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

No mundo da detecção, a luz é frequentemente a ferramenta mais delicada e precisa disponível. Cientistas há muito dependem de um fenômeno chamado ressonância de plasmons de superfície para detectar as menores mudanças no ambiente. Esse processo ocorre quando a luz que viaja ao longo de uma superfície interage com uma fina camada de metal, fazendo com que os elétrons desse metal oscilem em um ritmo específico. Se o material tocando o metal mudar mesmo que ligeiramente — talvez porque uma queda na temperatura altere sua densidade, ou porque a umidade faça um revestimento inchar — o ritmo dos elétrons se desloca. Esse deslocamento altera a cor da luz que é absorvida, criando um sinal distinto que os pesquisadores podem medir. Embora este método seja incrivelmente sensível, as configurações tradicionais são frequentemente volumosas, exigindo prismas grandes e alinhamento complexo, tornando-as difíceis de usar para monitoramento em tempo real no campo. O desafio tem sido reduzir essa tecnologia para dentro de um cabo de fibra óptica, mantendo-a sensível o suficiente para detectar múltiplas coisas ao mesmo tempo sem que os sinais se misturem.

Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Tiangong propôs um novo design que aborda esse problema ao tecer quatro diferentes capacidades de detecção em uma única fibra óptica especializada. Em vez de tentar espremer quatro sensores separados em um espaço pequeno, o que frequentemente leva à interferência, eles organizaram os elementos de detecção de modo que cada um responda a uma orientação específica da luz. Imagine a luz como uma onda que pode vibrar em diferentes direções; os pesquisadores atribuíram dois de seus sensores para detectar vibrações em uma direção e os outros dois para vibrações em uma direção perpendicular. Essa separação inteligente permite que o dispositivo meça o índice de refração de um líquido, a força de um campo magnético, a temperatura e a umidade relativa, tudo ao mesmo tempo, com cada medição permanecendo distinta e clara.

O próprio dispositivo é construído a partir de uma fibra de cristal fotônico, que é essencialmente um fio de vidro preenchido com um padrão preciso de minúsculos furos de ar percorrendo seu comprimento. Para fazer o sensor funcionar, os pesquisadores poliram um lado da fibra até deixá-lo plano, criando uma seção transversal em forma de D que traz a luz que viaja dentro do núcleo muito próxima à superfície. Nessa superfície plana e dentro de furos específicos ao redor do núcleo, eles colocaram quatro diferentes estações de detecção. Duas dessas estações, projetadas para detectar campos magnéticos e temperatura, estão localizadas em furos de formato oval em ambos os lados do centro da fibra. Essas estações são revestidas com metais específicos e preenchidas com fluidos especiais que reagem aos seus respectivos ambientes. As outras duas estações situam-se na superfície plana e polida e em um furo retangular abaixo do centro; estas são projetadas para detectar mudanças no líquido circundante e a umidade no ar.

A chave para fazer todos os quatro funcionarem simultaneamente sem confusão reside em como eles interagem com a luz. Os sensores para campos magnéticos e temperatura são ajustados para responder apenas à luz vibrando em uma direção horizontal, enquanto os sensores para propriedades de líquidos e umidade respondem apenas à luz vibrando verticalmente. Como as ondas de luz estão orientadas em ângulos retos entre si, o sinal do sensor magnético não interfere no sinal do sensor de umidade, embora todos estejam compactados na mesma minúscula fibra de vidro. Através de simulações computacionais detalhadas, os pesquisadores descobriram que esse arranjo mantém os quatro sinais distintos bem separados ao longo de uma ampla gama de cores, com espaço suficiente entre eles para garantir que possam ser facilmente identificados.

Quando os pesquisadores avaliaram o desempenho de cada canal em suas simulações, os resultados indicaram um alto nível de precisão. O sensor projetado para medir o índice de refração de um líquido, que é uma medida de quanto o líquido desvia a luz, mostrou uma resposta forte com uma sensibilidade máxima de 2208 nm/RIU dentro da faixa de 1,16–1,40. O sensor de temperatura, que utiliza um fluido especial que muda suas propriedades ópticas conforme aquece ou esfria, demonstrou um deslocamento constante e linear em seu sinal conforme a temperatura se movia de menos 50 graus Celsius para 200 graus Celsius. O sensor de campo magnético, preenchido com um fluido contendo minúsculas partículas magnéticas, reagiu a mudanças na força magnética, mostrando um deslocamento claro em seu sinal conforme o campo aumentava de zero para 2000 unidades de força magnética. Finalmente, o sensor de umidade, revestido com um material que incha ao absorver água, forneceu uma leitura consistente e confiável conforme a umidade do ar mudava de 30 por cento para 80 por cento.

Um dos aspectos mais significativos deste design é como ele lida com a realidade física dos materiais. Para o sensor de temperatura, os pesquisadores utilizaram um revestimento de camada dupla que ajuda a luz a interagir mais fortemente com o fluido de detecção enquanto protege a delicada camada metálica subjacente. Da mesma forma, o sensor de umidade usa um revestimento que se expande ao absorver água, uma mudança física que o sensor detecta como um deslocamento na cor da luz. As simulações indicaram que, mesmo quando os quatro parâmetros mudam ao mesmo tempo, os sinais permanecem distintos e não se misturam. O espaçamento entre os diferentes sinais é grande o suficiente para que um computador possa facilmente distingui-los, garantindo que uma mudança de temperatura não pareça acidentalmente uma mudança de umidade.

Embora este trabalho esteja atualmente na fase de simulação numérica e o dispositivo físico ainda não tenha sido construído, os modelos matemáticos sugerem que o design é robusto e está pronto para a fabricação. Os pesquisadores demonstraram que é possível criar um sensor único e compacto que pode monitorar múltiplos fatores ambientais simultaneamente sem que os sinais interfiram uns nos outros. Ao usar a orientação da luz para separar as tarefas, eles encontraram uma maneira de tornar o sensor tanto mais simples em estrutura quanto mais eficaz em desempenho. Esta abordagem poderia eventualmente levar a sondas pequenas e duráveis que podem ser inseridas em ambientes complexos para fornecer uma visão contínua e multifacetada do mundo ao seu redor, desde processos industriais até sistemas biológicos, tudo através de um único fio de vidro.