Zusammenfassung:
Wissenschaftler untersuchen seit mehr als 2.000 Jahren, dass die Erde rund ist, aber Anhänger der „Theorie der flachen Erde“ glauben immer noch fest daran. Manche Menschen sind sogar bereit, „bis ans Ende der Welt zu gehen“, um Beweise zu finden, aber sie haben das sogenannte Ende noch nicht gefunden. Abgesehen von der Form der Erde haben Forscher des Royal Institute of Technology in Schweden und der University of Southampton im Vereinigten Königreich kürzlich eine Technologie entwickelt, die beweist, dass flache Strukturen im Bereich der faseroptischen Sensorik möglicherweise deutlich besser sind als kreisförmige Strukturen.
Das Forschungsteam entwickelte eine flache, bandförmige Quarzglasfaser. Diese Art von optischen Fasern kann strukturell so gestaltet werden, dass sie viel stärker auf physikalische Effekte reagieren als herkömmliche zylindrische optische Fasern, sodass sie zu einem Sensor mit besserer Leistung werden können. Die Forscher nannten es „High Aspect Ratio Flat Fiber“ (HARFF). In einem Vergleichstest war die Druckempfindlichkeit dieser optischen Faser bis zu 1.000-mal höher als bei herkömmlichen optischen Fasern; Eine andere mit Metall gefüllte Version zeigte eine stärkere Temperaturerfassungsfähigkeit. Das Forschungsteam hat diese spezielle optische Faser mit einer Länge von mehr als 120 Metern aus einer einzigen experimentellen Vorform gezogen und damit ihre Herstellungsfähigkeit bewiesen.
Die bekannteste Verwendung von Glasfasern ist die eines Glasfadens, der Daten überträgt und Informationen durch Lichtimpulse um die Welt transportiert. Aber auch Glasfasern sind sehr leistungsfähige Sensoren. Äußere Einflüsse wie Dehnung, Druck oder Temperatur können die physikalischen und optischen Eigenschaften von Glas geringfügig verändern. Diese externen Effekte können gemessen werden, indem die Veränderungen des Lichts auf seinem Weg durch die Faser verfolgt werden.
Eine grobe, aber intuitive Analogie ist ein Bewässerungsschlauch. Wenn Menschen einen bestimmten Abschnitt des Schlauchs zusammendrücken, ändert sich der Wasserfluss. Durch die Messung der Änderung des Wasserdurchflusses können Ingenieure ermitteln, wie viel Druck ausgeübt wird. Die faseroptische Sensorik nutzt ein ähnliches Prinzip, ist jedoch wesentlich empfindlicher. Forscher senden Licht in optische Fasern, messen, wie sich die Lichtsignale ändern, und schließen aus diesen Änderungen ab, was die optische Faser erlebt hat.
Ein gängiger Ansatz ist die Verwendung von Faser-Bragg-Gittern. Bei diesen Gittern handelt es sich um winzige periodische Strukturen, die in optische Fasern geschrieben sind und bestimmte Lichtwellenlängen reflektieren. Wenn eine optische Faser gedehnt oder gestaucht wird, ändert sich die Wellenlänge des reflektierten Lichts, wodurch Ingenieure ein „optisches Lineal“ zur Messung der Dehnung erhalten.
Herkömmliche Quarzglasfasern sind typischerweise zylindrisch, eine Geometrie, die sich ideal zum Messen von Kräften eignet, die entlang der Faserachse wirken. Allerdings reagieren massive Glaszylinder nur schwach auf seitliche Kräfte und hydrostatischen Druck aus allen Richtungen um sie herum, was zu erheblichen Einschränkungen ihrer Empfindlichkeit führt, was eine der wünschenswertesten Eigenschaften der Sensortechnologie ist.
Um dieses Problem zu lösen, veränderten die Forscher die Form des Glases. Anstatt zuerst eine runde Faser herzustellen und dann zu versuchen, sie abzuflachen, gestalteten sie HARFF im Vorformstadium zu einer flachen Struktur, was zu einer festen Struktur mit einem Seitenverhältnis von nahezu 20:1 führte. Diese bandartige flache Geometrie revolutioniert die Reaktion optischer Fasern auf äußere Kräfte. Einfach ausgedrückt ist die zum Biegen eines Rundstabs erforderliche Kraft nicht die gleiche wie zum Biegen eines dünnen Lineals. Durch die flache Struktur reagiert die Glasfaser leichter auf Biegekräfte wie ein Lineal.
Mit HARFF können Ingenieure die Breite, Dicke, Wandstärke und internen Kanäle der Faser individuell anpassen, um gezielt zu bestimmen, wo sich das Glas biegt und wo sich die Spannung konzentriert.
Im Drucksensor entwarf das Forschungsteam zwei sich in Längsrichtung erstreckende Luftkanäle innerhalb der optischen Faser. Diese bewusst gestaltete asymmetrische Struktur verformt sich, wenn äußerer Druck ausgeübt wird, was zu unterschiedlich starken Spannungen in verschiedene Richtungen um den optischen Wellenleiter führt. Dadurch ändert sich auch eine Eigenschaft der Faser, die „Doppelbrechung“ genannt wird. Doppelbrechung bedeutet, dass Licht, das in zwei zueinander senkrechten Polarisationsrichtungen wandert, im selben Glasstück leicht unterschiedliche Brechungsindizes erfährt.
Die Forscher schrieben dann zwei identische Faser-Bragg-Gitter in den optischen Wellenleiter und bildeten zwischen ihnen einen winzigen optischen Hohlraum. Wenn sich Licht innerhalb dieses optischen Hohlraums ausbreitet, erzeugt es ein charakteristisches Interferenzmuster. Wenn Druck das Glas verformt, ändert sich seine Doppelbrechung und das Interferenzmuster verschiebt sich messbar.
Vereinfacht ausgedrückt verformt Druck die Bandfaser, wodurch sich die optischen Eigenschaften des Glases verändern, und das veränderte Lichtsignal sagt den Forschern, wie viel Druck ausgeübt wurde.
Die Forscher brachten diesen Proof-of-Concept-Sensor zum Testen in einen Druckbehälter, wobei der Testdruck bis zu 0,40 MPa erreichte. Die Messergebnisse zeigen, dass die Spitze-Tief-Reaktion 7,24 dB/MPa erreicht; Bei Berechnung mit einer anderen Analysemethode erreicht die Druckempfindlichkeit einen Maximalwert von 31,6 rad/MPa. Gleichzeitig beträgt die Temperaturquerempfindlichkeit weniger als 1 % der Druckempfindlichkeit, was den Forschern hilft, Druckänderungen von Temperaturänderungen zu unterscheiden.
Das Forschungsteam gab an, dass die Empfindlichkeit von HARFF im Vergleich zu vergleichbaren optischen Fasern mit elliptischen Kernen und kreisförmigen Querschnitten um bis zu drei Größenordnungen verbessert wurde, was etwa dem Tausendfachen entspricht. Sie behaupten außerdem, dass sich die Leistung von HARFF im Vergleich zu anderen Silica-Faserdesigns, die für die hydrostatische Druckmessung optimiert sind, um bis zu zwei Größenordnungen verbessert.
Zusätzlich zur Druckmessung zeigten die Forscher auch, dass dieselbe grundlegende Glasplattform auch als Temperatursensor konzipiert werden kann. Im Temperatursensor füllten sie einen internen Kanal des HARFF mit einer Legierung auf Zinnbasis. Der Wärmeausdehnungskoeffizient von Siliziumdioxid beträgt etwa 0,5×10⁻⁶/K, während der Wärmeausdehnungskoeffizient dieser Legierung etwa 23×10⁻⁶/K beträgt. Wenn die beiden erhitzt werden, versucht das Metall, sich weit über das hinaus auszudehnen, was das umgebende Glas zulässt. Dieser Ausdehnungsunterschied erzeugt Spannungen im Siliziumdioxid, verändert seine Doppelbrechung und erzeugt wiederum ein optisches Signal, das gemessen werden kann.
Die Forscher glauben, dass sie nicht nur einen leistungsstärkeren Sensor geschaffen haben, sondern auch die Geometrie und die innere Struktur der Faser in neue technische Designvariablen umgewandelt haben.
Pavel Maniewski, Forscher am Royal Institute of Technology, sagte, dass es sich hierbei nicht nur um eine optische Faser mit einem anderen Erscheinungsbild handele, sondern einen neuen Designraum für optische Fasern eröffne. Durch die Änderung der Geometrie kann das Glas selbst stärker auf die umgebende physische Umgebung reagieren.
Durch Änderung der Faserbreite, -dicke, der Luftkanäle, der Position der optischen Wellenleiter oder der Materialien, die diese Kanäle füllen, wird erwartet, dass dieselbe grundlegende Fertigungsplattform in Zukunft für verschiedene Arten von Sensoranforderungen optimiert wird. Beispielsweise würde die Einbettung einer solchen optischen Faser in einen Verbundwerkstoffflügel die Überwachung von Belastungen und Dehnungen ermöglichen, ohne dass ein Netzwerk aus einer großen Anzahl herkömmlicher elektronischer Sensoren aufgebaut werden müsste.
Ähnliche optische Fasern können auch in Bereichen wie Drohnen, Brücken, Industriestrukturen und Batterien verwendet werden. In diesen Szenarien können Änderungen der Innentemperatur oder des Innendrucks als Frühwarnzeichen für einen Geräteausfall dienen. Darüber hinaus haben optische Fasern den Vorteil, dass sie leicht und klein sind und nicht durch elektromagnetische Störungen beeinträchtigt werden.
Natürlich ist es noch ein weiter Weg von einer beeindruckenden optischen Laborfaser bis zu einer praktischen Anwendung, die es Flugzeugen ermöglichen würde, so etwas wie ein „gläsernes Nervensystem“ zu haben. Das aktuelle HARFF befindet sich noch im Proof-of-Concept-Stadium. Die Forscher haben einen Lichtausbreitungsverlust von etwa 0,16 dB/Meter gemessen, was ihrer Meinung nach in erster Linie auf die experimentelle Kerngeometrie und das verwendete Silica-Material zurückzuführen ist und nicht auf inhärente Einschränkungen der Flachfaser selbst.
Darüber hinaus beträgt der Verlust, der beim Spleißen von HARFF mit herkömmlicher Glasfaser entsteht, normalerweise weniger als 3 Dezibel, was bedeutet, dass es noch viel Raum für die Optimierung dieser Technologie gibt.
Der nächste Schritt des Forschungsteams besteht darin, die Möglichkeiten zur Steuerung der Faserform weiter zu verbessern, optische Verluste zu reduzieren und HARFF von einem Proof-of-Concept-Sensor zu einem tatsächlichen System zu machen. Das Royal Institute of Technology wies darauf hin, dass intelligente Drohnen, fortschrittliche Verbundwerkstoffe und sicherere Energietechnologien mögliche zukünftige Anwendungsrichtungen dieser Technologie seien.
Es ist zu beachten, dass sich diese Forschung auf die faseroptische Sensorik und nicht auf die Datenübertragung in der Telekommunikation konzentriert. Im Telekommunikationsbereich ist die herkömmliche kreisförmige Glasfaser immer noch der gängige Standard.
Diese Forschung wurde in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht.
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