ساخت فیبر نوری تخت با حساسیت هزار برابری به فشار

پژوهشگران فیبر نوری تختHARFFرا توسعه داده‌اند که تا هزار برابر به فشار حساس‌تر است و می‌تواند برای پایش دما، سازه‌ها و باتری‌ها استفاده شود.

به گزارشسرویساینترنت و شبکهتک‌ناکپژوهشگران مؤسسه سلطنتی فناوری KTH سوئد و دانشگاه ساوت‌همپتون بریتانیا، این مدل تازه‌ ازفیبر نوریسیلیکایی تخت و نواری‌شکل را توسعه داده‌اند که در مقایسه با فیبرهای استوانه‌ای معمولی، واکنش بسیار بیشتری به فشار و نیروهای فیزیکی نشان می‌دهد.

این فناوری که «فیبر تخت با نسبت ابعادی بالا» یا HARFF نام دارد، در یکی از آزمایش‌ها تا هزار برابر حساسیت بیشتر به فشار ثبت کرده و در نسخه‌ای دیگر با استفاده از آلیاژ فلزی، توانایی تشخیص دقیق تغییرات دما را نیز نشان داده است.

فیبر نوری بیشتر به‌ عنوان رشته‌ای شیشه‌ای برای انتقال داده با پالس‌های نور شناخته می‌شود، اما همین ساختار می‌تواند به حسگری بسیار دقیق برای اندازه‌گیری فشار، کشش و دما تبدیل شود. تغییر شکل یا تغییر دمای شیشه، ویژگی‌های فیزیکی و نوری آن را تغییر می‌دهد و پژوهشگران می‌توانند با بررسی نور عبوری از فیبر، مقدار نیروی واردشده یا تغییر دما را محاسبه کنند.

بیشتر بخوانیدثبت رکورد جدید انتقال داده در فیبر نوری توخالی با سرعت ۵۱.۳ ترابیت‌برثانیه

کاهش محدودیت فیبرهای گرد

براساس گزارش نیواطلس، فیبرهای سیلیکایی معمولی اغلب ساختار استوانه‌ای دارند. این هندسه برای اندازه‌گیری نیروهایی مناسب است که در امتداد طول فیبر وارد می‌شوند، اما در برابر نیروهای عرضی و فشار هیدرواستاتیکی که از اطراف به فیبر وارد می‌شود، واکنش کمتری نشان می‌دهد. همین ویژگی، حساسیت فیبرهای گرد را در برخی کاربردهای حسگری محدود می‌کند.

پژوهشگران برای حل این مشکل، شکل پایه فیبر را تغییر داده‌اند. آنها به‌جای ساخت یک فیبر گرد و سپس تخت‌ کردن آن، HARFF را از مرحله پیش‌فرم با ساختاری تخت طراحی می‌کنند. این روش به تولید ساختارهای جامدی با نسبت ابعادی نزدیک به ۲۰ به ۱ منجر شده است. تیم تحقیقاتی تاکنون توانسته است بیش از ۱۲۰ متر از این فیبر را تنها از یک پیش‌فرم آزمایشی تولید کند که نشان می‌دهد ساخت آن در طول‌های زیاد نیز امکان‌پذیر است.

تفاوت عملکرد میان فیبر نوری تخت و فیبر گرد را می‌توان با مقایسه یک میله گرد و یک خط‌کش باریک توضیح داد. یک خط‌کش تخت در برابر نیروهای خمشی بسیار آسان‌تر تغییر شکل می‌دهد. در HARFF نیز هندسه نواری باعث می‌شود فیبر نسبت به فشار و نیروهای خارجی واکنش بیشتری نشان دهد.

همچنین این طراحی به مهندسان اجازه می‌دهد عرض، ضخامت، ضخامت دیواره‌ها و کانال‌های داخلی فیبر را به‌ صورت مستقل تنظیم کنند. به این ترتیب، آنها می‌توانند محل خم‌ شدن شیشه و نقاط تمرکز تنش را از قبل تعیین کنند و فیبر را برای کاربردهای مختلف حسگری بهینه نمایند.

پژوهشگران برای ساخت نمونه حسگر فشار، دو کانال هوای کشیده در طول فیبر ایجاد کردند. این ساختار به‌طور عمدی نامتقارن طراحی شده است. وقتی فشار به فیبر وارد می‌شود، بخش‌های مختلف اطراف موجبر نوری با شدت متفاوتی تغییر شکل می‌دهند و مقدار متفاوتی از کرنش در جهت‌های مختلف ایجاد می‌شود.

این تغییر شکل ویژگی‌ موسوم به «دوپرتویی» را تغییر می‌دهد. در این پدیده، دو قطبش عمود بر یکدیگر از نور که از یک ماده عبور می‌کنند، ضریب شکست اندکی متفاوت را تجربه می‌کنند. تغییر فشار می‌تواند این اختلاف را تغییر دهد و در نتیجه، نور عبوری اطلاعاتی درباره میزان فشار واردشده در اختیار پژوهشگران قرار دهد.

بیشتر بخوانیدراهنمای جامع تنظیم مودم ADSL، VDSL، TD-LTE و فیبر نوری

توری‌های براگ، تغییر فشار را به سیگنال نوری تبدیل می‌کنند

پژوهشگران برای اندازه‌گیری دقیق این تغییرات، دو توری براگ فیبری یکسان را درون موجبر ایجاد کردند. توری‌های براگ، ساختارهای میکروسکوپی و دوره‌ای هستند که طول موج‌های مشخصی از نور را بازتاب می‌دهند. وقتی فیبر کشیده یا فشرده می‌شود، طول موج بازتاب‌شده نیز تغییر می‌کند و مهندسان می‌توانند از این تغییر برای اندازه‌گیری کرنش استفاده کنند.

قرار گرفتن دو توری براگ در موجبر، حفره نوری کوچکی میان آنها ایجاد می‌کند. نوری که از این حفره عبور می‌کند، الگوی تداخل مشخصی به وجود می‌آورد. وقتی فشار، فیبر تخت را تغییر شکل می‌دهد، دوپرتویی شیشه نیز تغییر می‌کند و این تغییر باعث جابه‌جایی قابل اندازه‌گیری الگوی تداخل نور می‌شود.

فرایند عملکرد حسگر را می‌توان به شکل ساده چنین توضیح داد: فشار، فیبر نواری را تغییر شکل می‌دهد، تغییر شکل، ویژگی‌های نوری شیشه را تغییر می‌دهد و تغییرات نور نیز مقدار فشار واردشده را نشان می‌دهد.

پژوهشگران نمونه آزمایشی حسگر را درون یک محفظه فشار قرار دادند و آن را تا فشار ۰٫۴۰ مگاپاسکال آزمایش کردند. در این آزمایش، آنها پاسخ قله تا دره ۷٫۲۴ دسی‌بل بر مگاپاسکال را اندازه‌گیری کردند. با استفاده از روش تحلیلی دیگری نیز حساسیت فشار تا ۳۱٫۶ رادیان بر مگاپاسکال ثبت شد.

یکی از نکات مهم این حسگر، حساسیت متقابل بسیار پایین آن به دما است. پژوهشگران اعلام کردند که حساسیت دمایی این نمونه کمتر از یک درصد حساسیت آن به فشار بوده است. این ویژگی کمک می‌کند تغییرات ناشی از فشار با تغییرات ناشی از دما اشتباه گرفته نشوند.

بر اساس نتایج گزارش‌شده، حساسیت این طراحی در مقایسه با یک فیبر نوری با مقطع دایره‌ای و هسته بیضوی، تا سه مرتبه بزرگی بیشتر بوده است. این مقدار در برخی شرایط به معنای افزایش حساسیت تا هزار برابر است.

همچنین پژوهشگران بیان کردند که HARFF در مقایسه با دیگر طراحی‌های فیبر سیلیکایی که پیش‌تر برای اندازه‌گیری فشار هیدرواستاتیکی بهینه شده بودند، می‌تواند تا دو مرتبه بزرگی حساسیت بیشتری ارائه کند. این نتایج نشان می‌دهد تغییر شکل هندسی فیبر می‌تواند نقش مهمی در افزایش عملکرد آن به‌ عنوان حسگر داشته باشد.

بیشتر بخوانیدمیراث اینترنت جهان؛ نخستین کابل فیبر نوری اقیانوس اطلس از بستر دریا خارج می‌‌شود

تشخیص تغییرات دمای فیبر نوری تخت HARFF

تیم تحقیقاتی علاوه بر اندازه‌گیری فشار، امکان استفاده از همین ساختار را برای تشخیص تغییرات دما نیز آزمایش کرده است. پژوهشگران برای ساخت حسگر دما، یکی از کانال‌های داخلی HARFF را با آلیاژی بر پایه قلع پر کردند.

سیلیکا و فلز در برابر افزایش دما رفتار یکسانی ندارند. ضریب انبساط حرارتی سیلیکا حدود ۰٫۵ ضرب‌در ۱۰ به توان منفی ۶ بر کلوین است، درحالی‌که این مقدار برای آلیاژ استفاده‌شده حدود ۲۳ ضرب‌در ۱۰ به توان منفی ۶ بر کلوین اعلام شده است. در نتیجه، فلز هنگام گرم‌ شدن تلاش می‌کند بسیار بیشتر از شیشه اطراف خود منبسط شود.

شیشه مانع از انبساط آزادانه فلز می‌شود و همین اختلاف، تنش مکانیکی در ساختار سیلیکا ایجاد می‌کند. تنش ایجادشده، دوپرتویی فیبر را تغییر می‌دهد و یک سیگنال نوری قابل اندازه‌گیری تولید می‌کند. پژوهشگران با بررسی همین تغییر نوری می‌توانند افزایش یا کاهش دما را تشخیص دهند.

این قابلیت نشان می‌دهد HARFF فقط یک حسگر اختصاصی فشار نیست و می‌توان با تغییر هندسه داخلی یا مواد قرارگرفته در کانال‌ها، آن را برای اندازه‌گیری پارامترهای مختلف تنظیم کرد. به گفته پژوهشگران، اهمیت اصلی این فناوری در همین امکان طراحی و تنظیم ساختار فیبر نهفته است.

پاول مانیفسکی، پژوهشگر KTH، این فناوری را چیزی فراتر از یک فیبر با ظاهر متفاوت توصیف کرده است. او گفت: «این فقط یک فیبر با ظاهر متفاوت نیست، بلکه فضای طراحی جدیدی برای فیبر نوری است. ما می‌توانیم با تغییر هندسه، خود شیشه را در برابر دنیای فیزیکی اطراف آن بسیار پاسخگوتر کنیم.»

مهندسان می‌توانند عرض و ضخامت فیبر، شکل و ابعاد کانال‌های هوا، موقعیت موجبرها و مواد پرکننده کانال‌ها را تغییر دهند. هرکدام از این متغیرها می‌تواند رفتار مکانیکی و نوری فیبر را تغییر دهد و آن را برای یک نوع خاص از حسگری مناسب‌تر کند.

بیشتر بخوانیددستاوردی جدید در انتقال کوانتومی از طریق کابل فیبر نوری

کاربردهای احتمالی فیبر نوری تخت HARFF

پژوهشگران معتقد هستند چنین فیبرهایی در آینده می‌توانند در ساختارهای پیشرفته و محیط‌هایی استفاده شوند که نصب تعداد زیادی حسگر الکترونیکی دشوار یا نامناسب است. یکی از نمونه‌های مطرح‌شده، قرار دادن فیبر درون ساختار کامپوزیتی بال هواپیما است. در چنین شرایطی، فیبر می‌تواند میزان بار و کرنش واردشده به بال را اندازه‌گیری کند و نیاز به شبکه گسترده‌ای از حسگرهای الکترونیکی معمولی را کاهش دهد.

کاربردهای مشابهی برای پهپادها، پل‌ها و سازه‌های صنعتی نیز مطرح شده است. تغییرات فشار یا دما در بخش‌های داخلی این سازه‌ها می‌تواند پیش از بروز یک مشکل جدی، اطلاعات هشداردهنده در اختیار کاربران قرار دهد.

باتری‌ها نیز یکی دیگر از کاربردهای بالقوه این فناوری هستند. افزایش غیرعادی دما یا فشار درون یک باتری می‌تواند نشانه‌ای از بروز مشکل باشد. فیبرهای حسگر می‌توانند چنین تغییراتی را ثبت کنند و امکان تشخیص زودهنگام شرایط غیرعادی را فراهم آورند.

فیبرهای نوری چند مزیت دیگر نیز برای چنین کاربردهایی دارند. آنها سبک و کم‌حجم هستند و برخلاف بسیاری از تجهیزات الکترونیکی، تحت تأثیر تداخل الکترومغناطیسی قرار نمی‌گیرند. این ویژگی می‌تواند استفاده از آنها را در تجهیزات حساس، سازه‌های کامپوزیتی و محیط‌های صنعتی ساده‌تر کند.

با وجود این‌، HARFF هنوز یک فناوری آماده استفاده تجاری نیست و در مرحله اثبات مفهوم قرار دارد. پژوهشگران تأکید کرده‌اند که میان عملکرد موفق یک فیبر در آزمایشگاه و استفاده گسترده از آن در هواپیماها یا دیگر سیستم‌های واقعی، فاصله قابل‌ توجهی وجود دارد.

تلفات انتشار نوری اندازه‌گیری‌شده در نمونه فعلی حدود ۰٫۱۶ دسی‌بل بر متر بوده است. تیم تحقیقاتی این تلفات را بیشتر به هندسه آزمایشی هسته و نوع سیلیکای استفاده‌شده نسبت می‌دهد و معتقد است این مقدار نشان‌دهنده یک محدودیت ذاتی در فیبرهای تخت نیست.

اتصال HARFF به فیبرهای معمولی نیز معمولا کمتر از ۳ دسی‌بل تلفات ایجاد کرده است. این نتیجه نشان می‌دهد هنوز امکان قابل‌ توجهی برای بهینه‌سازی طراحی، مواد و روش اتصال وجود دارد.

پژوهشگران در ادامه قصد دارند کنترل دقیق‌تری بر شکل فیبر به دست آورند، تلفات نوری را کاهش دهند و HARFF را از نمونه‌های آزمایشگاهی به سیستم‌های واقعی منتقل کنند. KTH از پهپادهای هوشمند، کامپوزیت‌های پیشرفته و فناوری‌های ایمن‌تر حوزه انرژی به‌ عنوان برخی از حوزه‌های هدف این پژوهش نام برده است.

این فناوری در درجه نخست برای حسگری فیبر نوری توسعه یافته است و هدف آن جایگزینی فیبرهای گرد در شبکه‌های مخابراتی نیست. در انتقال داده، فیبرهای نوری استوانه‌ای معمولی همچنان استاندارد اصلی محسوب می‌شوند، اما پژوهش جدید نشان می‌دهد وقتی هدف اندازه‌گیری دقیق نیروهای فیزیکی باشد، شکل تخت می‌تواند مزیت بسیار بزرگی ایجاد کند.

نوشتهساخت فیبر نوری تخت با حساسیت هزار برابری به فشاراولین بار درTechnoc. پدیدار شد.

برای ارزیابی پایداری، امنیت و نگهداری این زیرساخت، راهنمای پشتیبانی شبکه را نیز مطالعه کنید.