Surface plasmon resonance (SPR)-based highly integrated optical fiber sensor for simultaneous detection of temperature, magnetic field, methane, relative humidity, voltage and hydrogen

ملخص تقني: مستشعر ألياف ضوئية عالي التكامل قائم على رنين البلازمون السطحي (SPR) للكشف المتزامن عن ستة متغيرات

بيان المشكلة
تتطلب سلامة الإنتاج الصناعي، لا سيما في البيئات التي يتواجد فيها الميثان والهيدروجين مع ظروف فيزيائية معقدة، مراقبة آنية لعدة متغيرات تشمل درجة الحرارة، والمجالات المغناطيسية، والرطوبة، والجهد الكهربائي، وتركيزات الغاز. وتفرض المستشعرات الكهروكيميائية أو أشباه الموصلات التقليدية مخاطر انفجار كبيرة في هذه البيئات عالية الخطورة بسبب خصائصها الكهرومغناطيسية المتأصلة. وبينما توفر مستشعرات الألياف الضوئية بديلاً أكثر أماناً نظراً لحصانتها ضد التداخل الكهرومغناطيسي وصغر حجمها، إلا أن مستشعرات المتغيرات المتعددة الحالية تواجه قيوداً؛ حيث تعتمد الحلول الحالية غالباً على هياكل طولية متتالية تعاني من فقد عالٍ في الإشارة وحساسية منخفضة، أو هياكل عرضية يصعب تصنيعها بكثافة تكامل عالية. وهناك حاجة لمستشعر ذو مسبار واحد عالي التكامل قادر على الكشف المتزامن عن ستة كميات فيزيائية متميزة بحساسية واستقرار عاليين.

المنهجية
يقترح المؤلفون مستشعراً جديداً يعتمد على رنين البلازمون السطحي (SPR) باستخدام ليف بلوري فوتوني (PCF) مكون من 12 ثقباً كركيزة. يتضمن تصميم المستشعر عملية صقل ثلاثية الجوانب لكشف الثقوب الهوائية المطلية بالذهب للبيئة الخارجية.

• الهيكل: يتميز المستشعر بقطر ليف يبلغ 125 ميكرومتر مع ثقوب هوائية بقطر $d$ ومسافة محددة $l_1$ من اللب. تم ترسيب أفلام ذهبية (سمك $h$) في ثقوب هوائية مرتبة بالتناوب.
• آلية الاستشعار: تم ملء ستة ثقوب هوائية متميزة بمواد حساسة محددة، كل منها يستجيب لمتغير مستهدف:
  • درجة الحرارة (T): البوليديميثيل سيلوكسان (PDMS).
  • المجال المغناطيسي (H): السائل المغناطيسي (MF).
  • الميثان (CH₄): الكريبتوفان-A ومركب الفلوروسيلوكسان المعالج بالأشعة فوق البنفسجية (Crypt-A/UVCFS).
  • الرطوبة النسبية (RH): كحول البولي فينيل (PVA).
  • الجهد الكهربائي (U): البلورات السائلة النيماتية E7 (E7NLC).
  • الهيدروجين (H₂): أكسيد التنجستن والبالاديوم (Pd-WO₃).
• المحاكاة والتحسين: تم تحليل أداء المستشعر باستخدام طريقة العناصر المحدودة (FEM) عبر برنامج COMSOL. ركزت الدراسة على النمط الأساسي (FM) واقترانه بأنماط رنين البلازمون السطحي (SPP). تم تحسين المعلمات الهيكلية ($d$، $l_1$، و $h$) لتعظيم متوسط حدة (AS) لستة من قمم فقد الرنين مع تقليل إجمالي فقد الإرسال (SL).
• فك التشفير: تم إنشاء مصفوفة حساسية لفك تشفير المتغيرات الستة. يقوم النظام بحل التغيرات في T، وH، وCH₄، وRH، وU، وH₂ بناءً على إزاحات أطوال موجات الرنين الستة (RW1–RW6).

المساهمات الرئيسية

1. التكامل الأول من نوعه: يزعم البحث أن هذا هو أول مستشعر ألياف ضوئية يحقق الكشف المتزامن المتكامل لستة كميات فيزيائية (T, H, RH, U, CH₄, H₂) ضمن هيكل مسبار واحد.
2. تصميم متعدد القنوات مُحسّن: من خلال استخدام ليف بـ 12 ثقباً مع ثقوب مطلية بالذهب ومملوءة بمواد حساسة مختلفة بالتناوب، يحقق التصميم قمم رنين متميزة لكل متغير، مما يتجنب الفقد العالي المرتبط بمصفوفات المستشعرات المتتالية.
3. عكس المصفوفة القوي: أظهرت الدراسة أن مصفوفة الحساسية جيدة التكيف (رقم الحالة = 71.22)، مما يضمن أن عملية العكس لفك تشفير المتغيرات الستة مستقرة وغير حساسة لضوضاء القياس.
4. التسامح في التصنيع: يظهر التصميم متانة قوية، حيث تظل تقلبات الحساسية أقل من 6% حتى عندما تنحرف المعلمات الهيكلية بمقدار ±3% عن قيم التصميم، مما يشير إلى جدوى التصنيع العملي.

النتائج
أسفرت المحاكاة العددية والتحليل النظري عن مقاييس الأداء التالية ضمن نطاقات تشغيل محددة:

• نطاقات التشغيل: درجة الحرارة (20–40 درجة مئوية)، المجال المغناطيسي (35–135 أورستد)، الميثان (0–2%)، الرطوبة النسبية (30–70%)، الجهد الكهربائي (180–260 فولت)، والهيدروجين (0–3%).
• الحساسيات: حقق المستشعر المُحسّن متوسط حساسيات قدرها:
  • درجة الحرارة: -4.9 نانومتر/درجة مئوية
  • المجال المغناطيسي: 0.85 نانومتر/أورستد
  • الميثان: -41.3 نانومتر/%
  • الرطوبة النسبية: -4.85 نانومتر/%رطوبة نسبية
  • الجهد الكهربائي: 3.95 نانومتر/فولت
  • الهيدروجين: -60.05 نانومتر/%
• الخصائص الطيفية: لوحظت ست قمم فقد متميزة في طيف الإرسال. تقابل كل قمة متغيراً معيناً، حيث يزاح طول موجة الرنين خطياً استجابة لتغير المتغير المستهدف بينما تظل المتغيرات الأخرى ثابتة.
• المقارنة: مقارنة بالمستشعرات الحالية متعددة المتغيرات (المشار إليها بـ [9]، [11]، [30]، [31])، يظهر هذا العمل كثافة تكامل فائقة ومستويات حساسية تنافسية أو متفوقة للمتغيرات المعنية.

الأهمية
يذكر المؤلفون أن هذا البحث يوفر طفرة في كثافة التكامل في مجال استشعار الألياف الضوئية. ومن خلال النجاح في تحقيق الكشف المتزامن لستة متغيرات فيزيائية وكيميائية متنوعة في جهاز واحد مدمج، يعالج المستشعر الحاجة الماسة لمراقبة البيئات الصناعية المعقدة وعالية الخطورة. تسلط الورقة الضوء على إمكانات تطبيق المستشعر في المراقبة البيئية، وكشف حالة الإنتاج الصناعي، والاستكشاف الجيولوجي، خاصة في السيناريوهات التي تتغير فيها عناصر متعددة في وقت واحد وتكون فيها السلامة أمراً بالغ الأهمية. ويؤسس هذا العمل إطاراً جديداً للاستشعار عالي الكثافة متعدد المتغيرات باستخدام مبادئ SPR في الألياف البلورية الفوتونية.