Laut einem kürzlich in veröffentlichten Artikel kann die Empfindlichkeit eines Fasersensors mithilfe eines Ausnahmepunkts (EP) um ein Vielfaches erhöht werden Optoelektronische Fortschritte. Die Technik hat das Potenzial, die Fasersensortechnologie in eine neue Ära der Präzision und Genauigkeit zu verwandeln. Während die Forscher diese bemerkenswerte Fähigkeit anhand eines Biegesensors demonstrierten, geht die wahre Leistungsfähigkeit der EP-verstärkten Empfindlichkeit weit darüber hinaus und bietet potenzielle Anwendungen bei verschiedenen vorhandenen Fasersensoren.
Die Grundlage dieser Innovation ist ein sorgfältig entwickelter faseroptischer Biegesensor, der das EP-Konzept nutzt, um eine außergewöhnliche Empfindlichkeit zu erreichen. Der Sensor besteht aus zwei spezialisierten Fabry-Perot (FP)-Resonatoren, in die jeweils zwei Faser-Bragg-Gitter (FBGs) eingebettet sind, die in eine Erbium-Ytterbium-kodotierte Faser (EYDF) eingeschrieben sind. Durch die Steuerung der Pumpleistung werden Verstärkung und Verlust dieser Resonatoren präzise abgestimmt, um die Empfindlichkeitssteigerung zu aktivieren, indem der Sensor nahe seinem Ausnahmepunkt betrieben wird.
Sobald eine Biegekraft auf den Sensor ausgeübt wird, bewegt er sich vom Ausnahmepunkt weg, was zu einem ausgeprägten Frequenzteilungsphänomen führt. Dieser einzigartige Frequenzgang ermöglicht es dem Sensor, kleinste Biegungen oder Krümmungen mit hoher Empfindlichkeit und Präzision zu erkennen.
Um das volle Potenzial dieser EP-verstärkten Empfindlichkeit auszuschöpfen, entwickelten die Forscher einen mikrowellenphotonischen Filter mit zwei Durchlassbändern, der die optische spektrale Reaktion des Sensors in den Mikrowellenbereich umwandelt. Diese clevere Integration ermöglicht Hochgeschwindigkeits- und hochauflösende Messungen und entfesselt so die volle Leistungsfähigkeit der EP-verstärkten Sensorik.
Durch strenge experimentelle Auswertungen zeigte der EP-verstärkte Sensor bemerkenswerte Ergebnisse. Mit einem Krümmungserfassungsbereich von 0,28 bis 2,74 m-1 erreichte es eine Genauigkeit von 7,56 × 10-4 m-1 und eine außergewöhnlich hohe Empfindlichkeit von 1,32 GHz/m-1. Diese außergewöhnlichen Ergebnisse übertrafen die Fähigkeiten früherer Fasersensoren und demonstrierten das bemerkenswerte Potenzial der EP-verstärkten Empfindlichkeit.
Die Entdeckung der EP-verstärkten Empfindlichkeit stellt einen Paradigmenwechsel in der Fasersensorik dar. Über die Anwendung als Biegesensor hinaus kann diese leistungsstarke Technik problemlos in vielen vorhandenen Fasersensoren eingesetzt werden, um eine höhere Präzision zu erzielen.
Die Autoren dieses Artikels stellen einen außergewöhnlich punktuell verstärkten Biegesensor in einer rein faseroptischen Struktur vor. Die Studie hat durch sorgfältiges Design und experimentelle Validierung des Sensors bemerkenswerte Ergebnisse erzielt.
Die entscheidende Innovation liegt in der Nutzung der einzigartigen Eigenschaften von EPs in optischen Fasern, um eine hochempfindliche Erkennung von Biegekräften in der Nähe eines bestimmten Punktes zu erreichen. Wenn eine externe Biegekraft ausgeübt wird, kommt es zu einer Aufspaltung der optischen Moden am EP, was zu einem Frequenzaufspaltungsphänomen führt. Dieses Phänomen liefert wertvolle Informationen über die äußere Biegekraft und ermöglicht so präzise Messungen.
Im Gegensatz zu herkömmlichen linearen Sensoren zeigt der EP-verstärkte Sensor eine nichtlineare Reaktion in der Nähe des EP, was zu einer deutlich erhöhten Empfindlichkeit führt. Um schnelle und hochauflösende Sensormessungen zu ermöglichen, wird außerdem die Mikrowellenphotoniktechnik eingesetzt, um die optische Spektralreaktion des Sensors in den Mikrowellenbereich zu übertragen und so hochauflösende Messungen mit verbesserter Gesamtleistung zu ermöglichen.
Diese faseroptische Sensortechnologie bietet eine kostengünstige Lösung zur Verbesserung der Empfindlichkeit herkömmlicher hermitischer faseroptischer Sensoren. Die Vielseitigkeit der Technik ermöglicht die Anwendung auf verschiedene vorhandene FBG-Sensoren und erleichtert so die Implementierung in Szenarien, in denen eine hohe Empfindlichkeit erforderlich ist.
Die Fähigkeit des EP-Punkt-verstärkten Biegesensors, schwache Signale zu erkennen, macht ihn äußerst nützlich für den Schutz kritischer Infrastrukturen, insbesondere in der Anfangsphase von Sicherheitsunfällen, wie Tunneln, Brücken und Kernkraftwerken. Durch diesen Sensor ermöglichte Frühwarnungen können wirtschaftliche und menschliche Verluste abmildern und erhebliche gesellschaftliche Vorteile mit sich bringen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Forschung einen bemerkenswerten Beitrag zur faseroptischen Sensorik darstellt. Die einzigartigen Fähigkeiten des EP-verstärkten Biegesensors verbessern Präzision und Empfindlichkeit auf kostengünstige Weise und machen ihn zu einem vielversprechenden Fortschritt auf diesem Gebiet. Das Potenzial, diese Technologie auf bestehende faseroptische Sensoren anzuwenden, und ihre Anwendung beim Schutz kritischer Infrastrukturen verdeutlichen die weitreichenden Auswirkungen, die sie auf Sicherheit und Innovation in verschiedenen Branchen haben kann. Diese Arbeit schafft die Grundlage für weitere Fortschritte in der faseroptischen Sensorik und eröffnet neue Möglichkeiten für hochempfindliche Messungen mit Auswirkungen auf breitere praktische Anwendungen.
Mehr Informationen:
Zheng Li et al., Außergewöhnliche punktgestützte Erfassung in einem All-Fiber-Biegesensor, Optoelektronische Fortschritte (2023). DOI: 10.29026/oea.2023.230019
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