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

तकनीकी सारांश: समकालिक छह-पैरामीटर पहचान के लिए SPR-आधारित अत्यधिक एकीकृत ऑप्टिकल फाइबर सेंसर

समस्या विवरण
औद्योगिक सुरक्षा उत्पादन, विशेष रूप से उन वातावरणों में जहाँ मीथेन और हाइड्रोजन जटिल भौतिक स्थितियों के साथ सह-अस्तित्व में होते हैं, तापमान, चुंबकीय क्षेत्र, आर्द्रता, वोल्टेज और गैस सांद्रता सहित कई मापदंडों की वास्तविक समय में निगरानी की आवश्यकता होती है। पारंपरिक इलेक्ट्रोकेमिकल या सेमीकंडक्टर सेंसर अपने अंतर्निहित विद्युत चुम्बकीय गुणों के कारण इन उच्च-जोखिम वाले वातावरणों में महत्वपूर्ण विस्फोट जोखिम पैदा करते हैं। जबकि ऑप्टिकल फाइबर सेंसर अपने विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप के प्रति प्रतिरोधक क्षमता और छोटे आकार के कारण एक सुरक्षित विकल्प प्रदान करते हैं, मौजूदा मल्टी-पैरामीटर सेंसर सीमाओं का सामना करते हैं। वर्तमान समाधान अक्सर कैस्केड लोंगीट्यूडिनल संरचनाओं (cascaded longitudinal structures) पर निर्भर करते हैं, जो उच्च सिग्नल हानि और कम संवेदनशीलता से ग्रस्त होते हैं, या ट्रांसवर्स संरचनाओं पर जो उच्च एकीकरण घनत्व के साथ निर्माण करने में कठिन होती हैं। एक अत्यधिक एकीकृत, सिंगल-प्रोब सेंसर की आवश्यकता है जो उच्च संवेदनशीलता और स्थिरता के साथ छह अलग-अलग भौतिक मात्राओं का एक साथ पता लगा सके।

कार्यप्रणाली
लेखक एक नवीन सरफेस प्लास्मोन रेजोनेंस (SPR)-आधारित ऑप्टिकल फाइबर सेंसर का प्रस्ताव करते हैं जो आधार के रूप में 12-होल फोटोनिक क्रिस्टल फाइबर (PCF) का उपयोग करता है। सेंसर डिजाइन में बाहरी वातावरण को उजागर करने के लिए तीन तरफा पॉलिशिंग प्रक्रिया शामिल है।

• संरचना: सेंसर में 125 µm फाइबर व्यास है जिसमें व्यास $d$ के एयर होल्स और कोर से एक विशिष्ट दूरी $l_1$ है। सोने की परत वाली फिल्मों (मोटाई $h$) को बारी-बारी से व्यवस्थित एयर होल्स में जमा किया गया है।
• सेंसिंग तंत्र: छह अलग-अलग एयर होल्स को विशिष्ट संवेदनशील सामग्रियों से भरा गया है, जिनमें से प्रत्येक एक लक्षित पैरामीटर के प्रति प्रतिक्रियाशील है:
  • तापमान (T): पॉलीडिमिथाइलसिलोक्सेन (PDMS)।
  • चुंबकीय क्षेत्र (H): मैग्नेटिक फ्लूइड (MF)।
  • मीथेन (CH₄): क्रिप्टोफेन-ए और अल्ट्रावॉयलेट-क्योरड फ्लोरोसिलोक्सेन कॉम्प्लेक्स (Crypt-A/UVCFS)।
  • सापेक्ष आर्द्रता (RH): पॉलीविनाइल अल्कोहल (PVA)।
  • वोल्टेज (U): E7 नेमैटिक लिक्विड क्रिस्टल (E7NLC)।
  • हाइड्रोजन (H₂): पैलेडियम-टंगस्टन ट्राइऑक्साइड (Pd-WO₃)।
• सिमुलेशन और अनुकूलन: सेंसर के प्रदर्शन का विश्लेषण COMSOL सॉफ्टवेयर के माध्यम से फाईनाइट एलीमेंट मेथड (FEM) का उपयोग करके किया गया। अध्ययन मुख्य मोड (FM) और सरफेस प्लास्मोन पोलरिटोन (SPP) मोड के साथ इसके युग्मन (coupling) पर केंद्रित था। छह रेजोनेंस लॉस पीक्स की औसत शार्पनेस (AS) को अधिकतम करने और कुल ट्रांसमिशन लॉस (SL) को न्यूनतम करने के लिए संरचनात्मक मापदंडों ($d$, $l_1$, और $h$) को अनुकूलित किया गया।
• डीमॉड्यूलेशन: छह मापदंडों को डिकोड करने के लिए एक संवेदनशीलता मैट्रिक्स (sensitivity matrix) बनाया गया। सिस्टम छह अलग-अलग रेजोनेंस वेवलेंथ (RW1–RW6) के बदलावों के आधार पर T, H, CH₄, RH, U, और H₂ के परिवर्तनों को हल करता है।

प्रमुख योगदान

1. प्रथम-प्रकार का एकीकरण: यह शोध पत्र दावा करता है कि यह एक ही प्रोब संरचना के भीतर छह भौतिक मात्राओं (T, H, RH, U, CH₄, H₂) के समकालिक एकीकृत पता लगाने को प्राप्त करने वाला पहला ऑप्टिकल फाइबर सेंसर है।
2. अनुकूलित मल्टी-चैनल डिजाइन: अलग-अलग संवेदनशील सामग्रियों से भरे बारी-बारी से गोल्ड-कोटिंग वाले होल्स वाले 12-होल फाइबर का उपयोग करके, यह डिजाइन प्रत्येक पैरामीटर के लिए विशिष्ट रेजोनेंस पीक्स प्राप्त करता है, जिससे कैस्केड सेंसर एरे से जुड़ी उच्च हानि से बचा जा सके।
3. मजबूत मैट्रिक्स इनवर्जन: अध्ययन प्रदर्शित करता है कि संवेदनशीलता मैट्रिक्स अच्छी तरह से सुव्यवस्थित (कंडीशन नंबर = 71.22) है, जो यह सुनिश्चित करता है कि छह मापदंडों के डीमॉड्यूलेशन के लिए इनवर्जन प्रक्रिया स्थिर है और माप शोर (measurement noise) के प्रति असंवेदनशील है।
4. विनिर्माण सहनशीलता (Manufacturing Tolerance): डिजाइन मजबूत है, जहाँ संरचनात्मक मापदंडों के डिजाइन मानों से ±3% विचलित होने पर भी संवेदनशीलता में उतार-चढ़ाव 6% से कम रहता है, जो व्यावहारिक निर्माण की व्यवहार्यता को दर्शाता है।

परिणाम
संख्यात्मक सिमुलेशन और सैद्धांतिक विश्लेषण ने विशिष्ट ऑपरेटिंग रेंज के भीतर निम्नलिखित प्रदर्शन मेट्रिक्स दिए:

• ऑपरेटिंग रेंज: तापमान (20–40°C), चुंबकीय क्षेत्र (35–135 Oe), मीथेन (0–2%), सापेक्ष आर्द्रता (30–70%), वोल्टेज (180–260 V), और हाइड्रोजन (0–3%)।
• संवेदनशीलता (Sensitivities): अनुकूलित सेंसर ने औसत संवेदनशीलता प्राप्त की:
  • तापमान: -4.9 nm/°C
  • चुंबकीय क्षेत्र: 0.85 nm/Oe
  • मीथेन: -41.3 nm/%
  • सापेक्ष आर्द्रता: -4.85 nm/%RH
  • वोल्टेज: 3.95 nm/V
  • हाइड्रोजन: -60.05 nm/%
• स्पेक्ट्रल विशेषताएँ: ट्रांसमिशन स्पेक्ट्रम में छह अलग-अलग लॉस पीक्स देखे गए। प्रत्येक पीक एक विशिष्ट पैरामीटर के अनुरूप है, जहाँ रेजोनेंस वेवलेंथ लक्षित चर के परिवर्तन के जवाब में रैखिक रूप से बदलती है, जबकि अन्य चर स्थिर रहते हैं।
• तुलना: मौजूदा मल्टी-पैरामीटर सेंसरों ([9], [11], [30], [31] के रूप में संदर्भित) की तुलना में, यह कार्य बेहतर एकीकरण घनत्व और संबंधित मापदंडों के लिए प्रतिस्पर्धी या श्रेष्ठ संवेदनशीलता स्तर प्रदर्शित करता है।

महत्व
लेखक कहते हैं कि यह शोध ऑप्टिकल फाइबर सेंसिंग के क्षेत्र में एकीकरण घनत्व के भीतर एक बड़ी उपलब्धि है। एक ही, कॉम्पैक्ट डिवाइस में छह विविध भौतिक और रासायनिक मापदंडों का सफल समकालिक पता लगाने की सिद्धि के माध्यम से, यह सेंसर जटिल, उच्च-जोखिम वाले औद्योगिक वातावरण की निगरानी की महत्वपूर्ण आवश्यकता को पूरा करता है। यह शोध पर्यावरणीय निगरानी, औद्योगिक उत्पादन स्थिति का पता लगाने और भूवैज्ञानिक अन्वेषण में इसके संभावित अनुप्रयोग को रेखांकित करता है, विशेष रूप से उन परिदृश्यों में जहाँ कई तत्व एक साथ बदलते हैं और सुरक्षा सर्वोपरि होती है। यह कार्य फोटोनिक क्रिस्टल फाइबर में SPR सिद्धांतों का उपयोग करके उच्च-घनत्व मल्टी-पैरामीटर सेंसिंग के लिए एक नया ढांचा स्थापित करता है।