Исключительно повышенная чувствительность: новая парадигма для высокочувствительных волоконных датчиков

Чувствительность волоконного датчика можно повысить в несколько раз, используя исключительную точку (EP). Эта технология потенциально может перевести технологию волоконного зондирования в новую эру точности и аккуратности. Хотя исследователи продемонстрировали эту замечательную возможность с помощью датчика изгиба, истинная сила повышенной чувствительности EP выходит далеко за рамки возможного применения в различных существующих волоконных датчиках.

В основе этой инновации лежит тщательно разработанный оптоволоконный датчик изгиба, в котором используется концепция EP для достижения исключительной чувствительности . Датчик состоит из двух специализированных резонаторов Фабри-Перо (FP), в каждый из которых встроены две волоконные брэгговские решетки (ВБР), вписанные в волокно, легированное эрбием-иттербием (EYDF). Управляя мощностью накачки, усиление и потери этих резонаторов точно настраиваются, чтобы активировать повышение чувствительности, перемещая датчик вблизи его исключительной точки.

Как только к датчику прикладывается изгибающая сила, его работа отклоняется от исключительной точки, что приводит к характерному явлению разделения частоты. Эта уникальная частотная характеристика позволяет датчику обнаруживать малейшие изгибы или кривые с высокой чувствительностью и точностью.

Чтобы реализовать весь потенциал этой повышенной чувствительности с помощью EP, исследователи разработали двухполосный микроволново-фотонный фильтр, преобразующий оптический спектральный отклик датчика в микроволновую область. Эта продуманная интеграция позволяет проводить измерения с высокой скоростью и высоким разрешением, раскрывая всю мощь EP-зондирования.

Благодаря строгим экспериментальным оценкам датчик с улучшенными EP продемонстрировал замечательные результаты. При диапазоне измерения кривизны от 0,28 до 2,74 м -1 он достиг точности 7,56 × 10-4 м -1  и исключительно высокой чувствительности 1,32 ГГц/м -1. Эти выдающиеся результаты превзошли возможности предыдущих волоконных датчиков, демонстрируя заметный потенциал чувствительности, повышенной с помощью EP.

Открытие повышенной чувствительности с помощью EP представляет собой сдвиг парадигмы в распознавании волокон. Помимо применения датчиков изгиба, этот мощный метод можно легко использовать во многих существующих волоконных датчиках для повышения точности.

Авторы этой статьи представляют датчик изгиба с исключительным точечным усилением в полностью оптоволоконной структуре. Исследование достигло примечательных результатов благодаря тщательному проектированию и экспериментальной проверке датчика.

Ключевое нововведение заключается в использовании уникальных свойств ЭП в оптических волокнах для достижения высокочувствительного обнаружения изгибающих сил вблизи определенной точки. При приложении внешней изгибающей силы оптические моды в ЭП расщепляются, что приводит к явлению расщепления частот. Это явление дает ценную информацию о внешней изгибающей силе, что позволяет проводить точные измерения.

В отличие от обычных линейных датчиков, датчик с улучшенным EP демонстрирует нелинейный отклик вблизи EP, что приводит к значительному увеличению чувствительности. Кроме того, для достижения высокоскоростных измерений датчика с высоким разрешением используется метод микроволновой фотоники, который преобразует оптический спектральный отклик датчика в микроволновую область, что позволяет проводить измерения с высоким разрешением и улучшенными общими характеристиками.

Эта технология оптоволоконных датчиков предлагает экономичное решение для повышения чувствительности традиционных волоконно-оптических датчиков Hermitian. Универсальность метода позволяет применять его к различным существующим датчикам ВБР, что упрощает реализацию в сценариях, где требуется высокая чувствительность.

Способность датчика изгиба с усилением точки EP обнаруживать слабые сигналы делает его чрезвычайно полезным для защиты критически важных инфраструктур , особенно на начальных стадиях аварий, таких как туннели, мосты и атомные электростанции. Ранние предупреждения, обеспечиваемые этим датчиком, могут смягчить экономические и человеческие потери, обеспечивая значительные социальные выгоды.

В заключение, это исследование представляет собой заметный вклад в оптоволоконные датчики. Уникальные возможности датчика изгиба с усилением EP повышают точность и чувствительность экономически эффективным способом, что делает его многообещающим достижением в этой области. Потенциал применения этой технологии к существующим оптоволоконным датчикам и ее применение для защиты критически важных инфраструктур указывают на далеко идущее влияние, которое она может оказать на безопасность и инновации в различных отраслях. Эта работа закладывает основу для дальнейшего развития оптоволоконных датчиков, открывая новые возможности для высокочувствительных измерений, которые могут иметь последствия для более широкого практического применения.