Волоконно-оптичні датчики Bragg-решітки
Автор (и): П'єр ФЕРДІНАНД
Дата публікації: 10 липня 2018 р
Ця стаття є частиною пропозиції
Ця пропозиція надає доступ до:
Повна та оновлена база даних перевірених статей науковими комітетами
Запитання до служби експертів та практичні інструменти
Входить у пропозицію
Технологія вимірювання, заснована на решітчастих датчиках Брегга, пропонує незрівнянні переваги, пов'язані з якостями одномодових оптичних волокон з діоксиду кремнію, головним чином телекомунікаційного типу, в яких решітки Брегга на датчику мають фотозаписи. Завдяки різним оптичним стендам та режимам роботи лазера, мережі декількох типів можуть бути вписані у серце волокон та представляти специфічну чутливість, сфери використання та загальні характеристики. Голі або упаковані для певного використання або для досягнення передачі параметра, якого шукає користувач, решітки Брегга та однойменні датчики тепер пропонують широкий спектр рішень для вимірювання в різних галузях промисловості, а також в екстремальних умовах.
Технологія Fibre Bragg Grating датчиків пропонує різні переваги, пов’язані з якостями телекомунікаційних одномодових оптичних волокон на основі діоксиду кремнію, в яких решітчасті перетворювачі фотографуються. Завдяки спеціальним режимам роботи оптичних стендів та лазерів, декілька типів волоконних решіток Bragg можуть бути записані у фотоволокно, щоб запропонувати різні чутливості, динамічні діапазони та конкретні характеристики. Оголені або упаковані для певної галузі застосування або для перетворення даного параметра, Fibre Bragg Gratings та відповідні датчики пропонують широкий спектр сенсорних рішень для різних галузей промисловості, а також у суворих екологічних умовах.
П'єр ФЕРДІНАНД: доктор наук - експерт-консультант - директор з досліджень та науковий керівник в CEA Saclay
Виявлені наприкінці 80-х років минулого століття, «бреггівські решітки» - це дифракційні решітки, що виробляються в ядрі одномодових оптичних волокон, переважно німецькосилікатного типу. Бреггівську решітку звичайно отримують шляхом локальної інсоляції серцевини волокна, використовуючи лазерну інтерференційну картину, що створює модуляцію її показника заломлення завдяки явищу фоточутливості кремнезему, легованого, зокрема, германієм.
Отримавши один раз, коли вони висвітлюються за допомогою спектрально широкого оптичного джерела, через перешкоди (конструктивні при відбитті), що відбуваються в рамках цієї індексної модуляції, такі мережі - так звані «короткі короткі» - діють як відбивачі, кожен для тонка спектральна смуга з центром на їх характерній довжині хвилі λ B = 2.ні е .Λ (з Λ
0,5 мкм крок перешкод і, отже, мережі, і ні ефективний показник
1.45 режиму поширення).
Будь-яка модифікація цих параметрів, що спричиняє спектральний «витіснення» лінії Брегга, її точний контроль дозволяє повернутися до індукуючих параметрів. Таким чином, окрім використання в якості спектрального фільтра в області оптичних телекомунікацій, решітки Брегга також відіграють роль чудових перетворювачів, які оголюються або, відповідно, обумовлені, стають датчиками різних параметрів (температури, деформації, тиску тощо, кута, прискорення, показник заломлення тощо).
Ще однією перевагою є те, що ці "датчики решітки Брегга", завдяки своїй реакції в спектральній області, можуть бути легко допитані та мультиплексовані по довжині хвилі за допомогою віддаленої вимірювальної системи, в цілому утворюючи "решітку.
Завдяки чудовій продуктивності решітчастих датчиків Брегга та їх вимірювально-демультиплексуючих приладів поступово з’явилося багато застосувань. На сьогодні сфери їх зайнятості дуже широкі і відповідають потребам та питанням спостереження, таких як споруди (цивільна інженерія, повітроплавання, морська справа тощо), а також медичний контроль матеріалів (органічні композити, бетон, металеві матеріали тощо). .).
Багато продуктів продаються у розпорядженні користувачів, і в той же час науково-дослідні роботи продовжуються на світовому рівні, актуальні проблеми пов'язані, наприклад, з можливістю вирішення надзвичайних заходів. Це має місце в криогенному полі (космічні пускові цистерни, транспортування скрапленого природного газу, дослідження тощо), і особливо дуже високих температур (залізо та сталь, аеронавтика, ядерна енергія тощо), що обов'язково вимагає спеціальних методів лазерного маркування для мереж із виділеною внутрішньою структурою та конкретною упаковкою.
Метою цієї статті є представити технологію різних типів решіток Брегга (прямі, похилі, змінний крок, довготривалі та ін.), А також відповідні процеси написування (голографічні, за допомогою фазової маски, від точки до точка). на башті волочіння волокна, фемтосекундним лазером тощо). Представлені також вимірювані величини впливу як за допомогою датчиків Брегга, що використовуються окремо, так і після їх обробки в датчики, а також їх чутливість та діапазони вимірювань.
Для будь-якого читача цей документ буде вигідно доповнений консультацією до статті [R6736], присвяченої сучасному стану вимірювально-демультиплексорних систем, які використовуються для опитування цих сенсорних мереж типу Брегга, і цілком природно до багатьох результатів додатків.
Примітка 1: мережа FTTH (Волокно до дому), в якому волокно розгортається до будинку абонента, забезпечує дуже високошвидкісний доступ до Інтернету. Ці наземні мережі поступово замінюють ті, які раніше використовувались для розповсюдження (телефон, кабельне телебачення), пропонуючи швидкість, що в 50 разів більшу, ніж швидкість ADSL 2+. У Франції, особливо з моменту оприлюднення закону про модернізацію економіки 7 серпня 2015 року, різні місцеві органи влади розпочали розгортання власних мереж громадської ініціативи для подолання диспропорцій у національному покритті. Коли волокно використовується впритул, воно називається «локальною петлею». Існує також скорочення FTTO (Волокно в офіс, "Волокно в офіс").
Примітка 2: * В даний час ємність передачі даних одномодового волокна перевищує терабіт/с (1 Тбіт/с = 10 12 біт/с). Цей порядок еквівалентний транспортуванню Енциклопедії Universalis кожні мілісекунди через волокно. Загальна довжина волокна, розміщеного на планеті, оцінюється в понад один мільярд км (25000 разів навколо Землі), а завдяки розгортанню 3G і 4G у 2016 році було виготовлено понад 360 мільйонів км волокон і близько 400 мільйонів у 2017 році. Половина - китайського походження.
У той же час, але все ще набагато менш відомий широкому загалу, протягом чотирьох десятиліть було встановлено, що оптичні волокна також можуть грати роль чудових вимірювальних перетворювачів.
Примітка: "перетворювач", який не слід плутати з "датчиком", - це елемент, який завдяки фізичному закону перетворює вхідну величину, що підлягає вимірюванню, у спостережну величину. Наприклад, у простому медичному термометрі спирт є елементом перетворювача, і для його визначення використовується мінливість його об’єму з температурою (змодельована його коефіцієнтом теплового розширення). Після вставлення в упаковку, що складається з капіляра, вузол, що перетворює об'ємні зміни рідини у зміни висоти в цій градуйованій колонці, є "датчиком". У фінансових фінансових директорах Брегга решіткою елементом є вбудована у фото волокно решітка, яка сама, можливо, вставлена в "пакет", і ціле утворює датчик решітки Брегга.
Насправді парадоксально, намагаючись імунізувати передачу даних від впливу навколишнього середовища, наприкінці 1970-х років виникла ідея використання оптичних волокон як перетворюючих елементів. Все це випливає з спостереження, що якщо середовище, що діє на волокно (температура, напруження, електромагнітні поля тощо), не порушує або дуже мало, інформація, закодована за інтенсивністю, яку вона передає (цифрова інформація кодується у вигляді бітів, використовуючи "1" [наявність світла] і "0" [відсутність світла]), з іншого боку, це безпосередньо впливає на інші параметри оптичної хвилі, такі як фаза, стан поляризації, довжина хвилі тощо. Відтоді розпочались розробки, присвячені волоконно-оптичним датчикам (CFO), і оскільки ця сфера об'єднала дуже динамічне міжнародне співтовариство, яке періодично проводить зустрічі, зокрема, в рамках міжнародної конференції OFS.
Примітка: з 1983 р. (OFS1, Лондон), Оптичні волоконні датчики є головною конференцією для спільноти фінансових директорів. Її організація довіряється кожні 18 місяців лабораторії досліджень та розробок, університету або навіть компанії, яка циклічно базується в Європі, Азії, а потім Америці. З 1998 р., Чергуючись з OFS, також має місце EWOFS, Майстерня Європейський фокус на одних і тих же темах.
Кінець 1970-х та наступні роки дозволили піонерам керованої оптики дослідити потенціал цього інноваційного компонента: оптичне волокно - спочатку багатомодове, потім поступово одномодове (унімодальне) - які якості дали їм можливість розвинути безпрецедентну точку лабораторні експерименти в вимірювальному секторі, і, в той же час, ініціювати проекти в оптичних телекомунікаціях, попередньо визначаючи те, що ми знаємо сьогодні.
У галузі фінансових директорів 1980-ті роки були роками відкриття багатьох можливостей вимірювання, запропонованих першими одномодовими волокнами, пов'язаними з декількома цільноволокнистими компонентами, які стали доступними (відгалужувач, поляризатор тощо), а не для згадайте певне лабораторне обладнання (оптичний рефлектометр, волоконно-зварювальний апарат тощо). Тому було досліджено велику кількість принципів, таких як ті, які, мобілізуючи значну частину міжнародних НДДКР, впровадили інтерферометр Саньяка для розробки волоконно-оптичного гірометра (або гіроскопа) у відповідь на потреби інерційної навігації, як а також поточний датчик на основі ефекту Фарадея, потім інтерферометр Маха-Зендера для виробництва гідрофонів (як для оснащення підводних човнів, так і для пасивного прослуховування на морському дні), і, звичайно, датчик Майкельсона для певних метрологічних потреб. Очевидно, це була ера всеволокнистої інтерферометрії.
Примітка 1: * термін "розподілений датчик" стає Розподілений датчик англійською мовою, а "розподілений датчик" перекладається як квазірозподілений датчик.
Примітка 2: York Technologies була піонером МСБ у комерціалізації DTS, вона стане SENSA, потім, нарешті, філією нафтової компанії Schlumberger у 2001 році, враховуючи заявки, які ця компанія вирішує, зокрема, у нафтовому секторі. офшорні (напр. збирає геологічні та моніторингові дані з об'єктів, які продає нафтовим компаніям). Однією з головних цілей функціонування родовища є забезпечення безперебійного видобутку, а це " страхування потоку ". Це передбачає контроль теплового профілю в межах стояки [труби, що з'єднують "водосховище", нафтову пляму, розташовану в підводному геологічному масиві, з FPSO баржа для зберігання, що плаває на 2 км вище], щоб виявити можливу холодну точку вздовж цієї труби, ознаку несправності ізоляції, що означатиме введення в експлуатацію нагрівальних кабелів, які вона містить, щоб `` уникнути будь-якого утворення гідратів що може призвести до блокування виробництва. Насправді, моніторинг теплового профілю багатьох з цих труб зараз забезпечується оптичними волокнами та системами вимірювання типу Раман типу DTS.
Примітка 3: ** у 1915 році сер Вільям Лоуренс Брегг та його батько, сер Вільям Генрі Брегг, були нагороджені Нобелівською премією з фізики " За свої послуги з аналізу кристалічної структури за допомогою рентгенівських променів ". Це була єдина команда батьків-синів, яка коли-небудь вигравала Нобелівську премію з фізики, а Лоуренс Брегг був наймолодшим переможцем. Їхня робота була зосереджена на законі, який носить їх ім'я, розробленому Вільямом Лоуренсом в 1912 році, щодо конструктивних інтерференцій рентгенівських променів, дифракційних різними кристалічними площинами. Саме в їх належність таким чином були названі решітки Брегга, навіть якщо хвилі, що стосуються волоконних мереж, розташовані швидше у видимому та поблизу ІЧ.
Щоб закрити цю історію, малюнок 1 ілюструє важливість наукових повідомлень, присвячених решіткам Брегга, опублікованих у матеріалах конференції OFS, починаючи з першої в 1988 році. Ця гістограма добре відображає науково-дослідну діяльність на глобальному рівні в цій області.