیده می شود.

در روش دوم یعنی بررسی طیفی یا طول موجی با ثابت نگه داشتن زاویه تابش طول موج نور تابشی تغییر داده می شود که تشدید در یک طول موج خاص اتفاق می افتد. پارامتر تشدید ، زاویه یا طول موج ،بستگی به ضرایب شکست محیط دی الکتریک و فلز دارد.

اندازه بزرگ ادوات حسگر تشدید پالسمون سطحی مبتنی بر منشور موجب محدودیت حرکت مکانیکی می شود. همچنین، این نوع حسگرها نمی توانند در کاربردهای کنترل از راه دور مورد استفاده قرار بگیرند. در حسگرهای تشدید پالسمون سطحی مبتنی بر فیبر نوری محدودیت های فوق حل شده است.