Zwilling

Jun 10, 2023

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 11797 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

In dieser Arbeit berichten wir über ein Zweikern-Fasersensorsystem, das eine verbesserte spektrale Effizienz bietet, Multiplexing ermöglicht und ein geringes Maß an Übersprechen bietet. Teile der erwähnten stark gekoppelten Mehrkernfaser werden als Sensoren in einem Laserhohlraum verwendet, der einen gepulsten optischen Halbleiterverstärker (SOA) enthält. Jeder Sensor hat seine einzigartige Hohlraumlänge und kann individuell angesprochen werden, indem das periodische Ansteuern des SOA elektrisch an die Hohlraumumlaufzeit des Sensors angepasst wird. Der Abfragesender fungiert als Laser und liefert ein schmales Spektrum mit hohem Signal-Rausch-Verhältnis. Darüber hinaus ermöglicht es die Unterscheidung der Reaktion einzelner Sensoren auch bei überlappenden Spektren. Potenziell kann die Anzahl der abgefragten Sensoren deutlich erhöht werden, was ein attraktives Feature für die Mehrpunkterfassung darstellt.

Der Einsatz optischer Fasern in Sensoranwendungen zur Echtzeitüberwachung von Parametern wie Dehnung und Temperatur hat großes Interesse geweckt, da in diesen Bereichen ihre intrinsischen Eigenschaften wie geringe Größe, geringes Gewicht und elektromagnetische Immunität ausgenutzt werden können. Darüber hinaus stellen sie dank ihrer Fähigkeit, in Materialien wie Beton oder Verbundwerkstoffe eingebettet zu werden und über große Entfernungen zu funktionieren, eine attraktive Alternative für viele Anwendungen dar, bei denen eine präzise Verfolgung der oben genannten Parameter entlang großer Strukturen oder Flächen erforderlich ist1. Zu diesem Zweck wird häufig die Mehrpunkterfassung eingesetzt, die aus der einfachen und vielseitigen Abfrage mehrerer einzelner Sensoren2,3 besteht und deren räumliche Auflösung mit der Fähigkeit zur Unterscheidung benachbarter Sensorelemente verbunden ist. Diese Konfiguration hat insbesondere für die Überwachung des Strukturzustands große Bedeutung erlangt4,5.

Unter den Mehrpunkt-Erfassungstechniken ist das Wellenlängenmultiplex6 das gebräuchlichste, wobei jeder Sensor mit einer anderen Wellenlänge arbeitet. Somit sind die Wellenlängenverschiebung jedes Sensors und das Abfragefenster die einschränkenden Faktoren, die die maximale Anzahl von Elementen definieren, die abgefragt werden können. Im Gegensatz dazu basiert das Zeitmultiplexverfahren auf der individuellen Abfrage jedes Sensorelements mittels Analyse des reflektierten Lichts7, da die Ankunftszeiten der Reflexionen direkt proportional zum Abstand von der Lichtquelle zu jedem Sensorelement sind. Darüber hinaus können Wellenlängen- und Zeitmultiplex kombiniert werden, um die Anzahl der Sensorelemente zu erhöhen, die einzeln abgefragt werden können8,9. Im Allgemeinen werden die oben genannten Techniken mit Faser-Bragg-Gittern (FBGs)10,11,12,13,14,15 implementiert, einer ausgereiften und zuverlässigen Technologie zur Messung mehrerer Parameter16 mit einer räumlichen Auflösung bis zu einigen Millimetern17. Darüber hinaus nutzen FBGs das Spektrum effizient, da sie schmale und klar definierte Peaks liefern. Diese Tatsache ermöglicht die Überwachung einer erheblichen Anzahl von FBGs im selben Abfragefenster. Alternativ werden auch faserinterne Fabry-Perot18,19- und Mach-Zehnder20-Interferometer verwendet.

In den letzten Jahren wurden stark gekoppelte Multicore-Fasern (MCFs) als Alternative für die Sensorik eingeführt. Einige attraktive Merkmale von MCFs sind ihre Vielseitigkeit, einfache Abfrage und Empfindlichkeit21,22,23,24, die je nach Messgröße höher sein kann als die von FBGs25, und dass Glasfaserlängen von km hergestellt werden können, was zur Verfügbarkeit von einer einzigen führt Einzelzug aus vielen tausend dezimeterlangen Fasersegmenten, die für die Erfassung geeignet sind. Ihr Hauptnachteil ist ihre geringe spektrale Effizienz, da gekoppelte MCFs mehrere und breite Peaks liefern. Die spektrale Überlappung der breiten Peaks von C-Band-Sensoren beschränkt ihre Verwendung im Allgemeinen auf Einzelpunktmessungen. Um diese Einschränkung zu überwinden, wurden Anstrengungen wie die Kaskadierung von MCF-Segmenten unternommen, allerdings auf Kosten einer Erhöhung der Komplexität und Länge des Sensors26,27. Aufgrund der attraktiven Eigenschaften gekoppelter MCF-basierter Sensoren wäre es jedoch von Interesse, eine Technik zu entwickeln, um ihre spektrale Effizienz zu verbessern und Multiplexing zu ermöglichen, was ihren Einsatz als Mehrpunktsensoren für Anwendungen wie die Überwachung des strukturellen Zustands ermöglicht. Unter den MCFs wurde in der Literatur ausführlich über die Verwendung von Twin-Core-Fasern (TCFs) als Sensorelemente für mehrere Anwendungen berichtet28,29,30,31.

In diesem Artikel wird ein Mehrpunkt-Abfragesystem mit MCFs vorgestellt. Es basiert auf der Verwendung von Segmenten einer gekoppelten Doppelkernfaser (TCF) als Sensorelemente in einem Laserhohlraum, der einen gepulsten optischen Halbleiterverstärker (SOA) enthält. Wie in den folgenden Abschnitten erklärt und demonstriert, verbessert Laser die spektrale Effizienz des Sensors, und das System ermöglicht Multiplexing, wodurch die Anzahl der Sensoren erhöht wird, die eindeutig abgefragt werden können.

Im vorgeschlagenen System liegt der Schlüssel zum Multiplexen mehrerer MCF-basierter Sensoren in der Schaffung von Ringhohlräumen mit unterschiedlichen Längen, die bei einer bestimmten HF-Frequenz im MHz-Bereich schwingen. In jedem Hohlraum fungiert das Sensorgerät als Laserspiegel, der das von einem SOA eingestrahlte Licht reflektiert. Letzterer wird mit einem Wellenformgenerator gesteuert, der die Programmierung der Frequenzrate und Breite des ausgesendeten Impulses ermöglicht. Dadurch wird nur die optische Rückmeldung von einem Sensorkopf, die synchron mit der elektrischen Ansteuerung des SOA im Nanosekundenbereich ist, verstärkt und durch den Hohlraum zurückgeführt, während das zu einem anderen Zeitpunkt eintreffende optische Signal absorbiert wird. Wenn der optische Impuls mehrmals den SOA durchläuft und die Verstärkung den Verlust übersteigt, arbeitet der Abfrager als Laser, dessen Emission am Peak der Hohlraumverstärkung mit erheblicher spektraler Verengung17,32,33 und einem guten Signal-Rausch-Verhältnis erfolgt Verhältnis (SNR) und geringes Übersprechen. Da außerdem jedes der Sensorelemente ausschließlich mit seiner eigenen Resonanzfrequenz (\(f_{r}\)) angesprochen wird, können Sensoren mit identischen oder ähnlichen Spektren verwendet werden, wenn sie in unterschiedlichen Längen eingesetzt werden34,35.

Der Aufbau des vorgeschlagenen Systems ist in Abb. 1 dargestellt. Es besteht aus zwei polarisationsunabhängigen optischen Halbleiterverstärkern (SOA, Thorlabs SOA1013SXS und Booster Optical Amplifier BOA, Thorlabs BOA1004P), einem 90:10-Glasfaserkoppler zur Überwachung, einem einzigen Mode Fiber Reel (SMF), einen Zirkulator und einen 50:50-Koppler für den Zugriff auf die Sensoren. Der Einsatz von zwei Verstärkern (SOA und BOA) im Laserhohlraum war erforderlich, um die Verstärkung zu erhöhen und eine ausreichende Verstärkung für den Laserbetrieb des Systems sicherzustellen. Beide Verstärker wurden von einem Wellenformgenerator (Keysight 33600A) mit der gleichen Rate und einer entsprechenden Phasenverschiebung angesteuert, wodurch die Hochgeschwindigkeitsstromverstärker zum Ansteuern von SOA und BOA ausgelöst wurden. Die Gesamtimpulsdauer beim Lasern lag unter 10 ns, dh es wurde 1 m Faser in Reflexion abgedeckt. Die 320-m-SMF-Rolle wurde aus praktischen Gründen verwendet, um die Hohlraumumlaufzeit zu erhöhen und die Ansteuerfrequenz auf Werte zu senken, die mit der verfügbaren Elektronik kompatibel sind, um übermäßige Erwärmung zu vermeiden. Die relativ lange Faserspule sorgte außerdem dafür, dass die Längen der von den Sensoren gebildeten Hohlräume keine ganzzahligen Vielfachen voneinander waren32. Port 2 des Zirkulators wurde verwendet, um die Sensoren über einen 50:50-Koppler mit dem Ring zu verbinden. Die Sensoren waren in unterschiedlichen Längen angeordnet, um für jeden ein anderes \(f_{r}\) sicherzustellen, so dass sie individuell angesprochen werden konnten, indem die HF-Frequenz der Stromimpulse zum SOA durchgetastet wurde. Mathematisch kann das \(f_{r}\) jedes Geräts mit der folgenden Gleichung33,35 berechnet werden:

Dabei ist \(c\) die Lichtgeschwindigkeit, \(n\) der effektive Brechungsindex der untersuchten Faser, \(L_{RING}\) die Hohlraumlänge des von der SMF-Spule gebildeten Rings, der SOA , der BOA und den Anschlüssen 1 und 3 des Zirkulators, der in dieser Arbeit auf 340 m festgelegt wurde, und \(L_{SENSOR}\) ist der Abstand von Anschluss 2 bis zum Ende jedes der Ausgänge des Glasfaserkopplers . Typischerweise liegt die Resonanzfrequenz im Bereich von ~ 106 Hz (für einen Sensorabstand von \(L\) ~ 102 m), und Schwankungen aufgrund von Temperaturschwankungen in einem Labor sind auf ~ 101 Hz begrenzt (d. h. ein Fehler in der). Sensorposition im mm-Bereich). Für den Aufbau in Abb. 1 wurden \(f_{rSENSOR1}\) und \(f_{rSENSOR2}\) mit 537,16 kHz bzw. 544,49 kHz ermittelt. Außerhalb dieser Wiederholungsfrequenzen gab es im Abfragefenster kein messbares optisches Signal, da der Laser außer bei Resonanz unterhalb des Schwellenwerts lag.

Schematische Darstellung des Verhöraufbaus.

Für Überwachungszwecke wurden 10 % des Lichts verwendet: die Hälfte war an ein Spektrometer (I-MON512-USB, Ibsen Photonics) und die andere Hälfte an einen InGaAs-Lawinenfotodetektor (Thorlabs APD430C/M) und ein Oszilloskop (Tektronix TDS3034) für Spektralmessungen angeschlossen bzw. zeitliche Messungen. Mit ersterem konnte jede Wellenlängenverschiebung im Spektrum pikometergenau verfolgt und gespeichert werden, mit letzterem konnte jede Verkürzung des optischen Impulses gemessen werden, da die Spuren elektrischer Pump- und optischer Impulse dargestellt werden konnten.

Ein solches Befragungssystem wurde typischerweise mit FBGs17,32,33,34,35 kombiniert. In dieser Arbeit beruht die Neuheit jedoch auf der Tatsache, dass Abschnitte gekoppelter TCF als Sensorelemente und Teillaserhohlraumspiegel verwendet wurden, da die Kombination des vorgeschlagenen Abfragesystems und gekoppelter MCFs die Vorteile beider Elemente vereinen könnte. Einerseits ermöglicht das Abfragesystem ein Multiplexing, das die spektrale Effizienz der Sensoren optimiert, sie einzeln abfragt und Geräte mit ähnlichen oder sogar identischen Spektren verwendet, da sie durch ihr \(f_{r}\) und nicht durch identifiziert werden die Form ihrer Spektren. Andererseits bieten MCFs mehrere intrinsische Vorteile wie hohe Empfindlichkeit, einfache Abfrage, Möglichkeit, Ad-hoc-Geometrien zu entwerfen, um ihre Empfindlichkeit für die Messung bestimmter Parameter zu optimieren36,37 usw. Somit sind die potenziellen Vorteile der Kombination von Das vorgeschlagene Abfragesystem mit MCFs ist für Mehrpunkt-Erfassungssysteme von großem Interesse.

Der in dieser Arbeit verwendete TCF wurde aus einem Standard-Telekommunikationsvorformling mit einem zentralen Kern und einem zusätzlichen Kern hergestellt, der zu seiner gebohrten Ummantelung hinzugefügt wurde. Die beiden Kerne waren in Größe und physikalischen Eigenschaften ungefähr gleich und die Mitte des Seitenkerns befand sich 15,5 µm von der Fasermitte entfernt (siehe Abb. 2a). Der mittlere Durchmesser und die numerische Apertur (NA) jedes Kerns betrugen 8,2 μm bzw. 0,14 und entsprachen damit denen eines Standard-SMF, während der mittlere Durchmesser der Faser 125 μm betrug28.

(a) Querschnitt des in dieser Arbeit verwendeten 125 µm TCF. (b) Schematische Darstellung des Sensorkopfes, bestehend aus einem TCF-Abschnitt und einem kurzen Stück verspiegelter Singlemode-Faser.

Das Funktionsprinzip gekoppelter MCFs im Allgemeinen und dieses TCF im Besonderen kann durch die Coupled-Mode-Theorie erklärt werden, da davon ausgegangen werden kann, dass jeder der Kerne als Wellenleiter fungiert38. Seine Spezifizierung für optische Fasern und die entsprechende theoretische und mathematische Analyse werden in den Referenzen 39 und 40 ausführlich erläutert. Kurz gesagt sind die Supermoden, die sich in gekoppelten MCFs ausbreiten, die lineare Kombination der sich ausbreitenden Moden durch jeden einzelnen Leiter41. Wenn der TCF durch Fusionsspleißung mit einem SMF mit radialer Symmetrie verbunden und mit dem LP01-Modus angeregt wird, werden nur die beiden orthogonalen Supermoden gekoppelt, die im zentralen Kern Leistung haben. Für den in dieser Arbeit verwendeten TCF (siehe Abb. 2a) werden nur die beiden gekoppelten orthogonal propagierenden Supermoden SP01 und SP02 angeregt, wie in Abb. 3 dargestellt.

Simulationen der 3D- und 2D-Profile der beiden gekoppelten orthogonalen Supermoden, die im TCF angeregt werden. In (a) ist der Supermode SP01 dargestellt, in (b) der Supermode SP02.

Gemäß den mathematischen Ausdrücken in Ref. 39, 40 erfolgt die Leistungsübertragung zyklisch zwischen den Kernen der Faser und hängt von der eingestrahlten Wellenlänge \(\lambda\), der Länge des TCF-Segments \(z\) und dem ab Differenz zwischen den effektiven Brechungsindizes der sich ausbreitenden orthogonalen Supermoden \(\Delta n\). Hier sind die normalisierten Potenzen im zentralen (\(P_{0}\)) und angrenzenden Kern (\(P_{1}\)) gegeben durch28:

wobei \(\Delta n\) = 0,873 × 10–4 für diesen TCF bei 1550 nm und bei Raumtemperatur gemäß den Ergebnissen der PhotonDesign-Simulationssoftware. Die Gleichungen (2) und (3) verdeutlichen die Tatsache, dass die optische Leistung periodisch vollständig von einem Kern auf den anderen übertragen wird. In der in Abb. 2b gezeigten SMF-TCF-SMF-Struktur, die in dieser Arbeit als Sensorkopf verwendet wurde, entsteht eine Reihe von Maxima, wenn ein breitbandiges Licht in den zentralen Kern des TCF eingekoppelt und an seinem Ausgang von einem Spektrometer analysiert wird und Minima erscheinen im Spektrum. Wenn jedoch dieselbe SMF-TCF-SMF-Struktur in Reflexion abgefragt wird21,27,36,37, wandert das Licht durch sie hin und her und die normalisierte gekoppelte Leistung am Ausgang wird zu:

Wie aus den Gleichungen ersichtlich ist. (2) bis (5) bleibt die Kopplungsperiode unverändert, unabhängig davon, ob die Struktur in Transmission oder Reflexion abgefragt wird. Die Wellenlänge, bei der die Maxima im Spektrum auftreten (\(\lambda_{m}\)), bleibt ebenfalls unverändert und tritt auf, wenn die Periode einem ganzzahligen Vielfachen (\(m\)) von \(\pi\) entspricht. .

Wenn wir also den TCF mit einem SOA anregen, dessen Impulse auf \(f_{r}\) des Hohlraums (~ 106 Hz) abgestimmt sind, wird das System bei \(\lambda_{m}\) lasern, was a liefert einzigartiger, viel schärferer und schmalerer Peak im Spektrum im Vergleich zu den breiten Maxima und Minima, die man erhält, wenn solche MCFs mit einer Breitbandlichtquelle abgefragt werden21,22,23. Diese Tatsache ermöglicht die Bereinigung mehrerer Peaks sowie die Verwendung und Multiplexierung von MCF-basierten Geräten mit identischen oder ähnlichen Spektren im selben Abfragefenster, da sie durch das eindeutige \(f_{r}\) jedes einzelnen eindeutig und individuell identifiziert werden . Darüber hinaus ändert sich seine HF-Resonanzfrequenz nicht, wenn der TCF einer externen Störung wie Vibration oder Belastung ausgesetzt wird, während sich seine Laserwellenlänge \(\lambda_{m}\) entsprechend der Störung verschiebt. Eine solche Verschiebung kann mit der Störung korreliert werden; Daher kann das genannte System für Mess- und Sensorzwecke verwendet werden.

Um dieses Funktionsprinzip zu demonstrieren, wurden zwei SMF-TCF-SMF-Strukturen hergestellt (TCF1 und TCF2) und im Aufbau in Abb. 1 als Sensorgeräte platziert, jede mit einem TCF-Segment von ~ 8 cm, aber mit dem Segment in TCF1 etwas länger als in TCF2 (\(L_{TCF1} > L_{TCF2}\)). Zu diesem Zweck wurden ein Präzisions-Faserspalter und ein Präzisions-Fusionsspleißer verwendet. Mit ersterem wurden Fasersegmente mit Spaltungswinkeln nahe 0° erhalten, während letzteres verwendet wurde, um den zentralen Kern des TCF mit dem des SMF auszurichten und mit geringen Einfügungsverlusten zu verbinden. Zu Vergleichszwecken wurden beide Proben mit einer kontinuierlichen Breitbandlichtquelle (gestrichelte Kurve) und in einem Laserhohlraum (durchgezogene Kurve) abgefragt, wie in Abb. 4 dargestellt.

Spektren der hergestellten TCF-Sensoren, wenn sie von einer Breitbandlichtquelle in einer herkömmlichen Konfiguration mit offener Schleife (gestrichelte Linie) und als Teil eines gepulsten Laserhohlraums abgetastet werden, wobei die Wiederholungsfrequenz auf die jeweilige Hohlraumlänge abgestimmt wird (durchgezogene Linie).

Wie vorhergesagt, sind die Spektren der Geräte, die über einen Intracavity in einer Laserkonfiguration abgefragt werden, viel schmaler (FWHM = 5,13 nm für TCF1 und FWHM = 4,26 nm für TCF2) als die der Proben, die mit einer kontinuierlichen Breitbandlichtquelle und in einem abgefragt werden offener Regelkreis (FWHM = 12,83 nm für TCF1 und FWHM = 13,79 nm für TCF2). Das im Laserbetriebsmodus gemessene optische Signal besteht aus einem einzigen Peak, im Gegensatz zur Reaktion desselben Sensors in der herkömmlichen Konfiguration, bei der andere Peaks mit vergleichbarer Amplitude sichtbar sind, was die Verwendung für die Erfassung erschwert. Diese spektrale Verengung und Bereinigung mehrerer Peaks, die mit der vorgeschlagenen Laserkonfiguration erreicht werden, ermöglicht das Multiplexen von Sensoren ohne Peaküberlagerung.

Der erste Test bestand darin, beide Proben Vibrationen gleicher Frequenz (1 Hz) und Amplitude (500 mVpp) auszusetzen. Zu diesem Zweck wurden TCF1 und TCF2 in Längsrichtung mittig auf der Oberseite zweier dünner und flexibler Holzbalken von ca. 1 m Länge flächig verklebt. Wie in Abb. 5 dargestellt, waren die Strahlen parallel und wurden an den Enden abgestützt, während die Vibrationen durch einen Shaker, der mit einem Funktionsgenerator (Hewlett Packard 33120A) und einem Audioverstärker mit 4 Ω Ausgangsimpedanz (Brüel) verbunden war, auf die Mitte jedes Strahls ausgeübt wurden und Kjaer). Mit diesem Aufbau war es möglich, nur einen oder beide Balken gleichzeitig Vibrationen auszusetzen, was eine Auswertung des Übersprechens ermöglichte. TCF1 und TCF2 wurden oberflächengebunden mit jedem Balken verbunden, wobei ihre Kerne senkrecht zueinander ausgerichtet waren: Die Kerne von TCF1 waren horizontal und die Kerne von TCF2 vertikal ausgerichtet. Zu diesem Zweck wurde der in Ref.21 beschriebene Prozess wiederholt. Die Empfindlichkeit asymmetrischer MCFs, wie sie in dieser Arbeit verwendet werden, hängt von der Beziehung zwischen der Ausrichtung der Kerne und der Ebene ab, in der der Effekt angewendet wird21,25,42,43. Wenn Vibrationen vertikal angewendet würden, hätte TCF1 im Hinblick auf die erwartete Wellenlängenverschiebung die minimale Empfindlichkeit, während TCF2 die maximale Empfindlichkeit hätte. Darüber hinaus erleichterte die flache Oberfläche des TCF den Ausrichtungsprozess, da er senkrecht zu den Kernen ausgerichtet ist (siehe Abb. 2a). Indem man die Faser einfach gegen eine flache Oberfläche drückt, kann man die Richtung der Kerne erkennen. Um die ebene Oberfläche zu erzeugen, wurde der Vorformling auf einer Drehmaschine montiert und gedreht, bis die Kerne vertikal waren. Danach wurde der Vorformling auf der obersten Oberfläche abgeflacht.

Schematische Draufsicht und Seitenansicht des Versuchsaufbaus. Die Seitenansicht zeigt, wie die Vibration angewendet wurde. Die Nahaufnahme zeigt, wie die Sensorköpfe an jedem Balken oberflächenverklebt wurden.

Die Ergebnisse sind in den Abbildungen zusammengefasst. In Abb. 6a sind die Ergebnisse dargestellt, wenn TCF1 Vibrationen ausgesetzt wurde und TCF2 im Leerlauf gelassen wurde. In Abb. 6b wurde TCF2 Vibrationen ausgesetzt, während TCF1 inaktiv blieb, und in Abb. 7 wurden beide Sensoren Vibrationen ausgesetzt die selbe Zeit. In jedem Fall wurden beide Sensoren abgefragt, indem die Frequenz des Anschnitts an die Resonanzfrequenz des Hohlraums angepasst wurde.

Ergebnisse im Frequenzbereich, wenn (a) TCF1 vibrierte und TCF2 inaktiv war und (b) TCF1 inaktiv war und TCF2 vibrierte. In den Einschüben werden die Ergebnisse im Zeitbereich für jeden Fall angezeigt.

Ergebnisse im Frequenzbereich, als beide Geräte vibrierten. Die Ergebnisse im Zeitbereich sind im Einschub dargestellt.

Für die Fälle, in denen nur einer der Sensoren vibrierte, waren das gute SNR bei 1 Hz, die Schmalheit des Peaks und der niedrige Pegel der harmonischen Komponenten im Frequenzbereich von Bedeutung. Tatsächlich betrugen die SNRs für die Fälle in Abb. 6a, b 21,74 bzw. 47,13. Der Unterschied in der Wellenlängenverschiebung zwischen Sensoren bei gleicher Störung wurde durch die Kernausrichtung verursacht. Da TCF2 erwartungsgemäß darauf abzielte, die Empfindlichkeit zu maximieren, war die Wellenlängenverschiebung bei diesem Gerät viel höher. Bezüglich des jeweils ruhenden Sensors deuten die Ergebnisse darauf hin, dass die Störung des Signals durch den vibrierenden Sensor gering war. Im Zeitbereich spiegelt sich dieser Sachverhalt in der geringen Wellenlängenverschiebung im Vergleich zu der des vibrierenden Sensors wider. In Abb. 6a beträgt die beim ruhenden Sensor erfasste Verschiebung nur 4,6 % des Signals des vibrierenden Sensors, während sie in Abb. 6b 2,1 % beträgt. Im Frequenzbereich liegt die Amplitude des FFT-Peaks bei 1 Hz weniger als eine Größenordnung unter der des vibrierenden Sensors.

Wenn beide Sensoren gleichzeitig identischen Vibrationen ausgesetzt wurden (siehe Abb. 7), zeigte TCF2 eine höhere Empfindlichkeit als TCF1. Letzteres war aufgrund der bereits beschriebenen senkrechten Ausrichtung der Kerne zu erwarten (siehe Abb. 5). Im Zeitbereich war die Wellenlängenverschiebung von TCF2 etwa eine Größenordnung höher als die von TCF1 (\(\Delta \lambda_{TCF2}\) = 1060 pm und \(\Delta \lambda_{TCF1}\) = 142 Uhr). Im Frequenzbereich waren eine Spitze bei 1 Hz und ein geringer Pegel harmonischer Komponenten im Signal beider Sensoren erkennbar. Somit wurde die Vibration von beiden Sensoren mit hoher Genauigkeit erfasst und gemessen und das Übersprechen hatte keinen signifikanten Einfluss auf die Messungen oder deren Empfindlichkeit.

Der nächste Test bestand darin, die Leistung des Abfragesystems zu bewerten, wenn mehr als zwei Sensoren gleichzeitig angeschlossen waren. Zu diesem Zweck wurde der Aufbau in Abb. 1 geändert, um einen variablen Dämpfer (Hewlett Packard 8157A) zwischen Anschluss 2 des Zirkulators und dem 50:50-Koppler einzubauen. Er wurde auf 6 dB eingestellt, was zusammen mit den 3 dB Verlusten des 50:50-Kopplers einen Gesamtverlust von 9 dB in jedem Ausgang erzeugte, um die Verluste eines Systems in einer Konfiguration mit bis zu 8 Sensoren zu simulieren . Wie beim vorherigen Test wurden beide Sensoren Vibrationen (1 Hz und 500 mVpp) ausgesetzt und abgefragt, indem die Frequenz des Gatings an die jeweilige Resonanzfrequenz angepasst wurde. Durch den Zusatz des Dämpfungsglieds vergrößerte sich die Länge des Faserhohlraums geringfügig und dadurch änderte sich die Resonanzfrequenz der Sensoren. In diesem Fall betrugen sie 328,3 kHz für TCF1 und 353,4 kHz für TCF2.

Die Ergebnisse sind in den Abbildungen zusammengefasst. In Abb. 8a sind die Ergebnisse dargestellt, wenn TCF1 Vibrationen ausgesetzt wurde und TCF2 im Leerlauf gelassen wurde. In Abb. 8b wurde TCF2 Vibrationen ausgesetzt, während TCF1 inaktiv blieb, und in Abb. 9 wurden beide Sensoren Vibrationen ausgesetzt die selbe Zeit.

Ergebnisse im Frequenzbereich, wenn (a) TCF1 vibrierte und TCF2 inaktiv war und (b) TCF1 inaktiv war und TCF2 vibrierte. In den Einschüben werden die Ergebnisse im Zeitbereich für jeden Fall angezeigt.

Ergebnisse im Frequenzbereich, als beide Geräte vibrierten. Ergebnisse im Zeitbereich werden im Einschub angezeigt.

Die 1-Hz-Schwingung wurde von dem jeweils vibrierenden Gerät aufgezeichnet (TCF1 in Abb. 8a und TCF2 in Abb. 8b), während das Signal des ruhenden Geräts keine Schwingung detektierte. Tatsächlich zeigt die FFT in jedem Fall, dass das SNR immer über 3 liegt, dem Verhältnis, das üblicherweise als Regel zur Definition der Nachweisgrenze verwendet wird44. Somit deuten die Ergebnisse darauf hin, dass beide Sensoren in der Lage waren, die 1-Hz-Vibration zu erkennen und aufzuzeichnen, ohne dass ihre Leistung dadurch beeinträchtigt wurde.

Bei gleichzeitiger Vibrationsbeaufschlagung beider Geräte (siehe Abb. 9) wurde die Schwingung von beiden Geräten aufgezeichnet, allerdings mit etwas geringerer Empfindlichkeit. Wie in den vorherigen Tests zeigte TCF2 aufgrund seiner besseren Kernorientierung in allen Fällen eine höhere Empfindlichkeit.

Der letzte Test bestand darin, mit jedem Sensorkopf verschiedene Parameter zu messen. Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass über die Temperaturempfindlichkeit dieses TCF bereits berichtet wurde28 (46,4 pm/K) und dass das Ziel dieser Arbeit darin besteht, ein Multiplexsystem für MCFs vorzuschlagen und zu demonstrieren, wurde beschlossen, die Leistung des TCF daran zu messen zwei von der Temperatur verschiedene Parameter. Als Parameter wurden sinusförmige Schwingungen (1 Hz und 500 mVpp) und Dehnungszyklen bestehend aus Dehnungs- und Kompressionszyklen in Schritten von 257,57 μm mithilfe eines linearen Präzisionstisches (Newport M-UMR 12.40) ausgewählt. Zu diesem Zweck wurde der Dämpfer entfernt, sodass der Versuchsaufbau für diese Tests mit dem in Abb. 1 identisch war. Für Vibrationsmessungen wurde TCF2 ausgewählt, da es bereits auf einen Holzbalken geklebt war und eine bessere Kernausrichtung aufwies im Vergleich zu TCF1 (siehe Abb. 5). Letzteres wurde durch TCF3 (siehe Abb. 10) ersetzt, eine Probe mit einem etwas längeren TCF-Segment (~ 12 cm) und dessen \(f_{rSENSOR3}\) ~ 566,9 kHz.

Spektren des hergestellten TCF3, wenn es von einer Breitbandlichtquelle in einer herkömmlichen Konfiguration mit offenem Regelkreis (gestrichelte Linie) und als Teil eines gepulsten Laserhohlraums untersucht wird, wobei die Wiederholungsfrequenz auf die Länge des Resonanzhohlraums abgestimmt wird (durchgezogene Linie).

Als TCF3 mit einer kontinuierlichen Breitbandlichtquelle abgefragt wurde, betrug die FWHM des maximalen Peaks 6,63 nm, während die FWHM des einzigartigen Peaks, der im Spektrum erscheint, wenn er mit der gepulsten SOA abgefragt wurde, nur 1,16 nm betrug.

Die Ergebnisse dieser Tests sind in den Abbildungen dargestellt. 11 und 12. In Abb. 11a wurde TCF3 einer Belastung ausgesetzt, während TCF2 im Ruhezustand belassen wurde, in Abb. 11b wurde TCF2 Vibrationen ausgesetzt und TCF3 inaktiv gelassen, und in Abb. 12 wurden TCF2 und TCF3 Vibrationen ausgesetzt Belastung bzw. gleichzeitig.

Ergebnisse, wenn (a) TCF3 einer Belastung ausgesetzt war und TCF2 inaktiv war und (b) TCF3 inaktiv war und TCF2 vibrierte. Im Einschub ist das Ergebnis im Zeitbereich dargestellt.

Ergebnisse, wenn TCF2 vibrierte und TCF3 gleichzeitig belastet wurde.

Die Ergebnisse zeigen, dass Vibrations- und Dehnungszyklen von jedem Sensor in allen Tests korrekt erfasst wurden. Einerseits betrug bei Dehnungsmessungen, bei denen nur TCF3 eingesetzt wurde, das SNR 27,38 und die Wellenlängenverschiebung 1875 pm im getesteten Bereich (siehe Abb. 11a), was darauf hinweist, dass TCF3 eine Empfindlichkeit von 1,8 erreichte pm/με. Beim Test beider Sensoren (siehe Abb. 12) zeigte TCF3 eine Empfindlichkeit von 1,7 pm/με, da die Wellenlängenverschiebung im getesteten Bereich 1750 pm betrug. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass dieser TCF eine signifikante Leistung für Dehnungsmessungen aufweist, da seine Empfindlichkeit höher ist als die anderer MCF-basierter Dehnungssensoren23 und dass das Übersprechen einen Empfindlichkeitsverlust von 6,7 % verursachte. Wenn dagegen nur TCF2 vibrierte, betrug das SNR 34,32 und die Wellenlängenverschiebung 600 pm (siehe Abb. 11b), wohingegen sie 450 pm betrug, als beide Sensoren getestet wurden (siehe Abb. 12). Somit betrug in diesem Fall der durch Übersprechen verursachte Empfindlichkeitsverlust 25 %. Letzteres hatte jedoch unabhängig von der Messgröße keinen nennenswerten Einfluss auf die Messungen, da die durch beide Parameter verursachte Verschiebung genau erfasst wurde.

In dieser Arbeit haben wir die Machbarkeit eines Mehrpunkt-Abfragesystems für gekoppelte MCF-basierte Sensoren vorgeschlagen und demonstriert. Sein Funktionsprinzip basiert auf der Schaffung mehrerer ringförmiger Resonanzhohlräume, in denen jeder der Sensorköpfe als Laserspiegel fungiert, der das von einem torgesteuerten SOA eingestrahlte Licht reflektiert. Auf diese Weise kann jeder Hohlraum einfach und individuell angesprochen werden, indem die Frequenz des Anschnitts angepasst wird, da diese direkt proportional zur physikalischen Länge jedes Hohlraums ist. Wenn die Sensoren also in unterschiedlichen Längen verteilt sind, weist jeder von ihnen eine einzigartige Resonanzfrequenz auf, die eine eindeutige Identifizierung ermöglicht. Da die Identifizierung außerdem ausschließlich von der Länge des Hohlraums abhängt, könnten Sensoren mit ähnlichen oder sogar identischen Spektren im selben System gemultiplext werden.

Ein großer Vorteil des vorgeschlagenen Systems ist die deutliche Verbesserung der spektralen Effizienz gekoppelter MCF-basierter Sensoren. Im Vergleich zu den von diesen Geräten bereitgestellten Ausgangsspektren, die aus mehreren und breiten Peaks bestehen, wenn sie von einer kontinuierlichen Breitbandlichtquelle abgefragt werden; Wenn dieselben Geräte von der Gated-SOA abgefragt werden, weisen die Ausgangsspektren jedes Sensors lediglich einen eindeutigen, scharfen und schmalen Peak auf, da das System eine Mehrfachpeakbereinigung durchführt und nur bei der Wellenlänge lasert, bei der der Hohlraumverstärkungspeak liegt gelegen. Diese Funktionen ermöglichen es, eine größere Anzahl von Sensoren in das Abfragefenster einzubeziehen, was zusätzlich zur Möglichkeit der Verwendung von Sensoren mit identischen Spektren eine deutliche Erhöhung der Anzahl von Geräten ermöglicht, die mit diesem System abgefragt werden könnten.

Die Machbarkeit des vorgeschlagenen Abfragesystems wurde für einen Aufbau mit zwei Sensoren demonstriert, die aus TCF-Segmenten unterschiedlicher Länge bestanden, die denselben (Vibration) und unterschiedlichen Reizen (Vibration und Dehnung) ausgesetzt waren. In allen Fällen war das System in der Lage, den angewandten Effekt mit hoher Empfindlichkeit, hohem SNR und einem deutlich geringen Maß an Übersprechen zu erkennen und zu messen, selbst in einer Konfiguration, die eine Situation mit 8 Sensoren simulierte.

Daher legen die hohe Empfindlichkeit von MCFs für die gleichzeitige Messung verschiedener Parameter in Kombination mit der hohen spektralen Effizienz, dem hohen SNR und dem geringen Maß an Übersprechen durch den Abfrageaufbau nahe, dass das vorgeschlagene System für Anwendungen attraktiv sein könnte, die genaue Mehrpunktmessungen erfordern Erfassung mit minimalem Eingriff und einfacher Abfrage, z. B. zur Überwachung des strukturellen Zustands von Flugzeugen, Gebäuden usw. Da das vorgeschlagene System außerdem mit jedem MCF kompatibel ist, ermöglicht es das gleichzeitige Multiplexen und Abfragen von MCFs mit unterschiedlichen Geometrien innerhalb desselben Aufbaus.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Diese Arbeit wurde teilweise vom Europäischen Fonds für regionale Entwicklung, teilweise vom Ministerio de Economía y Competitividad im Rahmen der Projekte TEC2015-638263-C03-1-R und PGC2018-101997-B-I00, teilweise vom Ministerio de Ciencia e Innovación unterstützt : im Rahmen der Projekte PID2021-122505OB-C31 und TED2021-129959B-C21, teilweise vom Gobierno Vasco/Eusko Jaurlaritza, im Rahmen der Projekte IT1452-22 und ELKARTEK (KK 2021/00082 und KK 2021/00092), teilweise vom schwedischen Wissenschaftsrat , Office of Naval Research Global (Auszeichnung N62909-20-1-2033) und teilweise von Vinnova Innovair: Forskningsprojekt inom flygteknik (DN 2020-00187). Die Arbeit von Josu Amorebieta wird durch ein Doktorandenstipendium der Universität des Baskenlandes UPV/EHU finanziert. Die Autoren danken Kenny Hey Tow, Erik Zetterlund und Fredrik Laurell für nützliche Diskussionen und Unterstützung.

Abteilung für Kommunikationstechnik, Universität des Baskenlandes UPV/EHU, 48013, Bilbao, Spanien

Josu Amorebieta, Gaizka Durana, Angel Ortega-Gomez, Joseba Zubia und Joel Villatoro

Fiber Optics, RISE Research Institutes of Sweden, 164 40, Stockholm, Schweden

Caroline Franciscangelis und Walter Margulis

Ikerbaskisch-baskische Stiftung für Wissenschaft, 48011, Bilbao, Spanien

Joel Villatoro

Abteilung für Angewandte Physik, Royal Institute of Technology, 106 91, Stockholm, Schweden

Walter Margulis

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Der ursprüngliche Entwurf des Papiers wurde von JA und WM verfasst und von JP, GD, CF, AO-G., JZ und JVJA und AO-G überprüft. JA, WM, JP und CF arbeiteten am theoretischen Ansatz mit, entwarfen und führten die Experimente durch und verarbeiteten und analysierten Daten. AO-G. führte die Simulationen durch, WM überwachte die Experimente. Alle Autoren diskutierten die experimentellen Daten, überarbeiteten und genehmigten das Manuskript. JA und WM haben die endgültige Version mit Beiträgen aller Autoren geschrieben.

Korrespondenz mit Josu Amorebieta.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Amorebieta, J., Pereira, J., Durana, G. et al. Im Laserhohlraum integrierter Doppelkern-Fasersensor. Sci Rep 12, 11797 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-16103-8

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Eingegangen: 03. Mai 2022

Angenommen: 05. Juli 2022

Veröffentlicht: 12. Juli 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-16103-8

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