Скло навчили відчувати: нове оптоволокно виявилося в тисячу разів чутливішим за звичайне

Оптичні лінії зв'язку давно використовуються в якості датчиків сейсмічної активності. Для цього достатньо штатного обладнання, решту роблять фізика поширення світла в волокні та алгоритми. Виявилося, що якщо змінити форму оптоволокна, то чутливість таких датчиків можна підвищити в 1000 разів. Це відкриває шлях буквально до скляних нервів у батареях, літаках, техніці та спорудах, наділяючи їх здатністю відчувати світ і себе в ньому.

Джерело зображення: KTH Royal Institute of Technology

Про розробку повідомили дослідники Королівського технологічного інституту KTH у Швеції (KTH Royal Institute of Technology), а також двох британських університетів — Саутгемптонського (Southampton) та Бристольського (Bristol). Вони представили незвичайне плоске оптоволокно, яке саме по собі стає надчутливим датчиком тиску та температури. Нова платформа отримала назву HARFF — High Aspect-Ratio Flat Fiber, тобто плоске волокно з великим співвідношенням ширини до товщини.

На відміну від звичайного круглого оптоволокна, воно має витягнуте чотирикутне, практично стрічкове перетинання і може містити повітряні канали, кілька світловодів або вставки з інших матеріалів. Така геометрія різко змінює механічну реакцію кварцового скла на поперечне навантаження: створений експериментальний датчик тиску виявився до трьох порядків чутливішим за аналогічні пристрої на основі традиційного круглого кварцового волокна.

Для експериментального плоского оптоволокна було досягнуто співвідношення ширини до товщини приблизно 20:1, а мікроструктуровані зразки могли мати кілька паралельних світловодів. При цьому плоске волокно можна було зварювати з звичайним і підключати до існуючої оптичної апаратури. Іншими словами, для використання нових чудових властивостей плоского оптоволокна нове «залізо» не вимагалося.

Для надання волокну здатності визначати температуру та тиск у ньому створювалися мікропорожнини, а також вносилися добавки у вигляді ряду металів і сплавів, наприклад, сплавів олова. Особливо вражаючі результати були отримані при вимірюванні тиску. Для експерименту використовували мікроструктуроване волокно товщиною 80 мкм і шириною 655 мкм з двома внутрішніми повітряними каналами. Роздільна здатність такого датчика виявилася на рівні одиниць кілопаскалів.

Ту ж платформу дослідники перетворили на високочутливий термометр, заповнивши один з каналів сплавом на основі олова з температурою плавлення близько 220 °C. При нагріванні метал розширюється і створює в склі механічні напруги, які змінюють коефіцієнт його заломлення, що легко вимірюється за допомогою звичайного телекомунікаційного обладнання.

Розробники вважають, що плоскі волокна можна вбудовувати безпосередньо в композити літаків, безпілотників, мостів та інших конструкцій, а також всередину акумуляторів для реєстрації розширення електродів, газоутворення та небезпечного зростання температури. Окрім промисловості, технологія може знайти застосування і в медичних системах моніторингу.

Хочеш дізнатися більше — читай відгуки