Orthogonal Polarization-Multiplexed Four-Channel D-Shaped Photonic Crystal Fiber SPR Sensor for Simultaneous Multi-Parameter Detection

En el mundo de la detección, la luz es a menudo la herramienta más delicada y precisa disponible. Los científicos han dependido durante mucho tiempo de un fenómeno llamado resonancia de plasmón superficial para detectar los cambios más ínfimos en el entorno. Este proceso ocurre cuando la luz que viaja a lo largo de una superficie interactúa con una capa delgada de metal, provocando que los electrones en ese metal oscilen en un ritmo específico. Si el material que toca el metal cambia incluso ligeramente —tal vez porque una caída en la temperatura altera su densidad, o porque la humedad hincha un recubrimiento— el ritmo de los electrones se desplaza. Este desplazamiento cambia el color de la luz que se absorbe, creando una señal distinta que los investigadores pueden medir. Aunque este método es increíblemente sensible, las configuraciones tradicionales suelen ser voluminosas, requiriendo prismas grandes y una alineación compleja, lo que las hace difíciles de usar para el monitoreo en tiempo real en el campo. El desafío ha sido reducir esta tecnología al tamaño de un cable de fibra óptica manteniendo la sensibilidad suficiente para detectar múltiples cosas a la vez sin que las señales se mezclen.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Tiangong ha propuesto un nuevo diseño que aborda este problema tejiendo cuatro capacidades de detección diferentes en una sola fibra óptica especializada. En lugar de intentar amontonar cuatro sensores separados en un espacio pequeño, lo que a menudo conduce a la interferencia, dispusieron los elementos de detección de modo que cada uno responda a una orientación específica de la luz. Imagine la luz como una onda que puede vibrar en diferentes direcciones; los investigadores asignaron dos de sus sensores para detectar vibraciones en una dirección y los otros dos a vibraciones en una dirección perpendicular. Esta astuta separación permite que el dispositivo mida el índice de refracción de un líquido, la fuerza de un campo magnético, la temperatura y la humedad relativa, todo al mismo tiempo, manteniendo cada medición distinta y clara.

El dispositivo en sí está construido a partir de una fibra de cristal fotónico, que es esencialmente un filamento de vidrio lleno de un patrón preciso de diminutos agujeros de aire que corren a lo largo de su longitud. Para que el sensor funcione, los investigadores pulieron un lado de la fibra para dejarlo plano, creando una sección transversal en forma de D que acerca la luz que viaja dentro del núcleo muy cerca de la superficie. En esta superficie plana y dentro de agujeros específicos alrededor del núcleo, colocaron cuatro estaciones de detección diferentes. Dos de estas estaciones, diseñadas para detectar campos magnéticos y temperatura, se encuentran en agujeros de forma ovalada a ambos lados del centro de la fibra. Estas estaciones están recubiertas con metales específicos y llenas de fluidos especiales que reaccionan a sus respectivos entornos. Las otras dos estaciones se encuentran en la superficie plana y pulida y en un agujero rectangular debajo del centro; estas están diseñadas para detectar cambios en el líquido circundante y la humedad en el aire.

La clave para hacer que todos los cuatro funcionen simultáneamente sin confusión reside en cómo interactúan con la luz. Los sensores para campos magnéticos y temperatura están sintonizados para responder solo a la luz que vibra en una dirección horizontal, mientras que los sensores para las propiedades del líquido y la humedad responden solo a la luz que vibra verticalmente. Debido a que las ondas de luz están orientadas en ángulos rectos entre sí, la señal del sensor magnético no interfiere con la señal del sensor de humedad, a pesar de que todos están empaquetados en la misma diminuta hebra de vidrio. A través de simulaciones computacionales detalladas, los investigadores encontraron que esta disposición mantiene los cuatro signos distintos bien separados a través de una amplia gama de colores, con suficiente espacio entre ellos para asegurar que puedan ser fácilmente identificados.

Cuando los investigadores evaluaron el rendimiento de cada canal en sus simulaciones, los resultados indicaron un alto nivel de precisión. El sensor diseñado para medir el índice de refracción de un líquido, que es una medida de cuánto dobla la luz el líquido, mostró una fuerte respuesta con una sensibilidad máxima de 2208 nm/RIU dentro del rango de 1.16–1.40. El sensor de temperatura, que utiliza un fluido especial que cambia sus propiedades ópticas a medida que se calienta o se enfría, demostró un cambio constante y lineal en su señal a medida que la temperatura se movía desde los menos 50 grados Celsius hasta los 200 grados Celsius. El sensor de campo magnético, lleno de un fluido que contiene diminutas partículas magnéticas, reaccionó a los cambios en la fuerza magnética, mostrando un cambio claro en su señal a medida que el campo aumentaba de cero a 2000 unidades de fuerza magnética. Finalmente, el sensor de humedad, recubierto con un material que se hincha al absorber agua, proporcionó una lectura consistente y confiable a medida que la humedad del aire cambiaba del 30 por ciento al 80 por ciento.

Uno de los aspectos más significativos de este diseño es cómo maneja la realidad física de los materiales. Para el sensor de temperatura, los investigadores utilizaron un recubrimiento de doble capa que ayuda a que la luz interactúe más fuertemente con el fluido de detección mientras protege la delicada capa de metal subyacente. Del mismo modo, el sensor de humedad utiliza un recubrimiento que se expande al absorber agua, un cambio físico que el sensor detecta como un desplazamiento en el color de la luz. Las simulaciones indicaron que incluso cuando los cuatro parámetros cambian al mismo tiempo, las señales permanecen distintas y no se desdibujan. El espaciamiento entre las diferentes señales es lo suficientemente grande como para que una computadora pueda distinguirlas fácilmente, asegurando que un cambio en la temperatura no parezca accidentalmente un cambio en la humedad.

Si bien este trabajo se encuentra actualmente en la etapa de simulación numérica y el dispositivo físico aún no ha sido construido, los modelos matemáticos sugieren que el diseño es robusto y está listo para la fabricación. Los investigadores han demostrado que es posible crear un sensor único y compacto que pueda monitorear múltiples factores ambientales simultáneamente sin que las señales interfieran entre sí. Al utilizar la orientación de la luz para separar las tareas, han encontrado una manera de hacer que el sensor sea tanto más simple en su estructura como más efectivo en su desempeño. Este enfoque podría conducir eventualmente a sondas pequeñas y duraderas que puedan insertarse en entornos complejos para proporcionar una visión continua y multifacética del mundo que las rodea, desde procesos industriales hasta sistemas biológicos, todo a través de una sola hebra de vidrio.