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

सेंसिंग (sensing) की दुनिया में, प्रकाश अक्सर सबसे नाजुक और सटीक उपकरण होता है। वैज्ञानिक लंबे समय से सतह प्लास्मोन रेजोनेंस (surface plasmon resonance) नामक एक घटना पर निर्भर रहे हैं ताकि वातावरण में होने वाले सूक्ष्म परिवर्तनों का पता लगाया जा सके। यह प्रक्रिया तब होती है जब एक सतह के साथ यात्रा करने वाला प्रकाश धातु की एक पतली परत के साथ परस्पर क्रिया करता है, जिससे उस धातु के इलेक्ट्रॉन एक विशिष्ट लय में दोलन (oscillate) करने लगते हैं। यदि धातु को छूने वाली सामग्री में थोड़ा भी बदलाव होता है—जैसे कि तापमान में गिरावट के कारण उसके घनत्व में परिवर्तन, या आर्द्रता के कारण किसी कोटिंग का फूलना—तो इलेक्ट्रॉनों की लय बदल जाती है। यह बदलाव उस प्रकाश के रंग को बदल देता है जो अवशोषित होता है, जिससे एक विशिष्ट संकेत (signal) बनता जिसे शोधकर्ता माप सकते हैं। हालांकि यह विधि अविश्वसनीय रूप से संवेदनशील है, लेकिन पारंपरिक सेटअप अक्सर भारी होते हैं, जिनमें बड़े प्रिज्म और जटिल संरेखण (alignment) की आवश्यकता होती है, जिससे उन्हें क्षेत्र में वास्तविक समय की निगरानी के लिए उपयोग करना कठिन हो जाता है। चुनौती इस तकनीक को एक फाइबर ऑप्टिक केबल में सिकोड़ने की रही है, जबकि इसे एक साथ कई चीजों का पता लगाने के लिए पर्याप्त संवेदनशील बनाए रखना है बिना संकेतों के आपस में मिले बिना।

तियांगोंग विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक नया डिज़ाइन प्रस्तावित किया है जो एक ही विशेष ऑप्टिकल फाइबर में चार अलग-अलग सेंसिंग क्षमताओं को बुनकर इस समस्या का समाधान करता है। चार अलग-अलग सेंसरों को एक छोटे स्थान में भरने के बजाय, जिससे अक्सर हस्तक्षेप (interference) होता है, उन्होंने सेंसिंग तत्वों को इस तरह व्यवस्थित किया है कि प्रत्येक एक विशिष्ट दिशा में प्रकाश की प्रतिक्रिया देता है। कल्पना कीजिए कि प्रकाश एक तरंग है जो विभिन्न दिशाओं में कंपन कर सकती है; शोधकर्ताओं ने अपने दो सेंसरों को एक दिशा में कंपन का पता लगाने के लिए और अन्य दो को लंबवत (perpendicular) दिशा में कंपन का पता लगाने के लिए आवंटित किया। यह चतुर पृथक्करण डिवाइस को एक ही समय में तरल के अपवर्तनांक (refractive index), चुंबकीय क्षेत्र की शक्ति, तापमान और सापेक्ष आर्द्रता को मापने की अनुमति देता है, जिससे प्रत्येक माप स्पष्ट और अलग बना रहता है।

यह डिवाइस स्वयं एक फोटोनिक क्रिस्टल फाइबर से बना है, जो अनिवार्य रूप से कांच का एक धागा है जिसमें इसकी लंबाई के साथ सूक्ष्म वायु छिद्रों का एक सटीक पैटर्न भरा होता है। सेंसर को काम करने योग्य बनाने के लिए, शोधकर्ताओं ने फाइबर के एक तरफ को सपाट करके पॉलिश किया, जिससे एक D-आकार का क्रॉस-सेक्शन बना जो अंदर यात्रा करने वाले प्रकाश को सतह के बहुत करीब ले आता है। इस सपाट सतह पर और कोर के आसपास के विशिष्ट छिद्रों के भीतर, उन्होंने चार अलग-अलग सेंसिंग स्टेशन रखे। इन दो स्टेशनों में से, जो चुंबकीय क्षेत्र और तापमान का पता लगाने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं, फाइबर के केंद्र के दोनों ओर अंडाकार छिद्रों में स्थित हैं। इन स्टेशनों पर विशिष्ट धातु की परत चढ़ी है और इन्हें विशेष तरल पदार्थों से भरा गया है जो अपने संबंधित वातावरण के प्रति प्रतिक्रिया करते हैं। अन्य दो स्टेशन सपाट, पॉलिश की गई सतह पर और केंद्र के नीचे एक आयताकार छिद्र में स्थित हैं; ये आसपास के तरल और हवा की नमी का पता लगाने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं।

इन चारों को बिना किसी भ्रम के एक साथ काम करने की कुंजी यह है कि वे प्रकाश के साथ कैसे परस्पर क्रिया करते हैं। चुंबकीय क्षेत्र और तापमान के सेंसर केवल क्षैतिज (horizontal) दिशा में कंपन करने वाले प्रकाश के प्रति प्रतिक्रिया देने के लिए ट्यून किए गए हैं, जबकि तरल गुणों और आर्द्रता के सेंसर केवल ऊर्ध्dt (vertical) दिशा में कंपन करने वाले प्रकाश के प्रति प्रतिक्रिया देते हैं। क्योंकि प्रकाश तरंगें एक-दूसरे के लंबवत उन्मुख हैं, इसलिए चुंबकीय सेंसर का संकेत आर्द्रता सेंसर के संकेत में हस्तक्षेप नहीं करता है, भले ही वे सभी कांच के एक ही छोटे धागे में पैक हों। विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन के माध्यम से, शोधकर्ताओं ने पाया कि यह व्यवस्था रंगों की एक विस्तृत श्रृंखला में उनके चार अलग-अलग संकेतों को अच्छी तरह से अलग रखती है, जिससे उनके बीच पर्याप्त स्थान बना रहता है ताकि उन्हें आसानी से पहचाना जा सके।

जब शोधकर्ताओं ने अपने सिमुलेशन में प्रत्येक चैनल के प्रदर्शन का मूल्यांकन किया, तो परिणामों ने उच्च स्तर की सटीकता का संकेत दिया। तरल के अपवर्तनांक (refractive index) को मापने के लिए डिज़ाइन किए गए सेंसर ने 1.16–1.40 की सीमा के भीतर 2208 nm/RIU की अधिकतम संवेदनशीलता के साथ एक मजबूत प्रतिक्रिया दिखाई। तापमान सेंसर, जो एक विशेष तरल का उपयोग करता है जो गर्म या ठंडा होने पर अपने ऑप्टिकल गुणों को बदल देता है, ने तापमान के माइनस 50 डिग्री सेल्सियस से 200 डिग्री सेल्सियस तक जाने पर अपने संकेत में एक स्थिर, रैखिक बदलाव प्रदर्शित किया। चुंबकीय क्षेत्र सेंसर, जिसमें चुंबकीय कणों वाला तरल भरा गया था, चुंबकीय शक्ति में परिवर्तन के प्रति प्रतिक्रिया करता है, जो शून्य से 2000 चुंबकीय बल इकाइयों तक बढ़ने पर अपने संकेत में एक स्पष्ट बदलाव दिखाता है। अंत में, आर्द्रता सेंसर, जिस पर एक ऐसी सामग्री की कोटिंग है जो पानी सोखने पर फूल जाती है, ने हवा की नमी के 30 प्रतिशत से 80 प्रतिशत तक बदलने पर एक सुसंगत और विश्वसनीय रीडिंग प्रदान की।

इस डिज़ाइन का सबसे महत्वपूर्ण पहलू यह है कि यह सामग्रियों की भौतिक वास्तविकता को कैसे संभालता है। तापमान सेंसर के लिए, शोधकर्ताओं ने एक डबल-लेयर कोटिंग का उपयोग किया है जो प्रकाश को सेंसिंग फ्लूइड के साथ अधिक मजबूती से बातचीत करने में मदद करती है और नीचे की नाजुक धातु की परत की रक्षा भी करती है। इसी तरह, आर्द्रता सेंसर एक ऐसी कोटिंग का उपयोग करता है जो पानी सोखने पर फैलती है, एक भौतिक परिवर्तन जिसे सेंसर प्रकाश के रंग में बदलाव के रूप में पहचानता है। सिमुलेशन ने संकेत दिया कि जब चारों पैरामीटर एक ही समय में बदलते हैं, तब भी संकेत अलग रहते हैं और आपस में नहीं मिलते। विभिन्न संकेतों के बीच की दूरी इतनी बड़ी है कि एक कंप्यूटर उन्हें आसानी से अलग पहचान सकता है, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि तापमान में बदलाव गलती से आर्द्रता में बदलाव जैसा न लगे।

हालांकि यह कार्य वर्तमान में संख्यात्मक सिमुलेशन (numerical simulation) के चरण में है और भौतिक उपकरण अभी तक नहीं बनाया गया है, लेकिन गणितीय मॉडल सुझाव देते हैं कि डिज़ाइन मजबूत है और निर्माण के लिए तैयार है। शोधकर्ताओं ने दिखाया है कि एक एकल, कॉम्पैक्ट सेंसर बनाना संभव है जो बिना संकेतों के हस्तक्षेप के एक साथ कई पर्यावरणीय कारकों की निगरानी कर सकता है। प्रकाश के अभिविन्यास (orientation) का उपयोग करके कार्यों को अलग करके, उन्होंने एक तरीका खोजा है जिससे सेंसर की संरचना सरल और इसके प्रदर्शन में अधिक प्रभावी बन सके। यह दृष्टिकोण अंततः छोटे, टिकाऊ प्रोब (probes) बना सकता है जिन्हें जटिल वातावरण में डाला जा सके ताकि कांच के एक ही धागे के माध्यम से औद्योगिक प्रक्रियाओं से लेकर जैविक प्रणालियों तक, उनके आसपास की दुनिया का निरंतर, बहु-आयामी दृश्य प्रदान किया जा सके।