СЕНСОРЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ НА ОСНОВЕ НАКЛОННЫХ БРЭГГОВСКИХ РЕШЕТОК Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

DOI 10.24412/2308-6920-2021-6-274-275

СЕНСОРЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ НА ОСНОВЕ НАКЛОННЫХ БРЭГГОВСКИХ РЕШЕТОК

Долженко Е.И. , Томышев К.А., Бутов О.В.

Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, г. Москва E-mail: [email protected]

Доклад посвящён использованию наклонных волоконных брэгговских решёток (НВБР) в качестве чувствительных элементов для сенсоров окружающей среды. НВБР представляет собой периодическую модуляцию показателя преломления сердцевины волокна. Плоскости штрихов этой структуры направлены под углом к оптической оси волокна. В результате взаимодействия распространяющегося по оптическому волокну света с НВБР возбуждается дискретный набор оболочечных мод, проявляющийся на спектре пропускания в виде серии характерных пиков и провалов. Очевидно, что распространение оболочечных мод напрямую связано с их взаимодействием с внешней средой, формирующей ближайшее окружение сенсора, что и определяет одно из важных свойств НВБР - чувствительность к показателю преломления внешней среды [1,2].

При изменении показателя преломления внешней среды условие полного внутреннего отражения перестаёт выполняться для ряда мод, что находит свое отражение на спектре пропускания такой решетки в виде уменьшения амплитуды спектральных пиков в коротковолновом диапазоне, что может быть использовано для измерения показателя преломления (рис. 1).

Длина волны, им Рис. 1. Сдвиг длины волны отсечки в различных средах

Длина волны, на которой эти изменения начинают наблюдаться, называется длиной волны отсечки. Следует отметить, что разрешение сенсора в первую очередь будет определяться точностью измерения данного параметра, что является нетривиальной задачей. В нашей работе был предложен математический аппарат, основанный на комплексном анализе спектральных пиков с использованием аппроксимации огибающих спектра гладкими функциями (рис.2) [3]. Для проведения анализа спектр проходит предварительную обработку с помощью Фурье-фильтрации [3,4]. Предложенный математический аппарат позволяет проводить относительные измерения с высокой точностью и в автоматическом режиме, не требуя предварительной калибровки сенсора. Работа алгоритма была апробирована с помощью экспериментов по измерению температурной дисперсии показателя преломления воды, демонстрирующих высокие точность и разрешение сенсора.

274 №6 2021 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2021» [email protected]

6

4

г 2

ш

ч

го

X

и

-4

-6

1510 1520 1530 1540 1550 1560 1570 1580 1590 Длина волны, нм

Рис. 2. Аппроксимация огибающих после Фурье-фильтрации

Применение НВБР в сенсорике не ограничивается рефлектометрией. Использование функционального покрытия, нанесённого на боковую поверхность волокна с записанной в нём НВБР и изменяющего свой показатель преломления при изменении определённого параметра внешней среды, позволяет создавать соответствующие сенсоры. Примером такого сенсора может служить волоконный гигрометр, измеряющий атмосферную влажность [5,6]. В роли функционального покрытия в работе был использован поливиниловый спирт. Реакция сенсора на изменение влажности воздуха представлена на рис.3.

-5 -1

-35-

-40-

1520 1530 1540 1550 1560

Длина волны, нм

Рис. 3. Спектры пропускания НВБР и гигрометра на её основе при различных значениях влажности

Таким образом, волоконные датчики на основе НВБР являются крайне перспективным направлением развития сенсорики, имея огромный потенциал применимости во многих областях, включая биологию, медицину, а также производственные и хозяйственные процессы. Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ №20-07-00467.

Литература

1. Albert J., Shao L., Caucheteur C., Laser Photonics Rev. 7.1, 83-108 (2013)

2. Бутов О.В., Томышев К.А., ВКВО-2019, спецвыпуск Фотон-Экспресс-Наука, 6, 158, 22-23 (2019)

3. Tomyshev K. et al, Sens. Actuator A Phys. 308, 112016 (2020)

4. Томышев К.А., Мануйлович Е.С., Бутов О.В., ВКВО-2019, спецвыпуск Фотон-Экспресс-Наука, 6, 158, 24-25 (2019)

5. Dolzhenko et al, pss (RRL) 14, 12, 2000435 (2020)

6. Dolzhenko E.I., Tomyshev K., Butov O.V., Proc. SPIE, 11772, Optical Sensors 2021; 117720S (2021)

НВБР без покрытия

-НВБР с покрытием, 44,1%

НВБР с покрытием, 90,7%

№6 2021 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2021» [email protected]

275