Orthogonal Polarization-Multiplexed Four-Channel D-Shaped Photonic Crystal Fiber SPR Sensor for Simultaneous Multi-Parameter Detection
تقدم هذه الورقة مستشعراً من الألياف البلورية الفوتونية على شكل حرف D يستخدم تعدد الإرسال بالاستقطاب المتعامد لتحقيق كشف متزامن وعالي الحساسية لمعامل الانكسار، والمجال المغناطيسي، ودرجة الحرارة، والرطوبة النسبية من خلال أربع قنوات رنين متميزة ومنفصلة جيداً.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
في عالم الاستشعار، غالبًا ما يكون الضوء الأداة الأكثر دقة ورهافة المتاحة. فقد اعتمد العلماء لفترة طويلة على ظاهرة تسمى "رنين البلازمون السطحي" للكشف عن أدنى التغييرات في البيئة. تحدث هذه العملية عندما يتفاعل الضوء الذي ينتقل على طول سطح ما مع طبقة رقيقة من المعدن، مما يؤدي إلى جعل الإلكترونات في ذلك المعدن تتذبذب بإيقاع محدد. وإذا تغيرت المادة الملامسة للمعدن ولو بشكل طفيف — ربما لأن انخفاضًا في درجة الحرارة يغير كثافتها، أو لأن الرطوبة تسببت في انتفاخ غطاء ما — فإن إيقاع الإلكترونات يتغير. هذا التحول يغير لون الضوء الذي يتم امتصاصه، مما يخلق إشارة مميزة يمكن للباحثين قياسها. وبينما تعد هذه الطريقة حساسة للغاية، إلا أن الإعدادات التقليدية غالبًا ما تكون ضخمة، وتتطلب منشورات كبيرة ومحاذاة معقدة، مما يجعل من الصعب استخدامها للمراقبة في الوقت الفعلي في الميدان. وقد كان التحدي يكمن في تصغير هذه التكنولوجيا ودمجها داخل كابل ألياف ضوئية مع الحفاظ على حساسيتها الكافية للكشف عن أشياء متعددة في وقت واحد دون أن تختلط الإشارات ببعضها البعض.
اقترح فريق من الباحثين في جامعة تيانغونغ تصميمًا جديدًا يعالج هذه المشكلة من خلال نسج أربع قدرات استشعار مختلفة في ألياف ضوئية متخصصة واحدة. وبدلاً من محاولة حشر أربعة مستشعلات منفصلة في مساحة صغيرة، وهو ما يؤدي غالبًا إلى التداخل، قاموا بترتيب عناصر الاستشعار بحيث يستجيب كل منها لاتجاه محدد من الضوء. تخيل الضوء كموجة يمكنها الاهتزاز في اتجاهات مختلفة؛ حيث خصص الباحثون اثنين من مستشعراتهم للكشف عن الاهتزازات في اتجاه واحد، والاثنين الآخرين للاهتزازات في اتجاه عمودي عليه. هذا الفصل الذكي يسمح للجهاز بقياس معامل انكسار السائل، وقوة المجال المغناطيسي، ودرجة الحرارة، والرطوبة النسبية، جميعها في نفس الوقت، مع بقاء كل قياس متميزًا وواضحًا.
يُبنى الجهاز نفسه من ألياف بلورية فوتونية، وهي في الأساس خيط من الزجاج المملوء بنمط دقيق من الثقوب الهوائية الصغيرة التي تمتد على طوله. ولجعل المستشعر يعمل، قام الباحثون بصقل أحد جوانب الليف ليصبح مسطحًا، مما خلق مقطعًا عرضيًا على شكل حرف (D) يقرب الضوء الذي ينتقل داخل اللب من السطح بشكل كبير. وعلى هذا السطح المسطح وفي ثقوب محددة حول اللب، وضعوا أربع محطات استشعار مختلفة. هاتان المحطتان، المصممتان للكشف عن المجالات المغناطيسية ودرجة الحرارة، تقعان في ثقوب بيضاوية الشكل على جانبي مركز الليف، وقد تم طلاؤهما بمعادن محددة وملؤهما بسوائل خاصة تتفاعل مع بيئاتها المعنية. أما المحطتان الأخريان، فتقعان على السطح المسطح المصقول وفي ثقب مستطيل أسفل المركز؛ وهما مصممتان للكشف عن التغيرات في السائل المحيط والرطوبة في الهواء.
يكمن المفتاح لجعل جميع هذه المحطات الأربع تعمل في آن واحد دون ارتباك في كيفية تفاعلها مع الضوء. فقد تم ضبط المستشعرات الخاصة بالمجالات المغناطيسية ودرجة الحرارة لتستجيب فقط للضوء المهتز في اتجاه أفقي، بينما تستجيب مستشعرات خصائص السائل والرطوبة فقط للضوء المهتز عموديًا. ولأن موجات الضوء موجهة بزوايا قائمة تجاه بعضها البعض، فإن إشارة المستشعر المغناطيسي لا تتداخل مع إشارة مستشعر الرطوبة، على الرغم من وجودها جميعًا في نفس الخيط الصغير من الزجاج. ومن خلال عمليات محاكاة حاسوبية مفصلة، وجد الباحثون أن هذا الترتيب يحافظ على فصل الإشارات الأربع المتميزة عبر مجموعة واسعة من الألوان، مع وجود مساحة كافية بينها لضمان إمكانية تحديدها بسهءولة.
عندما قيم الباحثون أداء كل قناة في عمليات المحاكاة التي أجروها، أشارت النتائج إلى مستوى عالٍ من الدقة. فقد أظهر المستشعر المصمم لقياس معامل انكسار السائل، وهو مقياس لمدى انحناء السائل للضوء، استجابة قوية مع حساسية قصوى بلغت 2208 نانومتر/وحدة معامل انكسار ضمن النطاق 1.16-1.40. كما أظهر مستشعر درجة الحرارة، الذي يستخدم سائلًا خاصًا تتغير خصائصه البصرية مع ارتفاع أو انخفاض درجة حرارته، تحولًا خطيًا ثابتًا في إشارته مع تحرك درجة الحرارة من 50 درجة مئوية تحت الصفر إلى 200 درجة مئوية. وتفاعل مستشعر المجال المغناطيسي، المملوء بسائل يحتوي على جزيئات مغناطيسية دقيقة، مع التغيرات في القوة المغناطيسية، مظهرًا تحولًا واضحًا في إشارته مع زيادة المجال من صفر إلى 2000 وحدة قوة مغناطيسية. وأخيرًا، وفر مستشعر الرطوبة، المغطى بمادة تنتفخ عند امتصاص الماء، قراءة ثابتة وموثوقة مع تغير رطوبة الهواء من 30 بالمائة إلى 80 بالمائة.
إن أحد الجوانب الأكثر أهمية في هذا التصميم هو كيفية تعامله مع الواقع الفيزيائي للمواد. فبالنسبة لمستشعر درجة الحرارة، استخدم الباحثون طلاءً مزدوج الطبقات يساعد الضوء على التفاعل بقوة أكبر مع سائل الاستشعار مع حماية الطبقة المعدنية الرقيقة الموجودة تحته. وبالمثل، يستخدم مستشعر الرطوبة طلاءً يتمدد عند امتصاص الماء، وهو تغيير فيزيائي يكتشفه المستشعر كإزاحة في لون الضوء. وقد أشارت عمليات المحاكاة إلى أنه حتى عندما تتغير المعايير الأربعة في وقت واحد، تظل الإشارات متميزة ولا تختلط ببعضها البعض. إن المسافة الفاصلة بين الإشارات المختلفة كبيرة بما يكفي لتمكين الكمبيوتر من التمييز بينها بسهولة، مما يضمن أن التغير في درجة الحرارة لن يبدو بالخطأ وكأنه تغير في الرطوبة.
وعلى الرغم من أن هذا العمل لا يزال حاليًا في مرحلة المحاكاة العددية ولم يتم بناء الجهاز الفيزيائي بعد، إلا أن النماذج الرياضية تشير إلى أن التصميم قوي وجاهز للتصنيع. لقد أثبت الباحثون أنه من الممكن إنشاء مستشعر واحد مدمج يمكنه مراقبة عوامل بيئية متعددة في وقت واحد دون أن تتداخل إشاراتها مع بعضها البعض. ومن خلال استخدام اتجاه الضوء لفصل المهام، وجدوا طريقة تجعل المستشعر أبسط في الهيكل وأكثر فعالية في الأداء. ويمكن أن يؤدي هذا النهج في النهاية إلى إنتاج مجسات صغيرة ومتينة يمكن إدخالها في بيئات معقدة لتوفر رؤية متعددة الأوجه ومستمرة للعالم من حولها، بدءًا من العمليات الصناعية وصولاً إلى الأنظمة البيولوجية، وكل ذلك من خلال خيط واحد من الزجاج.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.