콤팩트 하이

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 8805(2023) 이 기사 인용

662 액세스

측정항목 세부정보

우리는 산란 매체를 기반으로 하는 섬유 브래그 격자(FBG) 스트레인 인터로게이터를 시연하여 FBG 역반사 스펙트럼 구성 요소에 크게 의존하는 적용된 스트레인으로 보정된 안정적이고 결정적인 반점 패턴을 생성합니다. 스펙클 패턴의 강력한 파장 의존성은 이전에 산란이 광학 경로를 효과적으로 접는 고해상도 파장계에 사용되었지만 불안정으로 인해 이러한 장치의 실제 구현이 어렵습니다. 여기서는 평면 광섬유 내부에 펨토초 레이저로 기록된 산란체를 활용하여 기계적 안정성을 향상시키는 새로운 접근 방식을 보여줍니다. 1\(\times\) 0.7 \(\times\) 0.16mm 부피의 15개 평면의 의사 무작위 나노공극(평면당 714\(\times\) 500개 공극)을 3D 배열로 새김으로써 고유 안정성과 장치의 소형화를 개선했습니다. 파장계로 작동하면 1040~1056nm의 파장 범위에 걸쳐 45pm 분해능으로 최소 60시간 동안 안정적으로 유지되었습니다. 반사 모드 FBG 인터로게이터로서 FBG에 인장 변형을 적용하여 스펙클 패턴을 보정한 후 장치는 표준 오차 4 \( \mu \epsilon\), 번역 단계 단계 크기에 따라 제한됩니다. 이러한 모든 특성으로 인해 해상도, 소형화, 가격 및 안정성 간의 최상의 균형을 제공하는 저가형 고해상도 파장계 및 인터로게이터의 틈새 시장을 채우기 위한 흥미로운 기술이 되었습니다.

섬유 브래그 격자(FBG)는 성숙한 제작, 고감도, 다중화 용이성 및 전자기 간섭에 대한 내성으로 인해 토목 공학, 항공학 및 통신을 포함한 많은 산업에서 센서로 광범위하게 연구 개발되어 왔습니다1,2,3 . 여기에서는 FBG 역반사광에 의해 생성된 얼룩 패턴 분석을 기반으로 인장 변형률 측정을 위한 FBG 인터로게이터를 시연합니다. 이 스펙트럼-공간 매핑 패러다임은 이전에 다양한 산란 또는 간섭 매체4,5,6,7,8을 사용하여 재구성 파장계에 의해 결정적이고 스펙트럼적으로 고유한 반점 패턴을 생성하는 데 활용되었습니다. 우리는 그림 1과 같이 미세 분해능 파장계 및 인터로게이터에 적합한 매우 안정적인 산란 매체 역할을 하는 평면 섬유 내부에 새겨져 있는 산란 나노공극의 3D 배열을 개발했습니다. 얼룩 패턴은 상호 간섭의 평면 투영입니다. 서로 다른 산란 지점의 빛은 일대일 매핑을 통해 특정 파장에 대해 고유합니다. 따라서 파장계로 작동하려면 레이저 소스 파장을 조정하여 주어진 파장에 대한 스펙클의 교정 세트를 생성한 다음 선형 대수 상관 방정식을 풀어 교정 범위의 알려지지 않은 파장 신호를 재구성할 수 있습니다5,9,10 ,11,12.

(a) 편평한 섬유 내재 산란/다중 모드 간섭 구조의 개략도. 빛은 단일 모드 광섬유를 통해 평면 광섬유로 들어간 다음 회절되어 다양한 평면 광섬유 모드로 결합됩니다. 산란 매트릭스(점선 구조)에 도달하면 빛이 산란되고 얼룩이 검출기에 이미지화됩니다. 탄도광은 오른쪽에서 나가며 탐지기에 의해 추적되지 않습니다. 확장할 수 없는 요소입니다. (b) 편평한 섬유 산란 구조 내에서 레이저로 작성된 나노 공극 배열의 현미경 이미지.

소형 산란 매체에 광학 경로를 제한하면 검출기와 산란 매체만 필요한 산란 시스템을 보다 쉽고 저렴하게 제작할 수 있으므로 비용, 복잡성 및 장치 설치 공간이 줄어듭니다. 이는 파장 성분을 검출기에서 공간적으로 분리하기 위해 분산 매체가 필요한 기존의 파장계/분광계와 대조됩니다. 이러한 시스템은 추가 구성요소(예: 단색광 장치) 및 선형 검출기와 함께 벌크 프리즘 또는 격자를 활용하므로 더 미세한 분해능을 위해 더 긴 경로 길이가 필요하기 때문에 더 복잡해지고 제조 비용이 더 높으며 장치 크기도 더 커집니다. 분산형 매체 기반 장치13,14,15,16의 소형화를 향한 분명한 추세가 있지만 해상도, 장치 크기 및 비용 간에는 명확한 상충 관계가 남아 있습니다.