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

Nel mondo della rilevazione, la luce è spesso lo strumento più delicato e preciso a disposizione. Gli scienziati si sono a lungo affidati a un fenomeno chiamato risonanza plasmonica di superficie per rilevare i minimi cambiamenti nell'ambiente. Questo processo avviene quando la luce che viaggia lungo una superficie interagisce con uno strato sottile di metallo, facendo oscillare gli elettroni di quel metallo in un ritmo specifico. Se il materiale che tocca il metallo cambia anche solo leggermente — forse perché un calo di temperatura ne altera la densità, o perché l'umidità fa gonfiare un rivestimento — il ritmo degli elettroni si sposta. Questo spostamento cambia il colore della luce che viene assorbita, creando un segnale distinto che i ricercatori possono misurare. Sebbene questo metodo sia incredibilmente sensibile, le configurazioni tradizionali sono spesso ingombranti, richiedendo grandi prismi e allineamenti complessi, il che le rende difficili da utilizzare per il monitoraggio in tempo reale sul campo. La sfida è stata quella di rimpicciolire questa tecnologia all'interno di un cavo in fibra ottica, mantenendo al contempo la sensibilità necessaria per rilevare più cose contemporaneamente senza che i segnali si confondano tra loro.

Un team di ricercatori della Università di Tiangong ha proposto un nuovo design che affronta questo problema intrecciando quattro diverse capacità di rilevamento in una singola fibra ottica specializzata. Invece di cercare di stipare quattro sensori separati in un piccolo spazio, il che spesso porta a interferenze, hanno disposto gli elementi di rilevamento in modo che ciascuno risponda a una specifica orientazione della luce. Immaginate la luce come un'onda che può vibrare in diverse direzioni; i ricercatori hanno assegnato due dei loro sensori per rilevare le vibrazioni in una direzione e gli altri due a vibrazioni in una direzione perpendicolare. Questa intelligente separazione permette al dispositivo di misurare il indice di rifrazione di un liquido, l'intensità di un campo magnetico, la temperatura e l'umidità relativa contemporaneamente, con ogni misurazione che rimane distinta e chiara.

Il dispositivo stesso è costruito partendo da una fibra a cristalli fotonici, che è essenzialmente un filamento di vetro riempito con un preciso schema di minuscoli fori d'aria che corrono lungo la sua lunghezza. Per far funzionare il sensore, i ricercatori hanno levigato un lato della fibra rendendolo piatto, creando una sezione trasversale a forma di "D" che porta la luce che viaggia all'interno del nucleo molto vicina alla superficie. Su questa superficie piatta e all'interno di fori specifici attorno al nucleo, hanno posizionato quattro diverse stazioni di rilevamento. Due di queste stazioni, progettate per rilevare campi magnetici e temperatura, sono situate in fori di forma ovale su entrambi i lati del centro della fibra. Queste stazioni sono rivestite con metalli specifici e riempite con fluidi speciali che reagiscono ai rispettivi ambienti. Le altre due stazioni si trovano sulla superficie piatta e lucida e in un foro rettangolare sotto il centro; queste sono progettate per rilevare i cambiamenti nel liquido circostante e l'umidità nell'aria.

La chiave per far funzionare tutti e quattro simultaneamente senza confusione risiede nel modo in cui interagiscono con la luce. I sensori per i campi magnetici e la temperatura sono sintonizzati per rispondere solo alla luce che vibra in direzione orizzontale, mentre i sensori per le proprietà dei liquidi e l'umidità rispondono solo alla luce che vibra verticalmente. Poiché le onde luminose sono orientate ad angoli retti tra loro, il segnale del sensore magnetico non interferisce con il segnale del sensore di umidità, anche se sono tutti impacchettati nello stesso minuscolo filamento di vetro. Attraverso dettagliate simulazioni al computer, i ricercatori hanno scoperto che questa disposizione mantiene i quattro segnali distinti ben separati attraverso una vasta gamma di colori, con spazio sufficiente tra di essi per garantire che possano essere facilmente identificati.

Quando i ricercatori hanno valutato le prestazioni di ciascun canale nelle loro simulazioni, i risultati hanno indicato un alto livello di precisione. Il sensore progettato per misurare l'indice di rifrazione di un liquido, che è una misura di quanto il liquido piega la luce, ha mostrato una forte risposta con una sensibilità massima di 2208 nm/RIU nell'intervallo 1,16–1,40. Il sensore di temperatura, che utilizza un fluido speciale che cambia le sue proprietà ottiche man mano che si scalda o si raffredda, ha dimostrato uno spostamento lineare costante nel suo segnale mentre la temperatura si muoveva da meno 50 gradi Celsius a 200 gradi Celsius. Il sensore di campo magnetico, riempito con un fluido contenente minuscole particelle magnetiche, ha reagito ai cambiamenti della forza magnetica, mostrando uno spostamento chiaro del suo segnale all'aumentare del campo da zero a 2000 unità di forza magnetica. Infine, il sensore di umidità, rivestito con un materiale che si gonfia quando assorbe acqua, ha fornito una lettura costante e affidabile al variare dell'umidità dell'aria dal 30 al 80 percento.

Uno degli aspetti più significativi di questo design è come gestisce la realtà fisica dei materiali. Per il sensore di temperatura, i ricercatori hanno utilizzato un rivestimento a doppio strato che aiuta la luce a interagire più fortemente con il fluido di rilevamento proteggendo al contempo il delicato strato metallico sottostante. Allo stesso modo, il sensore di umidità utilizza un rivestimento che si espande man mano che assorbe acqua, un cambiamento fisico che il sensore rileva come uno spostamento del colore della luce. Le simulazioni hanno indicato che anche quando tutti e quattro i parametri cambiano contemporaneamente, i segnali rimangono distinti e non si confondono tra loro. La spaziatura tra i diversi segnali è sufficientemente ampia affinché un computer possa distinguerli facilmente, garantendo che un cambiamento di temperatura non venga scambiato accidentalmente per un cambiamento di umidità.

Sebbene questo lavoro sia attualmente allo stadio di simulazione numerica e il dispositivo fisico non sia ancora stato costruito, i modelli matematici suggeriscono che il design sia robusto e pronto per la produzione. I ricercatori hanno dimostrato che è possibile creare un sensore singolo e compatto che può monitorare molteplici fattori ambientali simultaneamente senza che i segnali interferiscano tra loro. Utilizzando l'orientazione della luce per separare i compiti, hanno trovato un modo per rendere il sensore sia più semplice nella struttura che più efficace nelle prestazioni. Questo approccio potrebbe portare, in futuro, alla creazione di piccole e durevoli sonde che possono essere inserite in ambienti complessi per fornire una visione continua e sfaccettata del mondo circostante, dai processi industriali ai sistemi biologici, tutto attraverso un singolo filamento di vetro.