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

In de wereld van de sensortechnologie is licht vaak het meest delicate en precieze instrument dat beschikbaar is. Wetenschappers vertrouwen al lang op een fenomeen genaamd oppervlakteplasmonresonantie om de kleinste veranderingen in de omgeving te detecteren. Dit proces vindt plaats wanneer licht dat langs een oppervlak reist, interageert met een dunne metaallayer, waardoor de elektronen in dat metaal in een specifiek ritme gaan oscilleren. Als het materiaal dat het metaal raakt zelfs maar licht verandert—bijvoorbeeld omdat een daling in temperatuur de dichtheid beïnvloedt, of omdat luchtvochtigheid een coating doet opzwellen—verandert het ritme van de elektronen. Deze verschuiving verandert de kleur van het licht dat wordt geabsorbeerd, wat een duidelijk signaal creëert dat onderzoekers kunnen meten. Hoewel deze methode ongelooflijk gevoelig is, zijn traditionele opstellingen vaak lomp en vereisen ze grote prisma's en complexe uitlijning, wat ze moeilijk bruikbaar maakt voor realtime monitoring in het veld. De uitdaging is geweest om deze technologie te verkleinen tot een glasvezelkabel, terwijl de gevoeligheid behouden blijft om meerdere zaken tegelijkertijd te detecteren zonder dat de signalen door elkaar raken.

Een team van onderzoekers aan de Tiangong Universiteit heeft een nieuw ontwerp voorgesteld dat dit probleem aanpakt door vier verschillende detectiecapaciteiten in te weven in één enkele, gespecialiseerde optische vezel. In plaats van te proberen vier afzonderlijke sensoren in een kleine ruimte te proppen, wat vaak leidt tot interferentie, hebben zij de sensorelementen zo gerangschikt dat elk element reageert op een specifieke oriëntatie van het licht. Stel je licht voor als een golf die in verschillende richtingen kan trillen; de onderzoekers hebben twee van hun sensoren toegewezen aan het detecteren van trillingen in één richting en de andere twee aan trillingen in een loodrechte richting. Deze slimme scheiding maakt het mogelijk dat het apparaat tegelijkertijd de brekingsindex van een vloeistof, de sterkte van een magnetisch veld, de temperatuur en de relatieve luchtvochtigheid meet, waarbij elke meting duidelijk en onderscheidend blijft.

Het apparaat zelf is gebouwd van een fotonische kristalfiber, wat in essentie een glazen draad is die gevuld is met een precies patroon van kleine luchtgaten die over de hele lengte lopen. Om de sensor te laten werken, hebben de onderzoekers één zijde van de vezel plat gepolijst, waardoor een D-vormige dwarsdoorsnede ontstond die het licht dat in de kern reist, heel dicht bij het oppervlak brengt. Op dit platte oppervlak en binnen specifieke gaten rond de kern hebben zij vier verschillende detectiestations geplaatst. Twee van deze stations, ontworpen voor het detecteren van magnetische velden en temperatuur, bevinden zich in ovale gaten aan weerszijden van het midden van de vezel. Deze stations zijn voorzien van specifieke metalen en gevuld met speciale vloeistoffen die reageren op hun respectievelijke omgevingen. De andere twee stations bevinden zich op het platte, gepolijste oppervlak en in een rechthoekig gat onder het midden; deze zijn ontworpen om veranderingen in de omringende vloeistof en de vochtigheid in de lucht te detecteren.

De sleutel tot het laten werken van alle vier tegelijkertijd zonder verwarring ligt in de manier waarop ze met licht interageren. De sensoren voor magnetische velden en temperatuur zijn afgestemd om alleen te reageren op licht dat horizontaal trilt, terwijl de sensoren voor vloeistofeigenschappen en luchtvochtigheid alleen reageren op licht dat verticaal trilt. Omdat de lichtgolven loodrecht op elkaar staan, interfereert het signaal van de magnetische sensor niet met het signaal van de vochtigheidssensor, ook al zijn ze allemaal verpakt in dezelfde minuscule glazen draad. Door middel van gedetailleerde computersimulaties ontdekten de onderzoekers dat deze opstelling de vier afzonderlijke signalen over een breed scala aan kleuren goed gescheiden houdt, met voldoende ruimte tussen de signalen om ze gemakkelijk te kunnen identificeren.

Wanneer de onderzoekers de prestaties van elk kanaal in hun simulaties evalueerden, gaven de resultaten een hoog niveau van precisie aan. De sensor die ontworpen is om de brekingsindex van een vloeistof te meten, wat een maat is voor hoe veel de vloeistof licht buigt, vertoonde een sterke respons met een maximale gevoeligheid van 2208 nm/RIU binnen het bereik van 1,16–1,40. De temperatuursensor, die een speciale vloeistof gebruikt die van optische eigenschappen verandert als hij opwarmt of afkoelt, vertoonde een constante, lineaire verschuiving in zijn signaal naarmate de temperatuur bewoog van min 50 graden Celsius tot 200 graden Celsius. De magnetische veldsensor, gevuld met een vloeistof die kleine magnetische deeltjes bevat, reageerde op veranderingen in magnetische sterkte en vertoonde een duidelijke verschuiving in zijn signaal naarmate het veld toenam van nul tot 2000 eenheden magnetische kracht. Ten slotte leverde de vochtigheidssensor, die is voorzien van een materiaal dat opzwelt wanneer het water absorbeert, een consistente en betrouwbare meting naarmate de luchtvochtigheid veranderde van 30 procent tot 80 procent.

Een van de meest significante aspecten van dit ontwerp is hoe het omgaat met de fysieke realiteit van de materialen. Voor de temperatuursensor gebruikten de onderzoekers een dubbellaagse coating die helpt het licht sterker te laten interageren met de detectievloeistof, terwijl de delicate metaallaag eronder wordt beschermd. Op dezelfde manier gebruikt de vochtigheidssensor een coating die uitzet wanneer deze water absorbeert, een fysieke verandering die de sensor detecteert als een verschuiving in de kleur van het licht. De simulaties gaven aan dat zelfs wanneer alle vier de parameters tegelijkertijd veranderen, de signalen onderscheidend blijven en niet in elkaar overvloeien. De afstand tussen de verschillende signalen is groot genoeg zodat een computer ze gemakkelijk uit elkaar kan houden, wat ervoor zorgt dat een verandering in temperatuur niet per ongeluk wordt aangezien voor een verandering in luchtvochtigheid.

Hoewel dit werk zich momenteel in de fase van numerieke simulatie bevindt en het fysieke apparaat nog niet is gebouwd, suggereren de wiskundige modellen dat het ontwerp robuust is en klaar is voor productie. De onderzoekers hebben aangetoond dat het mogelijk is om een enkele, compacte sensor te creëren die meerdere omgevingsfactoren tegelijkertijd kan monitoren zonder dat de signalen met elkaar interfereren. Door gebruik te maken van de oriëntatie van het licht om de taken te scheiden, hebben zij een manier gevonden om de sensor zowel qua structuur eenvoudiger als effectiever in prestaties te maken. Deze aanpak zou uiteindelijk kunnen leiden tot kleine, duurzame sondes die in complexe omgevingen kunnen worden geplaatst om een continu, veelzijdig beeld te geven van de wereld om hen heen, van industriële processen tot biologische systemen, allemaal via een enkele glazen draad.